The aim of this PhD project was to transfer the remarkable mechanical properties of compression wood to technical applications. Compression wood can be strongly deformed because of its high cellulose microfibril angle and allows permanent plastic deformation without significant damage. These special features of compression wood make this material particularly suitable for the three-dimensional processing of veneers. By applying advanced technologies high deformation levels were achieved. / Das Anliegen dieses Promotionsprojektes bestand in der Überführung der beachtenswerten mechanischen Eigenschaften von Druckholz in eine technische Anwendung. Druckholz kann aufgrund seines großen Cellulose-Mikrofibrillenwinkels stark verformt werden und erlaubt eine permanente plastische Verformung ohne signifikante Materialschädigung. Insbesondere diese Eigenschaften lassen Furniere aus Druckholz für eine dreidimensionale Verarbeitung geeignet erscheinen und führen unter Verwendung neuartiger Verformungstechnologien zu hohen Verformungsgraden.

The aim of this PhD project was to transfer the remarkable mechanical properties of compression wood to technical applications. Compression wood can be strongly deformed because of its high cellulose microfibril angle and allows permanent plastic deformation without significant damage. These special features of compression wood make this material particularly suitable for the three-dimensional processing of veneers. By applying advanced technologies high deformation levels were achieved. / Das Anliegen dieses Promotionsprojektes bestand in der Überführung der beachtenswerten mechanischen Eigenschaften von Druckholz in eine technische Anwendung. Druckholz kann aufgrund seines großen Cellulose-Mikrofibrillenwinkels stark verformt werden und erlaubt eine permanente plastische Verformung ohne signifikante Materialschädigung. Insbesondere diese Eigenschaften lassen Furniere aus Druckholz für eine dreidimensionale Verarbeitung geeignet erscheinen und führen unter Verwendung neuartiger Verformungstechnologien zu hohen Verformungsgraden.

Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden zwei Verfahren zur Herstellung thermisch modifizierter Furniere entwickelt. Nach Verfahren 1 erfolgt die Herstellung von Furnier durch Messern von thermisch modifizierten Blöcken, wobei der Hauptanteil der Untersuchungen an längs gemesserten Furnieren durchgeführt wurde. Ein Industrieversuch belegt die Machbarkeit der Herstellung thermisch modifizierter Furniere aus modifizierten Blöcken durch quer messern, also nach dem üblichen Verfahren zur Herstellung dekorativer Furniere. Nach Verfahren 2 erfolgt die Herstellung von thermisch modifizierten Furnieren durch thermische Modifizierung handelsüblicher dünner Messerfurniere (d=0,5...0,6 mm). Parameter für eine thermische Modifikation sind im Wesentlichen die Dauer der Behandlung sowie die Temperatur. Die Temperatur wurde im Bereich zwischen 170°C und 210°C variiert, die Dauer der Hochtemperaturbehandlung zwischen 2 h und 4 h. Als Holzarten wurden Rotbuche, Ahorn, Birke, Pappel und Esche untersucht. Die hergestellten Furniere wurden hinsichtlich verschiedener mechanischer Eigenschaften, farblicher Eigenschaften sowie verarbeitungstechnischer Eigenschaften untersucht und bewertet.

Wood is a natural and renewable resource and, moreover, a most decorative and beautiful material. Most valuable logs are used for veneer production for optimum exploitation and utilization. Attractive wood veneers adorn any surface and is primarily used for furniture, yacht and automotive interior works. However, such application of wood veneer is limited to rather simply shaped carrier components due to the veneer’s mechanical restrictions. Previously, several approaches have been discussed to flexibilize wood allowing a greater deformation, but none approach has been entirely satisfactory. On that score, another veneer modification process has been suggested comprising a furfuryl alcohol impregnation to plasticize the wood veneer realizing enhanced veneer flexibility and mouldability (Pfriem and Buchelt 2011b). In the presence of a suitable initiator and promoted by elevated temperatures, furfuryl alcohol forms a very hard, insoluble polymer inside the wood cell walls. If polymerization is initiated as the impregnated veneer is moulded, the polymer is assumed to fix the gained shape. This thesis summarizes experimental work investigating the effect of furfuryl alcohol modification on maple veneer plasticization, shape fixation, and shape stability and the impact of various process parameters on material characteristics. Veneer samples impregnated with furfuryl alcohol exhibited an increased cell wall swelling, were notably softer than dry reference veneer, and showed an enhanced mouldability comparable to water impregnated veneer samples. Each characteristic is indicative for an increased plasticization. DSC studies were carried out to assess the influence of various initiator contents and ethanol dilutions of the impregnation liquid on the curing reactions and the retained polymer yield. Thereby, high initiator contents promoted a more rapid curing at lower temperatures with higher polymer yields, whereas higher dilution shifted the curing towards higher temperatures and possibly retard the curing resulting in lower polymer yields. The furfuryl alcohol polymer retaining inside the cell walls was proved to fix the achieved shape of veneer providing moreover enhanced shape stability at elevated temperatures and increasing moisture compared to unmodified reference veneer samples. According to these findings, furfuryl alcohol modification can be used for wood veneer plasticization and improved mouldability, shape fixation, and stabilization. However, material properties vary notably with changing process parameters. / Holz ist nicht nur eine natürlicher und nachwachsender Rohstoff, sondern vielmehr auch ein sehr dekoratives und schönes Material. Die wertvollsten Baumstämme werden daher häufig zur Furnierproduktion genutzt, um diese raren Stämme bestmöglich auszunutzen und zu verwerten. Besonders schöne Furniere schmücken jegliche Oberfläche und werden vorallem in der Möbelindustrie, sowie beim Yacht- und Autoinnenausbau verwendet. Jedoch ist die Anwendung aufgrund mechanischer Restriktionen auf eher einfach geformte Oberflächen und Trägerteile begrenzt. In der Vergangenheit wurden unterschiedliche Methoden entwickelt, um den Einsatzbereich von Furnieren durch eine erhöhte Flexibilität und Verformbarkeit auszuweiten, jedoch ist keiner dieser Prozesse in allen Aspekten zufriedenstellend. Aus diesem Grund wurde von Pfriem und Buchelt (2011b) eine neue Methode vorgeschlagen. Hierbei sollen Furniere mit Furfurylalkohol imprägniert werden, um einerseits die Furniere zu plastifizieren und eine erhöhte Flexibilität und Umformbarkeit zu ermöglichen. Andererseits härtet Furfurylalkohol in Gegenwart eines geeigneten Initiators und durch erhöhte Temperaturen begünstigt aus und bildet in den Zellwänden ein hartes, weitestgehend unlösliches Polymer aus. Hierbei wird angestrebt, die Polymerisation zu initiieren, wenn das imprägnierte Furnier bereits umgeformt ist, so dass das entstehende Polymer das Furnier im umgeformten Zustand fixiert. Die vorliegende Dissertation fasst die erzielten Ergebnisse von Experimenten zusammen, die durchgeführt wurden, um die plastifizierende Wirkung von Furfurylalkohol auf Ahornfurniere sowie die formfixierende und stabilisierende Eigenschaft des ausgehärteten Polymers zu untersuchen und den Einfluss unterschiedlicher Prozessparameter auf erzielte Materialeigenschaften zu bestimmen. Es konnte nachgewiesen werden, dass durch die Imprägnierung mit Furfurylalkohol ein Quellen der Zellwände verursacht wird und dass die getränkten Proben deutlich weicher sind als die Referenzproben und eine erhöhte Umformung aufwiesen. Diese erzielten Änderungen weisen auf eine deutliche Plastifizierung der Holzsubstanz hin. DSC-Analysen von Furnieren, die mit unterschiedlich zusammengesetzten Imprägnierflüssigkeiten auf Basis von Furfurylalkohol imprägniert wurden, belegen den Einfluss unterschiedlicher Initiatoranteile und Verdünnungen mit Ethanol auf die Polymerisation. Während höhere Anteile an Initiator eine rasche Reaktion bei niedrigeren Temperaturen und einen hohen Beladungsgrad hervorrufen, bewirken starke Verdünnungen des Furfurylalkohols mit Ethanol eine Verzögerung der Polymerisation und eine Verschiebung dieser zu höheren Temperaturen bei gleichzeitigen vergleichsweise geringen Beladungsgraden. Mit weiteren Versuchen konnte bestätigt werden, dass das Polymer des Furfurylalkohols in den Zellwänden die erzielte Umformung der Furniere fixiert und auch bei höheren Temperaturen und Luftfeuchten eine erhöhte Formstabilität bewirkt. Die Versuche haben gezeigt, dass Furfurylalkohol zur Plastifizierung und verbesserten Umformbarkeit von Furnieren sowie zu deren Formfixierung und Formstabilisierung genutzt werden kann, allerdings variieren die Materialeigenschaften mit unterschiedlichen Prozessparametern insbesondere mit unterschiedlichen Initiatoranteilen in der Imprägnierflüssigkeit.

Wood is a natural and renewable resource and, moreover, a most decorative and beautiful material. Most valuable logs are used for veneer production for optimum exploitation and utilization. Attractive wood veneers adorn any surface and is primarily used for furniture, yacht and automotive interior works. However, such application of wood veneer is limited to rather simply shaped carrier components due to the veneer’s mechanical restrictions. Previously, several approaches have been discussed to flexibilize wood allowing a greater deformation, but none approach has been entirely satisfactory. On that score, another veneer modification process has been suggested comprising a furfuryl alcohol impregnation to plasticize the wood veneer realizing enhanced veneer flexibility and mouldability (Pfriem and Buchelt 2011b). In the presence of a suitable initiator and promoted by elevated temperatures, furfuryl alcohol forms a very hard, insoluble polymer inside the wood cell walls. If polymerization is initiated as the impregnated veneer is moulded, the polymer is assumed to fix the gained shape. This thesis summarizes experimental work investigating the effect of furfuryl alcohol modification on maple veneer plasticization, shape fixation, and shape stability and the impact of various process parameters on material characteristics. Veneer samples impregnated with furfuryl alcohol exhibited an increased cell wall swelling, were notably softer than dry reference veneer, and showed an enhanced mouldability comparable to water impregnated veneer samples. Each characteristic is indicative for an increased plasticization. DSC studies were carried out to assess the influence of various initiator contents and ethanol dilutions of the impregnation liquid on the curing reactions and the retained polymer yield. Thereby, high initiator contents promoted a more rapid curing at lower temperatures with higher polymer yields, whereas higher dilution shifted the curing towards higher temperatures and possibly retard the curing resulting in lower polymer yields. The furfuryl alcohol polymer retaining inside the cell walls was proved to fix the achieved shape of veneer providing moreover enhanced shape stability at elevated temperatures and increasing moisture compared to unmodified reference veneer samples. According to these findings, furfuryl alcohol modification can be used for wood veneer plasticization and improved mouldability, shape fixation, and stabilization. However, material properties vary notably with changing process parameters. / Holz ist nicht nur eine natürlicher und nachwachsender Rohstoff, sondern vielmehr auch ein sehr dekoratives und schönes Material. Die wertvollsten Baumstämme werden daher häufig zur Furnierproduktion genutzt, um diese raren Stämme bestmöglich auszunutzen und zu verwerten. Besonders schöne Furniere schmücken jegliche Oberfläche und werden vorallem in der Möbelindustrie, sowie beim Yacht- und Autoinnenausbau verwendet. Jedoch ist die Anwendung aufgrund mechanischer Restriktionen auf eher einfach geformte Oberflächen und Trägerteile begrenzt. In der Vergangenheit wurden unterschiedliche Methoden entwickelt, um den Einsatzbereich von Furnieren durch eine erhöhte Flexibilität und Verformbarkeit auszuweiten, jedoch ist keiner dieser Prozesse in allen Aspekten zufriedenstellend. Aus diesem Grund wurde von Pfriem und Buchelt (2011b) eine neue Methode vorgeschlagen. Hierbei sollen Furniere mit Furfurylalkohol imprägniert werden, um einerseits die Furniere zu plastifizieren und eine erhöhte Flexibilität und Umformbarkeit zu ermöglichen. Andererseits härtet Furfurylalkohol in Gegenwart eines geeigneten Initiators und durch erhöhte Temperaturen begünstigt aus und bildet in den Zellwänden ein hartes, weitestgehend unlösliches Polymer aus. Hierbei wird angestrebt, die Polymerisation zu initiieren, wenn das imprägnierte Furnier bereits umgeformt ist, so dass das entstehende Polymer das Furnier im umgeformten Zustand fixiert. Die vorliegende Dissertation fasst die erzielten Ergebnisse von Experimenten zusammen, die durchgeführt wurden, um die plastifizierende Wirkung von Furfurylalkohol auf Ahornfurniere sowie die formfixierende und stabilisierende Eigenschaft des ausgehärteten Polymers zu untersuchen und den Einfluss unterschiedlicher Prozessparameter auf erzielte Materialeigenschaften zu bestimmen. Es konnte nachgewiesen werden, dass durch die Imprägnierung mit Furfurylalkohol ein Quellen der Zellwände verursacht wird und dass die getränkten Proben deutlich weicher sind als die Referenzproben und eine erhöhte Umformung aufwiesen. Diese erzielten Änderungen weisen auf eine deutliche Plastifizierung der Holzsubstanz hin. DSC-Analysen von Furnieren, die mit unterschiedlich zusammengesetzten Imprägnierflüssigkeiten auf Basis von Furfurylalkohol imprägniert wurden, belegen den Einfluss unterschiedlicher Initiatoranteile und Verdünnungen mit Ethanol auf die Polymerisation. Während höhere Anteile an Initiator eine rasche Reaktion bei niedrigeren Temperaturen und einen hohen Beladungsgrad hervorrufen, bewirken starke Verdünnungen des Furfurylalkohols mit Ethanol eine Verzögerung der Polymerisation und eine Verschiebung dieser zu höheren Temperaturen bei gleichzeitigen vergleichsweise geringen Beladungsgraden. Mit weiteren Versuchen konnte bestätigt werden, dass das Polymer des Furfurylalkohols in den Zellwänden die erzielte Umformung der Furniere fixiert und auch bei höheren Temperaturen und Luftfeuchten eine erhöhte Formstabilität bewirkt. Die Versuche haben gezeigt, dass Furfurylalkohol zur Plastifizierung und verbesserten Umformbarkeit von Furnieren sowie zu deren Formfixierung und Formstabilisierung genutzt werden kann, allerdings variieren die Materialeigenschaften mit unterschiedlichen Prozessparametern insbesondere mit unterschiedlichen Initiatoranteilen in der Imprägnierflüssigkeit.

Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden zwei Verfahren zur Herstellung thermisch modifizierter Furniere entwickelt. Nach Verfahren 1 erfolgt die Herstellung von Furnier durch Messern von thermisch modifizierten Blöcken, wobei der Hauptanteil der Untersuchungen an längs gemesserten Furnieren durchgeführt wurde. Ein Industrieversuch belegt die Machbarkeit der Herstellung thermisch modifizierter Furniere aus modifizierten Blöcken durch quer messern, also nach dem üblichen Verfahren zur Herstellung dekorativer Furniere. Nach Verfahren 2 erfolgt die Herstellung von thermisch modifizierten Furnieren durch thermische Modifizierung handelsüblicher dünner Messerfurniere (d=0,5...0,6 mm). Parameter für eine thermische Modifikation sind im Wesentlichen die Dauer der Behandlung sowie die Temperatur. Die Temperatur wurde im Bereich zwischen 170°C und 210°C variiert, die Dauer der Hochtemperaturbehandlung zwischen 2 h und 4 h. Als Holzarten wurden Rotbuche, Ahorn, Birke, Pappel und Esche untersucht. Die hergestellten Furniere wurden hinsichtlich verschiedener mechanischer Eigenschaften, farblicher Eigenschaften sowie verarbeitungstechnischer Eigenschaften untersucht und bewertet.

Die dreidimensionale Formgebung von vliesstoffkaschierten Furnieren als Oberflächen von Zierteilen im Fahrzeug-Innenraum erfolgt über einen Umformprozess. Aufgrund der spröden, anisotropen und variablen mechanischen Eigenschaften von Holz sind Abschätzungen der Umformbarkeit bei neuen Geometrien eine große Herausforderung. Die Auslegung des Umformprozesses erfordert bisher umfangreiche Absicherungsversuche anhand von Prototypen-Werkzeugen. In der vorliegenden Dissertation werden daher numerische Methoden zur Vorhersage der Umformbarkeit von vliesstoffkaschierten Furnieren zur Reduzierung von Material- und Zeitaufwand im Fahrzeugentwicklungsprozess vorgestellt. Die Simulation der Umformung setzt die Modellierung des Deformations- und Versagensverhaltens der kaschierten Furnierstruktur voraus. Der Materialverbund aus Eschenholz-Furnier und Vliesstoffkaschierung wurde dafür zunächst im Zug- und im Scherversuch charakterisiert. Im Nakajima-Versuch wurde das dreidimensionale Deformationsverhalten analysiert, um die Verformungsgrenzen und die wesentlichen Einflussgrößen zu identifizieren. Dies sind vor allem die hohe Anisotropie, die Inhomogenität sowie die Abhängigkeit von den Temperatur- und Feuchtebedingungen. Die Experimente zeigten, dass das lokale Verformungs- und Versagensverhalten von der individuellen Verteilung der Jahrringstruktur abhängt. Auf Basis der Experimente wurden konstitutive Beziehungen und ein Materialmodell abgeleitet. Zur Abbildung von lokalem Versagensverhalten wurde eine Methode zur diskreten Berücksichtigung der Eigenschaften von Früh- und Spätholz in Finite-Elemente-Modellen entwickelt. Dazu wurde ein Zuordnungs-Schema für das Mapping-Tool Envyo eingerichtet, das auf Basis von Grauwertbildern Früh- und Spätholzzonen unterscheidet und auf finite Elemente überträgt. Zur Generierung lokaler Materialparameter wurden über einen Optimierungs-Algorithmus Simulationen des Zug- und des Scherversuchs mit den entsprechenden Kraft-Verschiebungskurven der Experimente kalibriert. Der eingeführte Modellierungsprozess wurde anhand des Versuchsprogramms validiert. Die stochastische Analyse der Verteilungen von Zugfestigkeit und Bruchdehnung in Simulationen des Zugversuchs, mit variierenden Jahrringstrukturen, lieferte eine sehr gute Übereinstimmung mit den Ergebnissen des Experiments. In Simulationen des Nakajima-Tests konnten charakteristische Dehnfelder und Risse sehr gut erfasst werden. Des Weiteren wurde ein Umformprozess eines Bauteils nach dem gängigen Verfahren der Serienfertigung durchgeführt. Dazu wurden Furnierproben mit unterschiedlichen Verteilungen von Früh- und Spätholzzonen ausgewählt und umgeformt. Mit der eingeführten Übertragungsmethode auf Basis von Grauwertbildern dieser Proben wurden Simulationen der Umformung durchgeführt. Die Simulationen zeigten dabei die Faltenbildung, die sich auch im Versuch über die individuelle Verteilung der Frühholzzonen einstellte. Die Forschungsergebnisse der vorliegenden Dissertation stellen damit die vollständige Prozesskette zur virtuellen Auslegung des Umformprozesses vliesstoffkaschierter Furniere, unter Berücksichtigung von dessen individuellen wachstumsbedingten Eigenschaften, bereit.:1 EINLEITUNG 1.1 Hintergrund und Motivation der Thesis 1.2 Schwerpunkte und Ziele 1.3 Gliederung der Thesis 2 GRUNDLAGEN DER FERTIGUNGSTECHNIK UND STRUKTURMECHANIK 2.1 Einleitung 2.2 Struktureller Aufbau von Holz 2.3 Fertigung von Zierteilen und Furnieren 2.3.1 Aufbau und Fertigungsprozess von Zierteilen mit Holzoberfläche 2.3.2 Furnierarten und Herstellungsverfahren 2.4 Kontinuumsmechanische Grundlagen 2.4.1 Kinematische Beziehungen 2.4.2 Kinetische Beziehungen 2.4.3 Konstitutive Beziehungen 2.5 Die Finite-Elemente-Methode 2.6 Literaturüberblick zur Modellierung mechanischer Eigenschaften von Holz 2.7 Schlussfolgerungen 3 STRUKTURVERHALTEN VON FURNIERLAMINATEN 3.1 Einleitung 3.2 Materialcharakterisierung unter Normal- und Schubbelastung 3.2.1 Materialien und Methoden 3.2.1.1 Materialaufbau 3.2.1.2 Aufstellung des Versuchsprogramms 3.2.1.3 Probenvorbehandlung im Wasserbad 3.2.1.4 Bestimmung mechanischer Parameter im Zugversuch 3.2.1.5 Bestimmung mechanischer Parameter im Scherrahmenversuch 3.2.2 Ergebnisse und Diskussion 3.2.2.1 Spannungs-Dehnungs-Verhalten im Zugversuch 3.2.2.2 Spannungs-Dehnungs-Verhalten im Scherrahmenversuch 3.3 Analyse der Umformgrenzen im Nakajimaversuch 3.3.1 Versuchsaufbau 3.3.2 Ergebnisse und Diskussion 3.4 Schlussfolgerungen 4 MATERIALMODELL FÜR FURNIERLAMINATE 4.1 Einleitung 4.2 Idealisierung des Furnierlaminats in ein Kontinuumsmodell 4.3 Formulierung von Versagensmechanismen 4.4 Formulierung von nichtlinearen, konstitutiven Beziehungen 4.5 Schlussfolgerungen 5 DIE FURNIERSTRUKTUR IM FINITE-ELEMENTE-MODELL 5.1 Einleitung 5.2 Entwicklung einer Mapping-Methode zur Diskretisierung der Jahrringstruktur 5.2.1 Der Mapping-Prozess 5.2.2 Analyse des Mapping-Verfahrens anhand eines Finite-Elemente-Modells 5.3 Identifikation lokaler Parameter von Früh- und Spätholz 5.3.1 Methoden 5.3.1.1 Erstellung einer Optimierungsroutine zur Parameteridentifikation 5.3.1.2 Aufbau eines FE-Modells des Zugversuchs 5.3.1.3 Aufbau eines FE-Modells des Scherversuchs 5.3.2 Ergebnisse 5.3.2.1 Identifikation von Materialparametern unter Normalbelastung 5.3.2.2 Identifikation von Materialparametern unter Schubbelastung 5.3.2.3 Modellverhalten unter Druckbelastung 5.4 Schlussfolgerungen 6 VALIDIERUNG DES MODELLIERUNGSANSATZES 6.1 Einleitung 6.2 Validierung der numerischen Parameterstreuung in einer stochastischen Analyse 6.2.1 Aufbau von FE-Modellen des Zugversuchs unter Variation der Jahrringstruktur 6.2.2 Simulationsergebnisse 6.3 Validierung des Modell-Deformations- und Bruchverhaltens unter Tiefziehbelastung 6.3.1 Aufbau eines FE-Modells des Nakajima-Versuchs 6.3.2 Simulationsergebnisse 6.4 Numerische Analyse der Umformung einer Zierteiloberfläche 6.4.1 Experimentelle Analyse der Umformung einer Zierteiloberfläche 6.4.2 Simulation Umformprozess Schritt 1: Schwerkraftsimulation 6.4.2.1 Aufbau des Rechenmodells 6.4.2.2 Simulationsergebnis 6.4.3 Simulation Umformprozess Schritt 2: Umformsimulation 6.4.3.1 Modellaufbau 6.4.3.2 Simulationsergebnis 6.5 Schlussfolgerungen 7 FAZIT 8 AUSBLICK LITERATURVERZEICHNIS ANHANG / In automotive manufacturing, laminated veneer sheets are being formed into a 3D geometry for the production of trim parts with wood surfaces. Estimations of the formability are challenging due to the brittle, anisotropic and inhomogeneous nature of wood. During the vehicle development process, the design of the forming process requires extensive tests with prototype tools. The present thesis introduces numerical methods for the prediction of the formability of veneers with nonwoven backings in order to reduce expenses for the usage of prototype tools and to rapid the development process. The simulation of the forming process requires adequate modelling of the deformation and failure behavior of the laminated veneer structure. Therefore, ash wood veneers with nonwoven backings were characterized in their principal mechanical properties, in tensile and shear tests. In the Nakajima test the material was analyzed under three-dimensional load to identify the forming limits and the influencing factors on the forming process. These are mainly the anisotropy, the inhomogeneity and the temperature and moisture boundaries. The experimentally obtained data was used to derive constitutive laws and a material model. As found in the experiments, failure and deformation behavior of veneer laminates vary with the individual arrangement of early- and latewood zones over a veneer sheet. Therefore, a discretization method is presented, where local failure and damage modes are considered for finite element models. Within the tool Envyo, a mapping scheme was realized for the transfer of early- and latewood zones from ash wood veneer surfaces to finite element meshes, based on gray scale images. In combination to the separate consideration of early- and latewood zones in the model, a set of material input parameters for both zones was created using numerical optimization methods. The force-displacement response of tensile and shear test simulations was calibrated with the corresponding experimental curves. The introduced modelling procedure was validated with the experimental program. In a stochastic, numerical analysis the same distribution of tensile strength and ultimate strain values with varying early- and latewood arrangements was achieved, compared to the experimental tensile test results. Local fracture as well as the characteristic strain distribution were captured in the model in a very good agreement with results of the Nakajima test. Additionally, a conventional forming process of an interior trim part surface was carried out, using veneer samples with different individual textures originating from the growth ring structure. Gray scale images of those samples were mapped to finite element models to perform the same process numerically. Those forming simulations show the wrinkling behavior, depending on the individual arrangement of earlywood zones, as observed in the hardware forming tests. In summary, the research output of the present thesis provides the whole process chain for the virtual design of the forming process of veneers with nonwoven backings, with consideration of the individual growth-related properties of the veneer structure.:1 EINLEITUNG 1.1 Hintergrund und Motivation der Thesis 1.2 Schwerpunkte und Ziele 1.3 Gliederung der Thesis 2 GRUNDLAGEN DER FERTIGUNGSTECHNIK UND STRUKTURMECHANIK 2.1 Einleitung 2.2 Struktureller Aufbau von Holz 2.3 Fertigung von Zierteilen und Furnieren 2.3.1 Aufbau und Fertigungsprozess von Zierteilen mit Holzoberfläche 2.3.2 Furnierarten und Herstellungsverfahren 2.4 Kontinuumsmechanische Grundlagen 2.4.1 Kinematische Beziehungen 2.4.2 Kinetische Beziehungen 2.4.3 Konstitutive Beziehungen 2.5 Die Finite-Elemente-Methode 2.6 Literaturüberblick zur Modellierung mechanischer Eigenschaften von Holz 2.7 Schlussfolgerungen 3 STRUKTURVERHALTEN VON FURNIERLAMINATEN 3.1 Einleitung 3.2 Materialcharakterisierung unter Normal- und Schubbelastung 3.2.1 Materialien und Methoden 3.2.1.1 Materialaufbau 3.2.1.2 Aufstellung des Versuchsprogramms 3.2.1.3 Probenvorbehandlung im Wasserbad 3.2.1.4 Bestimmung mechanischer Parameter im Zugversuch 3.2.1.5 Bestimmung mechanischer Parameter im Scherrahmenversuch 3.2.2 Ergebnisse und Diskussion 3.2.2.1 Spannungs-Dehnungs-Verhalten im Zugversuch 3.2.2.2 Spannungs-Dehnungs-Verhalten im Scherrahmenversuch 3.3 Analyse der Umformgrenzen im Nakajimaversuch 3.3.1 Versuchsaufbau 3.3.2 Ergebnisse und Diskussion 3.4 Schlussfolgerungen 4 MATERIALMODELL FÜR FURNIERLAMINATE 4.1 Einleitung 4.2 Idealisierung des Furnierlaminats in ein Kontinuumsmodell 4.3 Formulierung von Versagensmechanismen 4.4 Formulierung von nichtlinearen, konstitutiven Beziehungen 4.5 Schlussfolgerungen 5 DIE FURNIERSTRUKTUR IM FINITE-ELEMENTE-MODELL 5.1 Einleitung 5.2 Entwicklung einer Mapping-Methode zur Diskretisierung der Jahrringstruktur 5.2.1 Der Mapping-Prozess 5.2.2 Analyse des Mapping-Verfahrens anhand eines Finite-Elemente-Modells 5.3 Identifikation lokaler Parameter von Früh- und Spätholz 5.3.1 Methoden 5.3.1.1 Erstellung einer Optimierungsroutine zur Parameteridentifikation 5.3.1.2 Aufbau eines FE-Modells des Zugversuchs 5.3.1.3 Aufbau eines FE-Modells des Scherversuchs 5.3.2 Ergebnisse 5.3.2.1 Identifikation von Materialparametern unter Normalbelastung 5.3.2.2 Identifikation von Materialparametern unter Schubbelastung 5.3.2.3 Modellverhalten unter Druckbelastung 5.4 Schlussfolgerungen 6 VALIDIERUNG DES MODELLIERUNGSANSATZES 6.1 Einleitung 6.2 Validierung der numerischen Parameterstreuung in einer stochastischen Analyse 6.2.1 Aufbau von FE-Modellen des Zugversuchs unter Variation der Jahrringstruktur 6.2.2 Simulationsergebnisse 6.3 Validierung des Modell-Deformations- und Bruchverhaltens unter Tiefziehbelastung 6.3.1 Aufbau eines FE-Modells des Nakajima-Versuchs 6.3.2 Simulationsergebnisse 6.4 Numerische Analyse der Umformung einer Zierteiloberfläche 6.4.1 Experimentelle Analyse der Umformung einer Zierteiloberfläche 6.4.2 Simulation Umformprozess Schritt 1: Schwerkraftsimulation 6.4.2.1 Aufbau des Rechenmodells 6.4.2.2 Simulationsergebnis 6.4.3 Simulation Umformprozess Schritt 2: Umformsimulation 6.4.3.1 Modellaufbau 6.4.3.2 Simulationsergebnis 6.5 Schlussfolgerungen 7 FAZIT 8 AUSBLICK LITERATURVERZEICHNIS ANHANG

Für die zukünftige Anwendung furnierbasierter Werkstoffe für konstruktive Bauteile im Maschinenbau sollte es möglich sein, deren Lagenaufbau im Sinne des Leichtbaus beanspruchungsgerecht zu gestalten. Für die Dimensionierung dieser Lagenhölzer werden die mechanischen Kennwerte der Furniereinzellagen benötigt. Aktuell besteht ein Defizit in der Verfügbarkeit der erforderlichen Kennwerte. Zusätzlich existieren keine Normen und einheitliche Standards zur Ermittlung dieser Kennwerte an Furnier. Demzufolge wurden in dieser Arbeit Prüfmethoden zur mechanischen Materialcharakterisierung von Furnier unter Zug-, Druck- und Schubbeanspruchung erarbeitet und exemplarisch Kennwertdatensätze für Rotbuchenschälfurnier in Abhängigkeit der Furnierdicke, der Klimatisierung sowie einer Klebstoffbeschichtung ermittelt. Hierbei zeigt sich, dass die Furnierdicke einen erheblichen Einfluss auf die Materialeigenschaften besitzt. Das ist auf die herstellungsbedingten Schälrisse im Furnier zurückzuführen, deren Risstiefe und Rissabstand mit der Furnierdicke ansteigt. Weiter ergaben die Untersuchungen, dass sich die mechanischen Kennwerte von nativem und klebstoffbeschichtetem Furnier deutlich unterscheiden. Auch hier ist eine Abhängigkeit der Eigenschaften von der Furnierdicke festzustellen, da das Eindringverhalten des Klebstoffes in das Furnier gleichfalls von der Furnierdicke abhängig ist. Mit steigender Furnierdicke wird der Furnierquerschnitt vom Klebstoff nicht vollständig durchtränkt und es verbleibt eine klebstofffreie Mittelschicht, deren Anteil mit der Furnierdicke zunimmt. Mit Hilfe der ermittelten Datensätze wurde im Weiteren die Fragestellung untersucht, welches Material für die Einzellage zur Berechnung der Verbundeigenschaften von Lagenholz mit Hilfe der Laminattheorie am besten geeignet ist. Als Materialien wurden natives Furnier, mit Klebstoff beschichtetes Furnier und Vollholz untersucht. Im Ergebnis konnte die beste Übereinstimmung mit experimentell, ermittelten Lagenholzkennwerten für klebstoffbeschichtetes Furnier erzielt werden. Für Lagenholz mit dickeren Furnierlagen können für die Berechnung der Verbundeigenschaften von Lagenholz auch Vollholzkennwerte herangezogen werden. / For future application of veneer-based materials for structural components in mechanical engineering, it should be possible to design the layer structure in terms of a lightweight construction. The mechanical properties of the veneer layers are required for calculating the properties of laminated wood materials such as plywood. Currently, there is a lack of knowledge of the required characteristic veneer values. In addition, there are no standards for determining these properties for veneer. In this work, test methods for the mechanical material characterization of veneer under tensile, compressive and shear stress were developed and exemplary data sets for rotary cut veneer of beech wood were determined as a function of veneer thickness, climatization and an adhesive coating. The veneer thickness has a significant influence on the material properties. This is due to the production-related peeling cracks in the veneer, whose crack depth and crack distance increase with the thickness. Furthermore, the investigations showed that the mechanical properties of native and adhesive-coated veneer differ significantly. Here, as well, a dependence of the properties on the veneer thickness can be observed. This is due to the penetration behavior of the adhesive into the veneer. With increasing veneer thickness, the veneer cross-section is not completely impregnated by the adhesive and an adhesive-free layer remains in the center, the size of which increases with the veneer thickness. In addition, it was investigated which single-layer material is most appropriate for calculating the properties of laminated wood materials using the laminate theory. Native veneer, adhesive coated veneer and solid wood were examined as single layer material. As a result, the best match with the experimentally determined plywood properties was obtained for adhesive-coated veneer. For laminated wood materials with thicker veneer layers, solid wood can also be used as single-layer material to calculate the composite properties.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung von Haftvermittlersystemen für eine verbesserte Faser-Matrix-Adhäsion in Holzfurnier/Biopolyethylen-Verbundwerkstoffen. Dabei wird zunächst die Charakterisierung der zu modifizierenden Rotbuchenfurnieroberfläche sowie die Herstellung von Holzfurnier/Biopolyethylen-Verbundwerkstoffen ohne Haftvermittler vorgestellt. Um die Kompatibilität der beiden Werkstoff zu erhöhen, wurden verschiedene Konzepte zur Haftförderung entwickelt und appliziert. Der Beschichtungsprozess von unterschiedlichen Formulierung wie Poly(N-vinylformamid-co-vinylamin) und strukturell verschiedenen Maleinsäureanhydridcopolymeren auf dem Holzfurnier wurde systematisch untersucht. Die Charakterisierung der beschichteten Rotbuchenfurnieroberfläche erfolgte unter anderen mit Hilfe von Kontaktwinkelmessungen, Röntgenphotoelektronenspektroskopie und elektronen-mikroskopischen Aufnahmen. Die Anwendung der haftvermittelnden Polymere auf dem Holzwerkstoff ermöglicht die Herstellung von Holzfurnier/Biopolyethylen-Verbundwerkstoffen mit erhöhten mechanischen Kennwerten wie beispielsweise dem E-Modul und der Zugfestigkeit. Das Konzept der simultanen Zwillingspolymerisation wurde ebenfalls zur Haftförderung zwischen den Ausgangsmaterialien eingesetzt. Dafür wurden verschiedene neue, funktionale Zwillingsmonomere synthetisiert und anschließend deren Polymerisationsverhalten und die resultierenden Hybridmaterialien charakterisiert. Durch Applikation von verschiedenen Zwillingsmonomermischungen auf der Holzfurnieroberflächen konnten in Kombination mit Biopolyethylen kompatible und stabile Verbundwerkstoffe mit erhöhten mechanischen Eigenschaften erzielt werden.

In der vorliegenden Arbeit wird ein spanloses und umformendes Verfahren zur Erzeugung von Durchgangslöchern mit einer lokalen Dichteerhöhung untersucht. Der Ansatz beruht auf dem Fließlochformen aus der Metalltechnik. Im Bereich der Holztechnik findet dieser Ansatz noch keine Anwendung. Im Umfang der Arbeit werden für den Prozess relevante Grundlagen erläutert sowie die Prozesseinflussfaktoren für das Verfahren aufgedeckt und angepasst. Es werden Berechnungsansätze u. a. für die Abschätzung der auftretenden Axialkraft und der vom Dorn wirkenden Kräfte auf den Werkstoff aufgestellt. Es erfolgen Untersuchungen in statischen Versuchen ohne rotierenden Dorn und dynamische Versuche mit rotierendem Dorn. Untersuchte Einflüsse sind z. B. die Axialkraft, der Spitzenwinkel, die Rauheit, der Dorndurchmesser, der Einfluss des verdrängten Volumens, die Temperatur, die Dorndrehzahl und die Prozesszeit. Die aufgedeckten Einflüsse werden sukzessiv nacheinander untersucht und positive Einflussgrößen für die nachfolgenden Untersuchungen übernommen. Ebenso werden ausgewählte Auswirkungen in der praktischen Anwendung aufgezeigt.:Bibliografische Beschreibung 3 Kurzzeichenverzeichnis 9 Anmerkungen zur Arbeit 15 1 Einführung 17 1.1 Einleitung 17 1.2 Ausgangssituation 18 1.3 Zielstellung 20 1.4 Lösungsweg 21 1.5 Abgrenzung der Arbeit 21 2 Holztechnologische Grundlagen 23 2.1 Aufbau und Anatomie 23 2.1.1 Makroskopischer Aufbau 23 2.1.2 Mikroskopischer Aufbau 25 2.1.3 Chemischer Aufbau 27 2.2 Technische Begrifflichkeiten 28 2.2.1 Anisotropie und Inhomogenität 28 2.2.2 Feuchte- und Wassergehalt 29 2.2.3 Quellen und Schwinden 30 2.2.4 Spaltfestigkeit 30 2.2.5 Nagelfestigkeit 31 2.2.6 Lochleibungsfestigkeit von Nagelverbindungen 31 2.2.7 Platten und Scheibenbeanspruchung 32 2.2.8 Druckfestigkeit und Verdichtung 33 2.2.9 Faser-Last-Winkel 33 2.2.10 Dichte 35 2.2.11 Holzhärte 37 2.2.12 Thermische Eigenschaften 41 2.2.13 Rheologische Eigenschaften 43 2.3 Furnierwerkstoffe 45 3 Stand der Technik 51 3.1 WVC in technischen Anwendungen 51 3.2 Verbindungen in der Holztechnik als WVC-Anwendung 52 3.3 Umformende Prozesse bei Holzwerkstoffen 56 3.4 Bohren bei Holzwerkstoffen 58 3.5 Fließlochformen 60 3.5.1 Fließlochformwerkzeug 60 3.5.2 Prozess des Thermofließlochformens 62 3.5.3 Wärmeübergang und Materialverhalten 64 3.5.4 Thermomechanisches Ausformfügen 65 4 Auswertungsmethodik und statistische Betrachtung 67 5 Fließlochformen in Holzwerkstoffe 71 5.1 Verfahrensansatz 71 5.2 Plattenmodelle 72 5.3 Dornmodell 78 5.4 Rechnerisches Modell 87 5.5 Dorndurchmesser 91 5.6 Vorbohrung 91 5.7 Dornzieldrehzahl 91 5.8 Einflussfaktoren auf den Fließlochformprozess 92 5.8.1 Werkzeug 93 5.8.2 Temperatur 93 5.8.3 Feuchtigkeit 94 5.8.4 Verdrängtes Volumen 95 5.8.5 Werkstoff 95 6 Versuchswerkstoff 97 6.1 Furnierwerkstoff 97 6.2 Dimension 98 6.3 Konditionierung 98 6.4 Feuchtegehalt 99 6.5 Rohdichte 100 7 Druckversuche 101 7.1 Vorbetrachtung 101 7.2 Durchführung 102 7.3 Ergebnisse 103 8 Statische Versuche 105 8.1 Vorbetrachtung 105 8.2 Durchführung 108 8.3 Auswertung 110 8.3.1 Spitzenwinkel 110 8.3.2 Rauheit 113 8.3.3 Durchmesser 113 8.3.4 Verdrängtes Volumen 114 8.3.5 Temperatur 116 8.3.6 Lochrückformung 118 8.3.7 Dichtebestimmung der Messreihen 119 8.3.8 Gewichtsdifferenz 120 8.3.9 Beidseitiges Eindringen 120 8.4 Mikroskopische Analyse 122 8.5 Modell und Versuch 124 8.6 Fazit 126 9 Dynamische Versuche 127 9.1 Ablauf 127 9.2 Vorversuche 127 9.3 Fließlochformautomat 129 9.4 Werkzeuge 131 9.5 Auswertung 132 9.5.1 Drehzahl 132 9.5.2 Axialkraft 133 9.5.3 Hubzahl 136 9.5.4 Prozesszeit 136 9.5.5 Abstand 137 9.5.6 Werkstoffeinfluss 139 9.5.7 Lochrückformung 141 9.5.8 Dichte 142 9.5.9 Gewichtsdifferenz 142 9.5.10 Maßhaltigkeitsuntersuchung 142 9.6 Mikroskopische Analyse 144 9.7 Modell und Versuch 147 10 Auswirkung auf die Praxis 149 10.1 Vorspannkraftabfall 149 10.2 Muffenauszugskraft 153 10.3 Fließlochformen in der Praxis 154 11 Fazit 157 12 Ausblick 161 13 Quellenverzeichnis 163 14 Abbildungsverzeichnis 169 15 Tabellenverzeichnis 175 Anlagen 177 / In the present work, a non-cutting and forming process for the production of through holes with a local density increase is investigated. The approach is based on flow drill technology from metal technology. This approach is not yet applied in the field of wood technology. In the scope of the work, fundamentals relevant to the process are explained, and process influencing factors for the process are uncovered and adjusted. Calculation approaches are used, e. g. for estimating the occurring axial force and the forces acting on the material from the mandrel. Static tests without rotating mandrel and dynamic tests with rotating mandrel are carried out. Influences investigated include axial force, point angle, roughness, mandrel diameter, influence of displaced volume, temperature, mandrel speed and process time. The revealed influences are successively investigated one by one and positive influence variables are adopted for the subsequent investigations. Likewise, selected effects in practical application are shown.:Bibliografische Beschreibung 3 Kurzzeichenverzeichnis 9 Anmerkungen zur Arbeit 15 1 Einführung 17 1.1 Einleitung 17 1.2 Ausgangssituation 18 1.3 Zielstellung 20 1.4 Lösungsweg 21 1.5 Abgrenzung der Arbeit 21 2 Holztechnologische Grundlagen 23 2.1 Aufbau und Anatomie 23 2.1.1 Makroskopischer Aufbau 23 2.1.2 Mikroskopischer Aufbau 25 2.1.3 Chemischer Aufbau 27 2.2 Technische Begrifflichkeiten 28 2.2.1 Anisotropie und Inhomogenität 28 2.2.2 Feuchte- und Wassergehalt 29 2.2.3 Quellen und Schwinden 30 2.2.4 Spaltfestigkeit 30 2.2.5 Nagelfestigkeit 31 2.2.6 Lochleibungsfestigkeit von Nagelverbindungen 31 2.2.7 Platten und Scheibenbeanspruchung 32 2.2.8 Druckfestigkeit und Verdichtung 33 2.2.9 Faser-Last-Winkel 33 2.2.10 Dichte 35 2.2.11 Holzhärte 37 2.2.12 Thermische Eigenschaften 41 2.2.13 Rheologische Eigenschaften 43 2.3 Furnierwerkstoffe 45 3 Stand der Technik 51 3.1 WVC in technischen Anwendungen 51 3.2 Verbindungen in der Holztechnik als WVC-Anwendung 52 3.3 Umformende Prozesse bei Holzwerkstoffen 56 3.4 Bohren bei Holzwerkstoffen 58 3.5 Fließlochformen 60 3.5.1 Fließlochformwerkzeug 60 3.5.2 Prozess des Thermofließlochformens 62 3.5.3 Wärmeübergang und Materialverhalten 64 3.5.4 Thermomechanisches Ausformfügen 65 4 Auswertungsmethodik und statistische Betrachtung 67 5 Fließlochformen in Holzwerkstoffe 71 5.1 Verfahrensansatz 71 5.2 Plattenmodelle 72 5.3 Dornmodell 78 5.4 Rechnerisches Modell 87 5.5 Dorndurchmesser 91 5.6 Vorbohrung 91 5.7 Dornzieldrehzahl 91 5.8 Einflussfaktoren auf den Fließlochformprozess 92 5.8.1 Werkzeug 93 5.8.2 Temperatur 93 5.8.3 Feuchtigkeit 94 5.8.4 Verdrängtes Volumen 95 5.8.5 Werkstoff 95 6 Versuchswerkstoff 97 6.1 Furnierwerkstoff 97 6.2 Dimension 98 6.3 Konditionierung 98 6.4 Feuchtegehalt 99 6.5 Rohdichte 100 7 Druckversuche 101 7.1 Vorbetrachtung 101 7.2 Durchführung 102 7.3 Ergebnisse 103 8 Statische Versuche 105 8.1 Vorbetrachtung 105 8.2 Durchführung 108 8.3 Auswertung 110 8.3.1 Spitzenwinkel 110 8.3.2 Rauheit 113 8.3.3 Durchmesser 113 8.3.4 Verdrängtes Volumen 114 8.3.5 Temperatur 116 8.3.6 Lochrückformung 118 8.3.7 Dichtebestimmung der Messreihen 119 8.3.8 Gewichtsdifferenz 120 8.3.9 Beidseitiges Eindringen 120 8.4 Mikroskopische Analyse 122 8.5 Modell und Versuch 124 8.6 Fazit 126 9 Dynamische Versuche 127 9.1 Ablauf 127 9.2 Vorversuche 127 9.3 Fließlochformautomat 129 9.4 Werkzeuge 131 9.5 Auswertung 132 9.5.1 Drehzahl 132 9.5.2 Axialkraft 133 9.5.3 Hubzahl 136 9.5.4 Prozesszeit 136 9.5.5 Abstand 137 9.5.6 Werkstoffeinfluss 139 9.5.7 Lochrückformung 141 9.5.8 Dichte 142 9.5.9 Gewichtsdifferenz 142 9.5.10 Maßhaltigkeitsuntersuchung 142 9.6 Mikroskopische Analyse 144 9.7 Modell und Versuch 147 10 Auswirkung auf die Praxis 149 10.1 Vorspannkraftabfall 149 10.2 Muffenauszugskraft 153 10.3 Fließlochformen in der Praxis 154 11 Fazit 157 12 Ausblick 161 13 Quellenverzeichnis 163 14 Abbildungsverzeichnis 169 15 Tabellenverzeichnis 175 Anlagen 177