Leichtbau wird häufig mit der Luft- & Raumfahrt sowie der Automobilindustrie verknüpft und zuerst wird an Leichtmetalle oder an teure Hightech-Leichtbaumaterialien wie Kohlefaserverstärkte Kunststoffe gedacht. Weniger Beachtung findet dagegen die Möbelindustrie, in der Leichtbau immer wichtiger wird. Hier sind bereits heute leichte und biegesteife Sandwichelemente etabliert, die ihren Einsatz beispielsweise als Regalbretter, Korpusteile in Schränken oder als Tischplatten finden. Das gilt insbesondere für das weiterhin wachsende Segment der Mitnahmemöbel [1]. Die treibendenden Kräfte dafür sind verringerte Transport- und Logistikkosten, ein besseres Handling der Pakete für Kunden und ein gesteigertes Nachhaltigkeitsbewusstsein. Im Gegensatz zu klassischen Leichtbauanwendungen dürfen in diesem sehr preissensiblen Segment in Folge der Gewichtseinsparungen nur geringe Mehrkosten entstehen [2].

Als Innenlage sind dabei sowohl homogene Kerne (z.B. Schäume) als auch strukturierte Kerne in Verwendung. Im Bereich der strukturierten Kerne ist je nach Anwendungsfall eine breite Palette von Material-Struktur-Kombinationen denkbar. Marktüblich ist die Pappwabe, jedoch ist gerade bei höheren Belastungen oder weniger verfügbarem Bauraum eine höhere Eigensteifigkeit der Innenlage notwendig. In einem solchen Anwendungsfall kann eine holzfaserbasierte Welle bestehend aus hochdichtem Holzfasermaterial (HDF) genutzt werden. Ein Beispiel für einen derartigen Wellenkern ist dabei die „Homawave®“ der Firma Homanit, die sich aktuell in der Weiterentwicklung befindet. Ziel ist der Einsatz in verschiedenen Dicken und mit unterschiedlichen Decklagen.

Um verschiedene Wellendicken bereitstellen zu können, sind auch verschiedene speziell angepasste Riffelwalzen notwendig, die einen erheblichen Kostenfaktor darstellen. Daher ist es vor der Auslegung dieser Walzen für die Produktion erforderlich, die mechanischen Eigenschaften von Welle und Gesamtsandwich möglichst präzise voraussagen zu können und darüber hinaus ein Verständnis für das Schädigungsverhalten aufzubauen. Dazu wird ein analytisches Verfahren entwickelt, das unter Nutzung der Membrantheorie in der Lage ist, die ortsaufgelöste Durchbiegung von Sandwichbalken verschiedener Geometrie und Decklagen in einem ersten Schritt abzuschätzen. Diese erste Abschätzung kann schnell und ohne weiteren Rechenaufwand betrieben werden, unterliegt allerdings vereinfachenden Annahmen und kann die Wirkung der Klebung nicht miteinbeziehen. Daher wird in einem weiteren Schritt eine Finite-Element (FEM)-Simulation etabliert (siehe Abbildung 1), die auch in der Lage ist, verschiedene Klebstoffe abzubilden. Validiert werden Berechnung und Simulation jeweils mit verschiedenen Biegeversuchen bei verschiedenen Wellendicken, Decklagen und Klebstoffen.

Das Zusammenspiel aus Simulation und Experiment kann dazu beitragen, das Schädigungsverhalten des Sandwichverbunds besser zu verstehen. So kann es unter bestimmten Voraussetzungen bei starker Biegelast zur Aufspaltung der Welle (Abbildung 1 rechts) kommen. Die Betrachtung des Spannungszustands in der Simulation (Abbildung 1 links) zeigt, dass der Grund dafür gegensätzliche Scherspannungen um die neutrale Faser in der Mitte der Wellenlage ist.

Das so gewonnene Wissen trägt dazu bei, die Fertigungsqualität der holzfaserbasierten Welle zu verbessern und Kosten für Werkzeugbau zu sparen.

Referenzen

[1] J. Poppensieker, H. Thömen; Wabenplatten für den Möbelbau - Bundesforschungsanstalt für Forst- und Holzwirtschaft, 2005

[2] M. Knauf; Understanding the consumer: Multi-modal market research on consumer attitudes in Germany towards lightweight furniture and lightweight materials in furniture design; European Journal of Wood and Wood Products, 2015, 73,259–270.