I. Mechanische Eigenschaften von Holz-Pappe-Sandwi- chelementen
Patrick Kluge, Sven Eichhorn
Technische Universität Chemnitz, Institut für Fördertechnik und Kunststoffe, Professur Fördertechnik, Reichenhainer Straße 70, 09126, Chemnitz
Tel.: +49 (0) 371 531 34373
E-Mail: patrick.kluge@mb.tu-chemnitz.de www.holz-im-maschinenbau.de
Kurzfassung
Der Beitrag analysiert die Verbindung der Einzelschichten von Holz-Pappe- Sandwichelementen mittels Scherversuch sowie deren Materialeigenschaften im 3- und 4-Punkt-Biegeversuch. Ziel der Analysen ist eine Klassifizierung des Eigenschaftsspektrums für potentielle Anwendungsfelder in tragenden Struktu- ren des Maschinenbaus.
Schlüsselwörter: Holzwerkstoffe, Sinuswabenpappe, Sandwichelement, Leichtbau, Eigenschaften, Maschinenbau, Fördertechnik
Einleitung
Sandwichelemente vereinen die Vorteile unterschiedlicher Werkstoffe und bie- ten hohes Leichtbaupotential für tragende Anwendungen. Vor allem in den Be- reichen Fahrzeugbau, Bauwesen und Klimatechnik finden sie, gefertigt aus Me- tallen und (faserverstärkten) Kunststoffen, aufgrund ihrer vorteilhaften spezifi- schen mechanischen Eigenschaften breite Anwendung. Sandwichelemente aus erneuerbaren Werkstoffen, überwiegend mit Kraftlinern verklebte Pappwerk- stoffe, sind dagegen hauptsächlich im Möbelbau, Fahrzeuginterieur und als Dämmmaterial im Bauwesen vorzufinden (SWAP, 2018).
Das Verbundprinzip ist ein allgemein bekanntes, weit verbreitetes Konzept zur Herstellung ultraleichter Verbundwerkstoffe mit hohen spezifischen mechani- schen Eigenschaften. Das hohe Leichtbaupotential belegt Klein (2013): „Jede noch so differenzierte Blechbauweise kann hinsichtlich einer Eigengewichtsop- timierung durch das Verbundprinzip übertroffen werden“ (Klein, 2013). Zwei
möglichst dünne, dehnsteife Deckschichten werden mit einem leichten, schub- steifen Kernwerkstoff verklebt. Im Ergebnis entsteht ein Mehrschichtverbund, welcher „ein breites Spektrum an mechanischen, thermischen oder akustischen Vorgaben“ (Klein, 2013) erfüllen kann.
Eine Materialkombination aus Holzfurnierlagenverbundwerkstoffen (WVC – Wood Veneer Composite) als Deckschichten und Sinuswabenpappe als Kern- schicht besitzt das Potential, höheren Belastungen standzuhalten. Mögliche An- wendungen sind z. B. Werkstückträger oder plattenförmige tragende Strukturen.
Bisher finden solche Verbunde aufgrund unzureichender Kenntnis der Materi- aleigenschaften keine Verwendung.
Aufbau der Sandwichelemente
Für die nachfolgenden Analysen wurde als Deckschichtwerkstoff Birkensperr- holz (9 Lagen, Aufbau I-I-I-I-I, Stärke 12 mm) gewählt. Der Kernwerkstoff be- steht aus sinuswabenförmiger Pappe (SWAP excellent wave SWAP, 2018).
Abb. I–1 zeigt den Aufbau eines Holz-Pappe-Sandwichelements (links) sowie der Sinuswabenpappe (rechts). Auf die Verbindung der einzelnen Schichten wird im folgenden Kapitel „Verbindungsfestigkeit“ eingegangen. Die Sinuswa- benpappe ist ein homogener Werkstoff aus Stegen und Wellen. Die Orientie- rung der Stege beeinflusst die mechanischen Biegeeigenschaften. Deshalb wurde bei den Untersuchungen eine Unterscheidung in Sandwichelemente mit Stegen in Richtung der Stützweite (x-Richtung Abb. I–1 links) und senkrecht zur Richtung der Stützweite (y-Richtung Abb. I–1 links) vorgenommen.
Abb. I–1: links: Aufbau eines Holz-Pappe-Sandwichelements im 3-Punkt-Biegeprüf- Stegrichtung
Querrichtung
x y
Verbindungsfestigkeit von Holz-Pappe-Sandwichelementen
Über die Verbindungsschichten des Bindemittels (Klebstoff) werden die auftre- tenden Belastungen von den Deckschichten in den Kernwerkstoff geleitet. Die Verbindungsfestigkeit des Klebstoffes stellt somit ein wesentliches Kriterium für die Funktionalität des Verbundprinzips im Sandwichelement dar. Sie sollte hö- her sein als die Scherfestigkeit des Kernwerkstoffes, um das maximale Potential der Sandwichelemente auszuschöpfen. Für die Untersuchung der Verbindungs- festigkeit wurden folgende potentiell geeignete Klebstoffe verwendet: 2-Kompo- nenten-Polyurethanklebstoff (Technicoll 8301/8302), 1-Komponenten-Po- lyurethanklebstoff (Ponal Construct L Speed), Weißleim (Ponal Classic). Die Probekörper bestehen aus zwei Überlappungsklebungen entsprechend Abb. I–
2 links. Vorteil des Prüfkörperaufbaus ist die Eliminierung von Querkräften, die während der Belastungsphase zum vorzeitigen Versagen der WVC- Deckschichten führen könnten. Die Fügefläche beträgt jeweils 70 x 70 mm. Die äußeren Deckschichten werden über eine Bolzensteckverbindung fixiert, wäh- rend die mittlere Deckschicht über Klemmbacken eingespannt eine Scherbelas- tung initiiert. Die Prüfgeschwindigkeit betrug 10 mm/s, die Materialfeuchte des Verbundwerkstoffes wurde zu 8,43 % (Pappe 9,5 %) bestimmt.
Abb. I–2: links: Zug-Scher-Probe mit 3 WVC-Deckschichten und 2 Sinuswabenpap- pen im Prüfaufbau; Mitte: Scherversagen im Kernwerkstoff einer Probe mit 1K-PUR- Klebstoff; rechts: Klebschicht versagter Proben: WL = Weißleim, 2k-PUR = Tech- nicoll 8301/8302, 1 K PUR = Ponal Construct L Speed
Die Ergebnisse der Zug-Scher-Versuche zeigt Abb. I–3. Der 1K-PUR-Klebstoff (Abb. I–3, Mitte) erreichte die höchste Verbindungsfestigkeit. Hier kam es zum Reißen der Sinuswabenpappe, die Verbindung zur Deckschicht versagte nicht (vgl. Abb. I–2, Mitte). Das jeweilige Kraftmaximum in Abb. I–3 korreliert zur ma- ximalen Schubfestigkeit, in diesem Fall in Richtung der Stege der Sinuswaben- pappe. Die Verbindungen mit den Klebstoffen 2K-PUR (Abb. I–3 links) und Weißleim (Abb. I–3 rechts) versagten, bevor es zum Versagen der Sinuswaben- pappe kam. Eine Kraftübertragung kann somit nicht bis zum Versagen des Kerns gewährleistet werden. Jede Kurve zeigte zwei Peaks, die jeweils das Ab- reißen einer der beiden Klebschichten kennzeichnet. Der Grund für die unter- schiedlichen Ergebnisse zeigte sich bei optischer Begutachtung der Klebschich- ten. Während der 2K-PUR-Klebstoff und der Weißleim nur eine dünne Kleb- schicht erzeugten, bildete der 1K-PUR-Klebstoff aufgrund seines leicht schäu- menden Charakters eine Kehlnaht, wie Abb. I–2 rechts zeigt. Eine vergleichbare Verbindung können der 2K-PUR-Klebstoff und der Weißleim nur durch ökono- misch unvertretbar hohen Materialauftrag erreichen. Deshalb wurde für weitere Betrachtungen ausschließlich der 1K-PUR-Klebstoff verwendet.
Abb. I–3: Ergebnisse der Zug-Scher-Versuche an Holz-Pappe-Sandwichelementen mit Ausrichtung der Stege in Belastungsrichtung für unterschiedliche Klebstoffe
Mechanische Biegeeigenschaften der Sandwichelemente
Die mechanischen Eigenschaften der Holz-Pappe-Sandwichelemente wurden in 3- und 4-Punkt-Biegeversuchen bestimmt. Dadurch ist eine Erfassung des Schubeinflusses auf die E-Moduln möglich. Den Prüfaufbau der 3-Punkt-Bie- gung zeigt Abb. I–2 links. Der Prüfaufbau der 4-Punkt-Biegung erfolgte nach DIN 53293 (1982). Kollmann (1951) beschreibt die Abhängigkeit der Biegeei- genschaften von der Querschnittsgeometrie und Stützweite der Holzprobe. Die- ser Ansatz wurde auf die Holz-Pappe-Sandwichelemente übertragen. Es wur- den in jeweils vier Versuchsreihen Probekörper mit Kernhöhen von 20 mm, 30 mm, 40 mm und 50 mm bei gleicher Stützweite von 400 mm getestet. Daraus ergeben sich Stützweiten-Höhen-Verhältnisse zwischen 5,4 und 9.
Abb. I–4: Exemplarische Kurvenverläufe für Proben mit Längs- (schwarze Kurven) und Querstegen (blaue Kurven); links: 3-Punkt-Biegung; rechts: 4-Punkt-Biegung Im Versuch resultierten charakteristische Kraft-Verformungs-Kurven entspre- chend Abb. I–4. Aus diesen wurden neben dem E-Modul (linearer Anstieg, vgl.
Abb. I–4) die Linearitätsgrenze, die Maximalkraft und die Bruchkraft abgeleitet.
Die Bestimmung der in Abb. I–6 abgebildeten Ergebnisse der E-Module erfolgte gemäß DIN 52186 (1978). Die Linearitätsgrenze entspricht dem Punkt, ab dem der gemessene Kurvenverlauf um 1 % von der ermittelten Gerade abweicht (R²
= 0,99). Sie definiert die Bemessungsgrenze der Sandwichelemente, da bei Überschreitung der Grenze das lineare Modell (Hook’sches Gesetz) keine Gül- tigkeit mehr besitzt. Nähere Informationen zur Linearitätsgrenze sind u.a. in Eichhorn (2012) zu finden. Aufgrund der großen Deckschichthöhen werden für die Bestimmung der Materialkennwerte die Flächenträgheitsmomente der
Deckschichten mit einbezogen. Bei geringen Deckschichthöhen bleiben sie in der Regel unberücksichtigt (Klein 2013).
Die Kraft-Verformungs-Kurven zeigen den Einfluss der Orientierung des Kern- werkstoffes. Proben mit Stegen in Längsrichtung (x-Richtung, Abb. I–2) zeigten ein annähernd lineares Materialverhalten bis zum Kraftmaximum, gefolgt von einem Kraftabfall. Anschließend zeigte sich ein nichtlinearer Kraftanstieg bis zum Bruch einer Decklage. Dagegen zeigten Proben mit Stegen quer zur Stützweitenrichtung (Y-Richtung, Abb. I–2) einen fließenden Übergang vom li- nearen in das nichtlineare Materialverhalten ohne ausgeprägtes Kraftmaximum.
Das Kraftmaximum entspricht dabei der Bruchkraft.
Das Versagen der Proben äußert sich in Schubversagen zwischen den Einzel- schichten sowie im Kern (Abb. I–5 rechts) und/oder durch Bruch einer der Deck- schichten infolge hoher Randfaserdehnungen. Bei Letzterem erfolgt der Bruch nicht zwangsläufig in den Randfasern der unteren Deckschicht. Es kam vorher zum Bruch in den Randfasern der oberen Deckschicht. Grund dafür ist ein Kni- cken der Kernwerkstoffe infolge steigender Schub- und Druckbelastung, wel- ches sich durch ein starkes lokales Eindellen der Deckschicht im Bereich des Druckstempels zeigte (Abb. I–5 links). Dadurch erfährt die obere Deckschicht eine größere Verformung als die untere. Einflussparameter sind die Druckfes- tigkeit und Steifigkeit des Pappkerns, die in Kluge 2016 näher thematisiert wurde, sowie die Stützweite und die Biegesteifigkeit der äußeren Holzlage. Die Analyse der Versagensmechanismen ist Gegenstand weiterer Forschungsar- beit.
Abb. I–5: Schadensbilder durch Schubbelastung (rechts) bzw. Bruch der Deck- schichten (links)
Die Auswertung der E-Moduln in Abb. I–6 zeigt grundsätzlich in den 3-Punkt- Biegeversuchen ein um ca. 20 - 30 % niedrigeren Wert aufgrund der zusätzlich auftretenden Schubbeanspruchung. Bei gleicher Probenhöhe zeigten die Pro- ben mit Längsstegen stets höhere E-Moduln als die Proben mit Querstegen. Die
Abhängigkeit der Stützweite wird bei 3- und 4-Punkt-Biegung ab einem Stütz- weiten-Höhen-Verhältnis größer 7,4 besonders deutlich.
Abb. I–6: E-Modul von Holz-Pappe-Sandwichelementen aus 3- und 4-Punkt-Biegung in Abhängigkeit der Verbundhöhe und der Stegausrichtung der Kernwerkstoffe
Abb. I–7 zeigt die in den Randfasern der Deckschichten wirkenden Biegespan- nungen bei der Linearitätsgrenze. Ermittelt wurde sie aus dem Verhältnis maxi- males Biegemoment und dem Widerstandsmoment. Alle Spannungswerte sind geringfügig höher bei Proben mit Längsstegen. Es zeigt sich, dass die Span- nungswerte geringer sind als bekannte Werte der Biegefestigkeit aus der Lite- ratur (Wagenführ 2012).
Abb. I–7: Linearitäts-(Bemessungs-)grenze für Holz-Pappe-Sandwichelemente
Diskussion und Ausblick
Durch die Untersuchung der Verbindungsfestigkeit der Klebstoffe wurde im ers- ten Schritt die Voraussetzung für praktisch verwertbare Untersuchungen an Holz-Pappe-Sandwichelementen geschaffen. Die Analyse der Biegeversuche hat bisher ergeben, dass die Ausrichtung der Stege entscheidenden Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften besitzt. Die mechanischen Eigenschaften und Bemessungsgrößen sind höher, wenn die Stege des Kennwerkstoffes in Richtung der Stützweite (X-Richtung) verlaufen.
Die Ergebnisse der Biegeversuche zeigen eine Abhängigkeit der ermittelten mechanischen Eigenschaften von der Probengeometrie (Stützweiten-Höhen- Verhältnis, Schubeinfluss, lokales Eindellen der Deckschicht) bei 3- und 4- Punkt-Biegung. Weitere Forschungsarbeit fokussiert die Einflüsse der Proben- geometrie sowie die Analyse der Versagensmechanismen.
Quellen
DIN 52186 (1978) Prüfung von Holz - Biegeversuche
DIN 53293 (1982) Prüfung von Kernverbunden – Biegeversuch
Eichhorn S (2012) Berechnungsansatz für Strukturbauteile aus Holzfurnierlagenver- bundwerkstoff – WVC. Dissertation, Techn. Univ. Chemnitz
Klein B (2013) Leichtbau-Konstruktion. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, S. 192 – 214
Kluge P, Eichhorn S, Nendel K (2016) Mechanische Eigenschaften dichtemodifizier- ter sinuswabenförmiger Pappwerkstoffe. In: 12. Fachkolloquiumder Wissenschaftli- chen Gesellschaft für Technische Logistik e. V. (WGTL): Tagungsband, Stuttgart, S.
Kollmann F (1951) Technologie des Holzes und der Holzwerkstoffe – Band 1. Sprin- ger-Verlag, Berlin Heidelberg, S. 781 - 791
SWAP(Sachsen) GmbH (2018) Anwendungen SWAP-Wabenpappe.
http://www.swap-sachsen.de/#anwendungen Zugriff am 15.02.2018
Wagenführ A, Scholz F (2012) Taschenbuch der Holztechnik – Carl Hanser Verlag, München, S. 188