Aufbauend auf historischen Anwendungen von Holzwerkstoffen in der Technik werden Vor- und Nachteile aus der Sicht des Maschinenbaus dargestellt sowie eine aktuelle Eignung dahingehend diskutiert. Besondere Aufmerksamkeit erfährt der integrative Leichtbau mit Holzfurnierlagenverbundwerkstoffen (Wood Veneer Composite, WVC). Durch deren modifizierbares Eigenschaftsprofil, in Verbindung mit einer an den Anwendungsfall angepassten Bauweise, ist eine zusätzliche Funktionsintegration möglich. Das Potenzial der Holzwerkstoffe wird an verschiedenen Konstruktionsbeispielen erläutert. Ergänzend werden Biege-Ersatz Emodul und Bauteilverformung eines Strukturelementes sowie Ergebnisse aus Ermüdungsversuchen der Verbindungstechnik dargestellt. Abschließend werden Probleme beider Umsetzung verschiedener Prototypen beschrieben und deren Lösung aufgezeigt. / Based on several historical applications of Wood Veneer Composites (WVC) the advantages and disadvantages of wood materials in today`s mechanical and plant engineering are discussed. Integrated WVC lightweight structures are especially taken into account. The highly modifiable mechanical properties of WVC’s allow application-adapted integration of further technical functions. The capabilities of integrated lightweight structures based on wood materials are demonstrated on several technical applications. Furthermore results of flexural tests, precisely the retrieved substitutet bending modulus and the maximal deflection as well as results of fatigue testing of the connecting components are given. Finally problems occurring during realization of WVC lightweight prototypes and their potential solutions are shown.

Durch die Entwicklung der vorgestellten modularen Bauweise ist es möglich, Maschinengestelle aus Holzfurnierlagenverbundwerkstoff (WVC) einfach herzustellen und technisch sinnvoll einzusetzen. Die modulare Bauweise kann sowohl für statische als auch dynamische Beanspruchungen im Allge-meinen Maschinenbau angewendet werden. In einem Baukastensystem werden Maschinenteile aus WVC durch geeignete Verbindungsmittel lösbar zusammengesetzt. Damit ist es möglich, eine hohe Flexibilität in der späteren Nutzung mit einer hohen Variantenvielfalt des Aufbaus durch entsprechend verschiedene Bauteile zu kombinieren. Im Vortrag werden die verschiedenen Belastungen des Holzverbundes im Maschinenaufbau charakte-risiert und auf Probleme bei der Konstruktion eingegangen. Abschließend werden Ergebnisse zu Dau-eruntersuchungen der Verbindungstechnik und des gesamten Maschinenaufbaus vorgestellt und diskutiert. / The development of the presented modular construction allows to manufacture wood veneer compos-ite (WVC) machine racks easily in a technical reasonable way. The modular construction can be used for both static and dynamic loading conditions in mechanical engineering. In the modular construction system the WVC machine components are connected detachable with adequate fasteners. This leads to high flexibility during the construction and assembly process of machine components. In the current presentation the different loading conditions of WVC profiles are characterized and the problems during construction described. Finally the results of the long term testing of the connection technique are presented and the complete machine system is discussed.

In der technischen Logistik bieten Bauweisen aus Holzverbundwerkstoffen, speziell aus schichtförmigen aufgebauten Halbzeugen (WVC – Wood-Veneer- Composites), eine Alternative zu Konstruktionen aus Metallwerkstoffen, vor allem aufgrund ihrer guten spezifischen mechanischen Eigenschaften sowie ihrer günstigen Korrosionseigenschaften. Benötigte Verbindungsmittel entstammen dabei dem Bau- oder Möbelsektor und sind vorrangig statischen Belastungen angepasst. Der Vortrag gibt einen kurzen Einblick in Bauweisen mit WVC und stellt dabei Forschungsergebnisse zu statischen und dynamischen Untersuchungen an prinzipiell geeigneten Verbindungselementen in den Vordergrund. Dabei wird vor allem auf holztypische Problemstellungen im Zusammenhang mit dynamischen Belastungen eingegangen. An Funktionsmustern werden mögliche Anwendungen in der Fördertechnik, speziell für den Stückguttransport, dargestellt.

Aufbauend auf historischen Anwendungen von Holzwerkstoffen in der Technik werden Vor- und Nachteile aus der Sicht des Maschinenbaus dargestellt sowie eine aktuelle Eignung dahingehend diskutiert. Besondere Aufmerksamkeit erfährt der integrative Leichtbau mit Holzfurnierlagenverbundwerkstoffen (Wood Veneer Composite, WVC). Durch deren modifizierbares Eigenschaftsprofil, in Verbindung mit einer an den Anwendungsfall angepassten Bauweise, ist eine zusätzliche Funktionsintegration möglich. Das Potenzial der Holzwerkstoffe wird an verschiedenen Konstruktionsbeispielen erläutert. Ergänzend werden Biege-Ersatz Emodul und Bauteilverformung eines Strukturelementes sowie Ergebnisse aus Ermüdungsversuchen der Verbindungstechnik dargestellt. Abschließend werden Probleme beider Umsetzung verschiedener Prototypen beschrieben und deren Lösung aufgezeigt. / Based on several historical applications of Wood Veneer Composites (WVC) the advantages and disadvantages of wood materials in today`s mechanical and plant engineering are discussed. Integrated WVC lightweight structures are especially taken into account. The highly modifiable mechanical properties of WVC’s allow application-adapted integration of further technical functions. The capabilities of integrated lightweight structures based on wood materials are demonstrated on several technical applications. Furthermore results of flexural tests, precisely the retrieved substitutet bending modulus and the maximal deflection as well as results of fatigue testing of the connecting components are given. Finally problems occurring during realization of WVC lightweight prototypes and their potential solutions are shown.

Auf der Grundlage technischer, wirtschaftlicher und ökologischer Kriterien werden drei Prototypen unterschiedlicher Anwendungen in Holz- und Metallbauweise untersucht und deren Unterschiede bewertet. / Based on technical, economic and ecological criteria, three prototypes of different applications in wood and metal construction are examined and their differences are evaluated.

Es wird aufbauend auf einen Vertikalförderer in Metallbauweise die konstruktive Umsetzung eines Vertikalförderers in Holzbauweise beschrieben und dessen Schwingungs- und Auslenkungsverhalten in labormäßigen Untersuchungen analysiert und bewertet. Ein Vergleich der Holz- und Metallbauweise hinsichtlich technischer (Gewicht), ökonomischer (Kosten) und ökologischer Kriterien Primärenergiebedarf, Treibhauspotential) ordnet die Holzbauweise in den Stand der Technik ein. / Based on a vertical conveyor in metal construction, the structural implementation of a vertical conveyor in wood construction is described and its vibration and deflection behavior is analyzed and evaluated in laboratory studies. A comparison of wood and metal construction in terms of technical (weight), economic (cost) and ecological criteria (primary energy demand, global warming potential) classifies the wood construction in the prior art.

Bei strukturorientierten, aus relativ großen Holzpartikeln aufgebauten Holzwerkstoffen wie z.B. OSB (oriented strand board) addieren sich die gerichteten Festigkeiten der einzelnen Lagen je nach Orientierung der Partikel und der Verteilung ihrer Größenparameter. Wünschenswert wäre eine Messung der Partikelgeometrie und Orientierung möglichst im Prozess, z.B. am Formstrang vor der Presse direkt durch den „Blick auf das Vlies“. Bisher sind regelmäßige on-line-Messungen der Spangeometrie aber nicht möglich, und Einzelspanmessungen werden nicht vorgenommen, weil sie zu aufwändig wären. Um die Partikelkonturen zunächst hinreichend für die Vermessung zu restaurieren und dann zu vermessen, muss ein mehrstufiges Verfahren angewendet werden, das eine Szene mit Strands und mehr oder weniger deutlichen Kanten zunächst als „Grauwertgebirge“ auffasst. Zur Segmentierung reicht ein Watershed-Algorithmus nicht aus. Auch ein zweistufiger Kantendetektor nach Canny liefert allein noch kein ausreichendes Ergebnis, weil sich keine geschlossenen Objektkonturen ergeben. Hinreichend dagegen ist ein komplexes Verfahren auf der Grundlage der Höhenschichtzerlegung und nachfolgenden Synthese: Nach einer Transformation der Grauwerte des Bildes in eine reduzierte, gleichverteilte Anzahl von Höhenschichten werden zwischen diesen die lokalen morphologischen Gradienten berechnet und herangezogen für die Rekonstruktion der ursprünglichen Spankonturen. Diese werden aus den Höhenschichten aufaddiert, wobei allerdings nur Teilflächen innerhalb eines für die gesuchten Spangrößen plausiblen Größenintervalls einbezogen werden, um Störungen zu unterdrücken. Das Ergebnis der Rekonstruktion wird zusätzlich verknüpft mit den bereits durch einen Canny-Operator im Originalbild detektierten deutlichen Kanten und morphologisch bereinigt. Diese erweiterte Höhenschichtanalyse ergibt ausreichend segmentierte Bilder, in denen die Objektgrenzen weitgehend den Spankonturen entsprechen. Bei der nachfolgenden Vermessung der Objekte werden Standard-Algorithmen eingesetzt, wobei sich die Approximation von Spankonturen durch momentengleiche Ellipsen als sinnvoll erwies. Verbliebene Fehldetektionen können bei der Vermessung unterdrückt werden durch Formfaktoren und zusätzliche Größenintervalle. Zur Darstellung und Charakterisierung der Größenverteilungen für die Länge und die Breite wurden die nach der Objektfläche gewichtete, linear skalierte Verteilungsdichte (q2-Verteilung), die Verteilungssumme und verschiedene Quantile verwendet. Zur Umsetzung und Demonstration des Zusammenwirkens der verschiedenen Algorithmen wurde auf der Basis von MATLAB das Demonstrationsprogramm „SizeBulk“ entwickelt, das Bildfolgen verarbeiten kann und mit dem die verschiedenen Varianten der Bildaufbereitung und Parametrierung durchgespielt werden können. Das Ergebnis des Detektionsverfahrens enthält allerdings nur die vollständigen Konturen der ganz oben liegenden Objekte; Objekte unterhalb der Außenlage sind teilweise verdeckt und können daher nur unvollständig vermessen werden. Zum Test wurden daher synthetische Bilder mit vereinzelten und überlagerten Objekten bekannter Größenverteilung erzeugt und dem Detektions- und Messverfahren unterworfen. Dabei zeigte sich, dass die Größenstatistiken durch den Überlagerungseffekt und auch die Spanorientierung zwar beeinflusst werden, dass aber zumindest die Modalwerte der wichtigsten Größenparameter Länge und Breite meist erkennbar bleiben. Als Versuchsmaterial dienten außer den synthetischen Bildern verschiedene Sortimente von OSB-Strands aus Industrie- und Laborproduktion. Sie wurden sowohl manuell vereinzelt als auch zu einem Vlies arrangiert vermessen. Auch bei realen Strands zeigten sich gleiche Einflüsse der Überlagerung auf die Größenverteilungen wie in der Simulation. Es gilt aber auch hier, dass die Charakteristika verschiedener Spankontingente bei gleichen Aufnahmebedingungen und Auswerteparametern gut messbar sind bzw. dass Änderungen in der gemessenen Größenverteilung eindeutig den geometrischen Eigenschaften der Späne zugeordnet werden können. Die Eignung der Verarbeitungsfolge zur Charakterisierung von Spangrößenverteilungen bestätigte sich auch an Bildern, die ausschließlich am Vlies auf einem Formstrang aufgenommen wurden. Zusätzlich wurde nachgewiesen, dass mit der erweiterten Höhenschichtanalyse auch Bilder von Spanplattenoberflächen ausgewertet werden könnten und daraus auf die Größenverteilung der eingesetzten Deckschichtspäne geschlossen werden kann. Das vorgestellte Verfahren ist daher eine gute und neuartige Möglichkeit, prozessnah an Teilflächen von OSB-Vliesen anhand von Grauwertbildern die Größenverteilungen der Strands zu charakterisieren und eignet sich grundsätzlich für den industriellen Einsatz. Geeignete Verfahren waren zumindest für Holzpartikel bisher nicht bekannt. Diese Möglichkeit, Trends in der Spangrößenverteilung automatisch zu erkennen, eröffnet daher neue Perspektiven für die Prozessüberwachung. / The strength of wood-based materials made of several layers of big and oriented particles like OSB (oriented strand board) is a superposition of the strengths of the layers according to the orientation of the particles and depending from their size distribution. It would be desirable to measure particle geometry and orientation close to the production process, e.g. with a “view onto the mat”. Currently, continuous on-line measurements of the particle geometry are not possible, while measurements of separated particles would be too costly and time-consuming. Before measuring particle shapes they have to be reconstructed in a multi-stage procedure which considers an image scene with strands as “gray value mountains”. Segmentation using a watershed algorithm is not sufficient. Also a two-step edge detector according to Canny does not yield closed object shapes. A multi-step procedure based on threshold decomposition and recombination however is successful: The gray values in the image are transformed into a reduced and uniformly distributed set of threshold levels. The local morphological gradients between these levels are used to re-build the original particle shapes by adding the threshold levels. Only shapes with a plausible size corresponding to real particle shapes are included in order to suppress noise. The result of the reconstruction from threshold levels is then matched with the result of the strong edges in the original image, which had been detected using a Canny operator, and is finally cleaned with morphological operators. This extended threshold analysis produces sufficiently segmented images with object shapes corresponding extensively to the particle shapes. Standard algorithms are used to measure geometric features of the objects. An approximation of particle shapes with ellipses of equal moments of inertia is useful. Remaining incorrectly detected objects are removed by form factors and size intervals. Size distributions for the parameters length and width are presented and characterized as density distribution histograms, weighted by the object area and linearly scaled (q2 distribution), as well as the cumulated distribution and different quantiles. A demonstration software “SizeBulk” based on MATLAB has been developed to demonstrate the computation and the interaction of algorithms. Image sequences can be processed and different variations of image preprocessing and parametrization can be tested. However, the detection procedure yields complete shapes only for those particles in the top layer. Objects in lower layers are partially hidden and cannot be measured completely. Artificial images with separated and with overlaid objects with a known size distribution were generated to study this effect. It was shown that size distributions are influenced by this covering effect and also by the strand orientation, but that at least the modes of the most important size parameters length and width remain in evidence. Artificial images and several samples with OSB strands from industrial and laboratory production were used for testing. They were measured as single strands as well as arrangements similar to an OSB mat. For real strands, the same covering effects to the size distributions revealed as in the simulation. Under stable image acquisition conditions and using similar processing parameters the characteristics of these samples can well be measured, and changes in the size distributions are definitely due to the geometric properties of the strands. The suitability of the processing procedure for the characterization of strand size distributions could also be confirmed for images acquired from OSB mats in a production line. Moreover, it could be shown that the extended threshold analysis is also suitable to evaluate images of particle board surfaces and to draw conclusions about the size distribution of the top layer particles. Therefore, the method presented here is a novel possibility to measure size distributions of OSB strands through the evaluation of partial gray value images of the mat surface. In principle, this method is suitable to be transferred to an industrial application. So far, methods that address the problem of detecting trends of the strand size distribution were not known, and this work shows new perspectives for process monitoring.

Es wurde ein plattenförmiges Qualitätshalbzeug aus Spezialholzwerkstoffen für den konstruktiven Einsatz im Maschinebau, mit dem Schwerpunkt Fördertechnik entwickelt. Mit diesem Halbzeug sind ökologisch vorteilhafte Konstruktionen möglich. Entwicklungsschwerpunkte waren: einstellbare, hohe absolute und spezifische mechanische Eigenschaften mit kleinen Streuungen. Die Entwicklung wurde durch verschiedene Werkstoffprüfungen von Labor- und Industriewerkstoffen begleitet und deren Ergebnisse mittels speziell erarbeitetet Bewertungskriterien evaluiert. Weiterhin wurde das Werkstoffverhalten von diversen Holzwerkstoffen unter dynamischer Belastung klassifiziert. / A panel-shaped high quality semi-finished product made of special wood-based materials for structural applications in mechanical engineering, with a focus on materials handling technology, was developed. With said semi-finished product ecologically advantageous constructions are possible. Development priorities were: adjustable, high absolute and specific mechanical properties with little variation. The development was accompanied by various materials tests of laboratory and industrially manufactured materials, and their results were evaluated by specially developed evaluation criteria. Furthermore, the material behaviour of various woodbased materials under dynamic loading was classified.

Es wird ein einfacher Berechnungsansatz für ein Baukastensystem aus Kastenprofilen verschiedener Querschnittsabmessungen erarbeitet. Diese Profile bestehen aus WVC (Wood Veneer Composites, Holzfurnierlagenverbundwerkstoffen). Der Ansatz bildet den statischen Lastfall und das Ermüdungsverhalten unter schwellende Dreipunktbiegung ab. Am Beispiel eines ausgewählten Strukturbauteils aus handelsüblichen Birkensperrholz wird der Berechnungsansatz konkretisiert und durch Versuche evaluiert. Aufbauend auf dem Kraft-Verformungsverhalten der analysierten Einzelbauteile und der kapillarporösen Struktur des Holzes wird bei dem Berechnungsansatz auf eine Analyse der Spannungen verzichtet. Stattdessen wird als Berechnungskriterium die kritische Normaldehnung in der Randfaser der Strukturbauteile genutzt. Weiterhin wird eine Methode vorgestellt um mittels niederzyklischen Ermüdungsversuchs (LCF, ca. 1e+03 Lastwechsel) den „Knickpunkt“ der Zeitfestigkeitslinie eines einstufigen Ermüdungsversuchs bei hohen Lastspielzahlen (HCF, 1e+06 bis 1e+07 Lastwechsel) für diese Strukturbauteile zu bestimmen. / It was developed a simple approach for the calculation of a modular construction system for box sections (profile structures) of different cross-sectional dimensions. These profile structures consists of WVC (Wood Veneer Composites). The approach maps the static load case and the fatigue behavior under pulsating three-point bending. By using a structural component made from commercial birch plywood, the calculation approach is specified and verified. Based on the force-deformation behavior of the analyzed single components in connection with the capillary-porous structure of the wood, the calculation approach dispense on an analysis of the tensions. Instead, a criterion, which calculates the critical normal strain in the outer fibers of the structural components, is used. Furthermore, a method of a low-cycle fatigue test (LCF, abbr. 1e+03 cycles) is presented. This method detects the “knee point" of the fatigue limit line for the profiles. That point is usually determined by the use of a high-cycle fatigue tests (HCF, 1e+06 until 1e+07 cycles).

In dieser Arbeit werden Berechnungsvorschriften für Insertverbindungen in Holzfurnierlagenverbundwerkstoffen (WVC) mit dem Ziel erstellt, diese zur Auslegung und Nachweisführung in Anwendungen des Maschinenbaus zu verwenden. Nach Definition eines entsprechenden Anforderungsprofils erfolgt eine umfangreiche Darstellung des Standes der Technik. Dabei wird speziell auf die rechnerische Nachweisführung von Verbindungen im Bauwesen eingegangen, schwerpunktmäßig durch die im Eurocode 5 (DIN EN 1995) definierten Modelle für stiftförmige Verbindungsmittel. Im zweiten, praktischen Teil der Arbeit erfolgt die Durchführung und Auswertung umfangreicher Versuche. Dabei werden in einem ersten Schritt wesentliche Materialkennwerte der verwendeten Holzwerkstoffe bestimmt. Die zweite Gruppe der experimentellen Untersuchungen hat das Trag- und Verformungsverhalten vollständiger Insertverbindungen zum Inhalt. Dabei werden die unter statischen Aspekten wichtigen Einflussparameter auf die Tragfähigkeit bei Belastungen in Richtung sowie quer zur Stiftachse bestimmt und geometrische Vorzugsparameter ermittelt. Unter deren Zugrundelegung erfolgt eine Ausweitung der experimentellen Untersuchungen auf dynamische Lastfälle durch eine Ableitung von Wöhlerlinien bei Zugschwellbelastung. Auf Grundlage der durchgeführten Versuche werden Modelle zur Berechnung von Insertverbindungen nach den Methoden des Ingenieurholzbaus abgeleitet. Deren Anwendbarkeit wird an einem konkreten Beispiel in Form einer Transportrollenbahn für die Verwendung in der technischen Intralogistik demonstriert. / In this work, calculation fundamentals for insert fastenings in wood veneer composites (WVC) are developed with the aim to use them for the dimensioning and verification in mechanical engineering applications. After defining the functional requirements there is a comprehensive description of the best demonstrated available technology. The arithmetical verifications of connections used in civil engineering are thereby specifically addressed with the main focus on defined models for dowel type fasteners within Eurocode 5 (EN 1995). In the second part of the work comprehensive technical tests are implemented and evaluated. At first essential material properties of the used wood materials are determined. The following experiments contain the load bearing and deformation behavior of complete insert connections. The determination of important influencing parameters of the statical strength under axial and traverse loads is thereby involved, followed by an extension on dynamic load cases by a derivative of Woehler curves (stress - cycle diagram). Based on these experiments are models derived to provide calculation fundamentals to dimension insert connections. The practical applicability of the developed specifications is shown by dimensioning the connections of a roller conveyor made of WVC (technical logistics).