Die vorliegende Forschungsarbeit resultierte aus dem Ansatz, die theoretisch ableitbaren Vorteile der Werkstoffgruppe WPC (Wood Polymer Composite) zur Herstellung von Gleitelementen für fördertechnische Anwendungen (z.B. Gleitschienen in Stückgutförderern) zu nutzen. Diesem Ansatz lag der Gedanke zu Grunde, dass der anfängliche abrasive Verschleiß der polymeren Komponente als Schmiermittel den Abrieb und den Reibwert der stärker tragenden Holzkomponente verringert. Im WPC würde damit eine Funktionstrennung zwischen „tragendem“ Holz und „schmierendem“ Kunststoff vorherrschen. Darauf aufbauend erschien die These zulässig, dass sich im tribologisch aktiven Maschinenteil (Gleitschienen) die typischen Verschleißursachen hochbelasteter polymerer Gleitelemente wie einer starke Abrasion der Reibpartner, mechanische Überlast und damit Deformation in den Kontaktstellen und thermisch bedingter Verschleiß durch Temperaturstau in der Reibzone durch gezielten Holzzusatz in eine Kunststoffmatrix minimieren bzw. zu höheren Grenzen hin verschieben lassen. Diese These wurde in verschiedenen tribologischen Untersuchungen an spritzgegossenen und extrudierten Versuchskörpern grundlegend bestätigt. Die dargestellten Ausführungen zu den Untersuchungen gliedern sich inhaltlich in drei Schwerpunkte. Im ersten Punkt werden die Ergebnisse aus einfachen Tests zum grundlegenden Reibungsverhalten von WPC unter Nutzung des Stift–Scheibe–Versuches und einer nach praxisnahen fördertechnischen Anforderungen konzipierten Versuchseinrichtung vorgestellt sowie in den Stand der Technik eingeordnet. Die Praxisnähe der Versuche wird dabei durch die Probeauswahl weiter erhöht, indem Versuchskörper aus extrudierten Halbzeugen (Terrassendecks aus kommerziellen WPC) und Segmenten aus Förderketten ausgewählt werden. Die daraus resultierenden Aussagen ermöglichen erste Erkenntnisse hinsichtlich des dynamischen Reibwertes des WPC im relevanten tribologischen Belastungsspektrum für Gleitschienen. Im zweiten Punkt wird, aufbauend auf den gewonnenen Erkenntnissen, eine Betrachtungsweise vorgestellt, die neben dem Reibwert Aussagen zum Verschleißverhalten beinhaltet und eine vereinfachte Möglichkeit bietet, mittels des „Tribologiewertes“ die gewonnenen Erkenntnisse in einer praxisnahen Sichtweise darzustellen. Zudem wird die Versuchsmatrix hinsichtlich der verwendeten Parameter (Reibpartner, Reibgeschwindigkeit, theoretischer Flächenpressung) konkretisiert und erweitert. Die vorgestellte Betrachtungsweise und das verwendete Parameterfeld werden an spritzgegossenen Proben aus tribologisch „bekannten“ Materialien (Stand der Technik) und den Bestandteilen des untersuchten WPC (PP, PE, Fichte) überprüft. Weiterhin wird an vergleichbaren Proben aus WPC (50% PP / 50% Weichholz Fichte/Tanne) das tribologische Verhalten des Holzkunststoff - Verbundes klassifiziert. Dieses Verhalten wird hinsichtlich der tribologisch „bekannten“ Materialien in den Stand der Technik eingeordnet und eine These zum Wirkmechanismus bezüglich des Reibungs- und Verschleißverhaltens von WPC vorgestellt. Der dritten Punkt beinhaltet vertiefende Untersuchungen an spritzgegossenen Proben aus WPC mit 50% Weichholz und 50% PP - Matrix hinsichtlich des Einflussesder Spritzrichtung bzw. Holzpartikelorientierung, einer Wasserlagerung, der Konzentration des Haftvermittlers, einer Oberflächenbearbeitung. Weiterhin werden Aussagen zum Reibungs- und Verschleißverhalten von WPC mit PE-Matrix an spritzgegossenen Proben erarbeitet und eine erste Gegenüberstellung der Herstellungsverfahren Spritzguss und Extrusion vorgenommen. Die Untersuchungen ermöglichten in Summe das Gleitreibungs- und Verschleißverhalten des WPC grundlegend aber nicht vollständig zu charakterisieren. Die tribologischen Betrachtungen zur Werkstoffgruppe WPC stehen noch am Anfang ihrer Entwicklung. Die dargestellten Ergebnisse sind somit zudem als Startpunkt eines wissenschaftlichen Diskurses zu sehen.

Ziel der Untersuchung war es, eine Charakterisierung des Dauerlaufverhaltens dynamisch und tribologisch belasteter Maschinenteile aus Wood Polymer Composite (WPC) in tragenden Anwendungen durchzuführen. Zu diesem Zweck wurde ein Hybridprofil aus Aluminium und WPC (70% PP, 30 % Weichholz) zu dem bestehenden Profil aus Aluminium in ein Hängefördersystem eingebaut und die dynamische Belastung (Vertikalbeschleunigung) auf das Fördergut während des Anlagenbetriebes gemessen. Im Testbetrieb wurde das System mit Ersatzlasten beladen und die Amplituden der Vertikalbeschleunigung zu Versuchsbeginn und deren Veränderung nach 1000h Laufzeit hinsichtlich beider Profilarten bewertet und das Hybridprofil auf sichtbare Schäden überprüft. Zu Beginn und nach 1000h Versuchszeit waren keine relevanten Veränderungen des charakteristischen Beschleunigungsbildes bezüglich beider Profilaufbauten feststellbar. Trotz Verschleiß am Antrieb des Fördersystems blieb das Hybridprofil voll funktionsfähig (kein sichtbarer Verschleiß, keine merkliche Schädigung). Darauf aufbauend wird der Versuch mit höherer Belastung fortgesetzt und die Entwicklung eines Profils, welches nur aus WPC besteht, vorangetrieben. / Aim of the study was to analyze the characteristics of dynamic and tribological stressed wood polymer machine elements. For this purpose an endurance test with an overhead conveyor was executed. A sectional beam in hybrid design (Aluminum & WPC [70 % PP / 30 % softwood]) was implemented in this aluminum beam overhead conveyor. During the conveying process the vertical acceleration of the transported material (dummy loads) was measured. At the beginning of the endurance test the acceleration patterns of the aluminum and the hybrid beams did not differ. Despite of mechanical wear of the drive system after 1000 operating hours, alterations of the acceleration patterns still could not be detected in the different beams. The hybrid beam remained fully functional with no visible wear or damage after 1000 operating hours. Based on these encouraging results the endurance test is continued with enhanced dummy loads and the development of a beam completely composed of WPC is aspired.

Die im Folgenden vorgestellten Arbeiten sollen zur Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten von WPC-Bauteilen beitragen, wobei die Untersuchung möglicher Fügetechnologien und ein praxisnahes Anwendungsbeispiel die Schwerpunkte bilden. Mittels Heizelement- und Vibrationsschweißens ist es gelungen, WPC-Bauteile sowohl mit gleichen Materialien als auch mit dem jeweiligen reinen Matrixmaterialien in Mischbauweisen zu verbinden. Deutlich werden hierbei verfahrensbedingte Einflüsse der Temperaturen bzw. des Energieeintrages, der Krafteinleitung (Fügedruck) sowie rezepturbedingte Einflüsse des Anteiles von Haftvermittlern. Durch entsprechende Verfahrensführung können Festigkeiten der Schweißverbindung im Bereich der WPC-Grundmaterialfestigkeit erreicht werden. Im Praxistest wurde das Dauerlaufverhalten eines Hybridprofils aus Aluminium und WPC in einem Hängefördersystem unter dynamischen Belastungen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die WPC-Bauteile des Hybriden den unterschiedlichen Beanspruchungen und den daraus resultierenden Verformungen nach in Summe 3000 h Testbetrieb, ohne sichtbare Schäden standhielten. Weiterhin waren keine Nachteile bezüglich der Praxistauglichkeit im Vergleich zu dem Standardprofil aus Aluminium feststellbar.

Die vorliegende Forschungsarbeit resultierte aus dem Ansatz, die theoretisch ableitbaren Vorteile der Werkstoffgruppe WPC (Wood Polymer Composite) zur Herstellung von Gleitelementen für fördertechnische Anwendungen (z.B. Gleitschienen in Stückgutförderern) zu nutzen. Diesem Ansatz lag der Gedanke zu Grunde, dass der anfängliche abrasive Verschleiß der polymeren Komponente als Schmiermittel den Abrieb und den Reibwert der stärker tragenden Holzkomponente verringert. Im WPC würde damit eine Funktionstrennung zwischen „tragendem“ Holz und „schmierendem“ Kunststoff vorherrschen. Darauf aufbauend erschien die These zulässig, dass sich im tribologisch aktiven Maschinenteil (Gleitschienen) die typischen Verschleißursachen hochbelasteter polymerer Gleitelemente wie einer starke Abrasion der Reibpartner, mechanische Überlast und damit Deformation in den Kontaktstellen und thermisch bedingter Verschleiß durch Temperaturstau in der Reibzone durch gezielten Holzzusatz in eine Kunststoffmatrix minimieren bzw. zu höheren Grenzen hin verschieben lassen. Diese These wurde in verschiedenen tribologischen Untersuchungen an spritzgegossenen und extrudierten Versuchskörpern grundlegend bestätigt. Die dargestellten Ausführungen zu den Untersuchungen gliedern sich inhaltlich in drei Schwerpunkte. Im ersten Punkt werden die Ergebnisse aus einfachen Tests zum grundlegenden Reibungsverhalten von WPC unter Nutzung des Stift–Scheibe–Versuches und einer nach praxisnahen fördertechnischen Anforderungen konzipierten Versuchseinrichtung vorgestellt sowie in den Stand der Technik eingeordnet. Die Praxisnähe der Versuche wird dabei durch die Probeauswahl weiter erhöht, indem Versuchskörper aus extrudierten Halbzeugen (Terrassendecks aus kommerziellen WPC) und Segmenten aus Förderketten ausgewählt werden. Die daraus resultierenden Aussagen ermöglichen erste Erkenntnisse hinsichtlich des dynamischen Reibwertes des WPC im relevanten tribologischen Belastungsspektrum für Gleitschienen. Im zweiten Punkt wird, aufbauend auf den gewonnenen Erkenntnissen, eine Betrachtungsweise vorgestellt, die neben dem Reibwert Aussagen zum Verschleißverhalten beinhaltet und eine vereinfachte Möglichkeit bietet, mittels des „Tribologiewertes“ die gewonnenen Erkenntnisse in einer praxisnahen Sichtweise darzustellen. Zudem wird die Versuchsmatrix hinsichtlich der verwendeten Parameter (Reibpartner, Reibgeschwindigkeit, theoretischer Flächenpressung) konkretisiert und erweitert. Die vorgestellte Betrachtungsweise und das verwendete Parameterfeld werden an spritzgegossenen Proben aus tribologisch „bekannten“ Materialien (Stand der Technik) und den Bestandteilen des untersuchten WPC (PP, PE, Fichte) überprüft. Weiterhin wird an vergleichbaren Proben aus WPC (50% PP / 50% Weichholz Fichte/Tanne) das tribologische Verhalten des Holzkunststoff - Verbundes klassifiziert. Dieses Verhalten wird hinsichtlich der tribologisch „bekannten“ Materialien in den Stand der Technik eingeordnet und eine These zum Wirkmechanismus bezüglich des Reibungs- und Verschleißverhaltens von WPC vorgestellt. Der dritten Punkt beinhaltet vertiefende Untersuchungen an spritzgegossenen Proben aus WPC mit 50% Weichholz und 50% PP - Matrix hinsichtlich des Einflussesder Spritzrichtung bzw. Holzpartikelorientierung, einer Wasserlagerung, der Konzentration des Haftvermittlers, einer Oberflächenbearbeitung. Weiterhin werden Aussagen zum Reibungs- und Verschleißverhalten von WPC mit PE-Matrix an spritzgegossenen Proben erarbeitet und eine erste Gegenüberstellung der Herstellungsverfahren Spritzguss und Extrusion vorgenommen. Die Untersuchungen ermöglichten in Summe das Gleitreibungs- und Verschleißverhalten des WPC grundlegend aber nicht vollständig zu charakterisieren. Die tribologischen Betrachtungen zur Werkstoffgruppe WPC stehen noch am Anfang ihrer Entwicklung. Die dargestellten Ergebnisse sind somit zudem als Startpunkt eines wissenschaftlichen Diskurses zu sehen.

Ziel der Untersuchung war es, eine Charakterisierung des Dauerlaufverhaltens dynamisch und tribologisch belasteter Maschinenteile aus Wood Polymer Composite (WPC) in tragenden Anwendungen durchzuführen. Zu diesem Zweck wurde ein Hybridprofil aus Aluminium und WPC (70% PP, 30 % Weichholz) zu dem bestehenden Profil aus Aluminium in ein Hängefördersystem eingebaut und die dynamische Belastung (Vertikalbeschleunigung) auf das Fördergut während des Anlagenbetriebes gemessen. Im Testbetrieb wurde das System mit Ersatzlasten beladen und die Amplituden der Vertikalbeschleunigung zu Versuchsbeginn und deren Veränderung nach 1000h Laufzeit hinsichtlich beider Profilarten bewertet und das Hybridprofil auf sichtbare Schäden überprüft. Zu Beginn und nach 1000h Versuchszeit waren keine relevanten Veränderungen des charakteristischen Beschleunigungsbildes bezüglich beider Profilaufbauten feststellbar. Trotz Verschleiß am Antrieb des Fördersystems blieb das Hybridprofil voll funktionsfähig (kein sichtbarer Verschleiß, keine merkliche Schädigung). Darauf aufbauend wird der Versuch mit höherer Belastung fortgesetzt und die Entwicklung eines Profils, welches nur aus WPC besteht, vorangetrieben. / Aim of the study was to analyze the characteristics of dynamic and tribological stressed wood polymer machine elements. For this purpose an endurance test with an overhead conveyor was executed. A sectional beam in hybrid design (Aluminum & WPC [70 % PP / 30 % softwood]) was implemented in this aluminum beam overhead conveyor. During the conveying process the vertical acceleration of the transported material (dummy loads) was measured. At the beginning of the endurance test the acceleration patterns of the aluminum and the hybrid beams did not differ. Despite of mechanical wear of the drive system after 1000 operating hours, alterations of the acceleration patterns still could not be detected in the different beams. The hybrid beam remained fully functional with no visible wear or damage after 1000 operating hours. Based on these encouraging results the endurance test is continued with enhanced dummy loads and the development of a beam completely composed of WPC is aspired.

Die im Folgenden vorgestellten Arbeiten sollen zur Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten von WPC-Bauteilen beitragen, wobei die Untersuchung möglicher Fügetechnologien und ein praxisnahes Anwendungsbeispiel die Schwerpunkte bilden. Mittels Heizelement- und Vibrationsschweißens ist es gelungen, WPC-Bauteile sowohl mit gleichen Materialien als auch mit dem jeweiligen reinen Matrixmaterialien in Mischbauweisen zu verbinden. Deutlich werden hierbei verfahrensbedingte Einflüsse der Temperaturen bzw. des Energieeintrages, der Krafteinleitung (Fügedruck) sowie rezepturbedingte Einflüsse des Anteiles von Haftvermittlern. Durch entsprechende Verfahrensführung können Festigkeiten der Schweißverbindung im Bereich der WPC-Grundmaterialfestigkeit erreicht werden. Im Praxistest wurde das Dauerlaufverhalten eines Hybridprofils aus Aluminium und WPC in einem Hängefördersystem unter dynamischen Belastungen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die WPC-Bauteile des Hybriden den unterschiedlichen Beanspruchungen und den daraus resultierenden Verformungen nach in Summe 3000 h Testbetrieb, ohne sichtbare Schäden standhielten. Weiterhin waren keine Nachteile bezüglich der Praxistauglichkeit im Vergleich zu dem Standardprofil aus Aluminium feststellbar.

Durch Funktionsintegration lassen sich im Automobilbau nicht nur die Anzahl der Bauteile, sondern auch Kosten und Gewicht reduzieren. Diese Methode wurde insbesondere für die Werkstoffe Blech und Kunststoff erforscht. Der Stand der Technik erlaubt es jedoch nicht, beide Werkstoffe mit ihren spezifischen Eigenschaften optimal zu kombinieren, um Bauteile mit integrierten Funktionen in großer Stückzahl herzustellen. In dieser Arbeit wurde ein sensorischer Werkstoffverbund behandelt, bestehend aus einer thermoplastischen Folie mit piezokeramischen Partikeln, einem Aluminiumblech und Kupferelektroden. Der Fokus lag auf den Prozessschritten des Fügens der thermoplastischen sensorischen Folie mit einem Aluminiumblech sowie der schädigungsfreien Weiterverarbeitung des sensorischen hybriden Laminats mittels Blechumformprozessen. Dabei wurde ein robuster kontinuierlicher Fügeprozess zwischen thermoplastischer Folie und Aluminiumblech realisiert und die mechanischen und technologischen Eigenschaften des sensorischen Hybridlaminats umfassend charakterisiert. Das sensorische Laminat wurde anschließend in einen Blechumformprozess überführt, um einen Funktionsdemonstrator herzustellen. Zusätzlich wurde ein Finite-Elemente-Modell zur Beschreibung des Umformverhaltens mit Fokus auf die Metall-Kunststoff-Grenzfläche entwickelt. Diese Methoden ermöglichten die Analyse und Optimierung des Prozesses. Abschließend wurde die Funktion des sensorischen Hybridlaminats als haptisches Eingabesystem und zur Zustandsüberwachung im Automobilbau demonstriert.:1 Einleitung 2 Stand der Technik 3 Motivation und Zielstellung 4 Konzipierung der Versuchsanlagen und Versuchsplanung 5 Prozesskette zur Herstellung ebener sensorischer hybrider Laminate 6 Ermittlung relevanter Kennwerte 7 Umformen von sensorischen Verbunden 8 Umformsimulation sensorischer hybrider Verbunde 9 Bestimmung der sensorischen Eigenschaften der umgeformten Verbunde 10 Zusammenfassung und Ausblick

Durch Funktionsintegration lassen sich im Automobilbau nicht nur die Anzahl der Bauteile, sondern auch Kosten und Gewicht reduzieren. Diese Methode wurde insbesondere für die Werkstoffe Blech und Kunststoff erforscht. Der Stand der Technik erlaubt es jedoch nicht, beide Werkstoffe mit ihren spezifischen Eigenschaften optimal zu kombinieren, um Bauteile mit integrierten Funktionen in großer Stückzahl herzustellen. In dieser Arbeit wurde ein sensorischer Werkstoffverbund behandelt, bestehend aus einer thermoplastischen Folie mit piezokeramischen Partikeln, einem Aluminiumblech und Kupferelektroden. Der Fokus lag auf den Prozessschritten des Fügens der thermoplastischen sensorischen Folie mit einem Aluminiumblech sowie der schädigungsfreien Weiterverarbeitung des sensorischen hybriden Laminats mittels Blechumformprozessen. Dabei wurde ein robuster kontinuierlicher Fügeprozess zwischen thermoplastischer Folie und Aluminiumblech realisiert und die mechanischen und technologischen Eigenschaften des sensorischen Hybridlaminats umfassend charakterisiert. Das sensorische Laminat wurde anschließend in einen Blechumformprozess überführt, um einen Funktionsdemonstrator herzustellen. Zusätzlich wurde ein Finite-Elemente-Modell zur Beschreibung des Umformverhaltens mit Fokus auf die Metall-Kunststoff-Grenzfläche entwickelt. Diese Methoden ermöglichten die Analyse und Optimierung des Prozesses. Abschließend wurde die Funktion des sensorischen Hybridlaminats als haptisches Eingabesystem und zur Zustandsüberwachung im Automobilbau demonstriert.