A numerical simulation tool for modeling the forming process of plywood

Abstract

In der Möbelherstellung ist das Pressen von Sperrholzplatten zu Formteilen von besonderer Bedeutung. Dabei werden einzelne Furniere aus Birkenholz mit einem Faserverlauf von jeweils 90° zueinander verdreht angeordnet und mit einem Heißklebstoff verbunden. Alle Schichten werden im Folgenden auf 130 °C erhitzt und in die gewünschte Form gepresst, in welcher die Aushärtung des Klebstoffes erfolgt.<br />Die vorliegende Arbeit wurde in enger Zusammenarbeit mit der Herstellerfirma UPM ausgeführt, welche sich mit der Entwicklung eines neuen Sperrholz-Produkts namens "Grada" befasst. Im Gegensatz zu anderen Sperrholz-Produkten basiert "Grada" auf einer Verbundtechnologie, die es ermöglicht, auch nach der Herstellung unter einfacher Erhitzung beliebig oft verformt zu werden.<br />Während des Formpressens sind die Furniere auf Zug-, Biege- und erhebliche Druckspannungen senkrecht zur Faserrichtung beansprucht.<br />Dadurch kann es zum Versagen der Furniere durch zu hohe Zugspannungen und zu Schädigungen auf Grund der Verdichtung kommen. Darüber hinaus bewegen sich die Furniere relativ zueinander, bevor der Klebstoff aushärtet.<br />In dieser Arbeit wird das Risiko des Versagens durch Bruch der Furniere und das Ausmaß der auftretenden Schädigung während des Formpressens in Abhängigkeit von Biegeradien und Temperatur mittels numerischer Simulationen untersucht. Zu diesem Zweck wurde ein Finite-Elemente Modell entwickelt, welches in der Lage ist, das komplexe Materialverhalten von Holz sowie das Kontaktverhalten zwischen den einzelnen Sperrholzlagen zu berücksichtigen. Die numerischen Simulationen wurden an Hand von bei UPM durchgeführten Experimenten qualitativ validiert. Die Simulationen geben Einblick in die Spannungsverteilungen im Sperrholz und die Entwicklung der plastischen Verformungen in der Druck- und Zugzone.<br />Im Rahmen mehrerer Parameterstudien wurden verschiedene Einflüsse, von Furnierstärke bis Anzahl der Furnierlagen, auf Biegeradien ermittelt, für welche kritische Plastizierungszustände auftreten. Darüber hinaus wird die Auswirkung von in Materiallängsrichtung geneigten Holzfasern untersucht.<br />

In the production of furniture, the forming of plywood, consisting of veneers, to molded parts is one of the basic production steps. Thereby, single veneers are arranged by a fiber angle of 90° to each other and bonded together with glue. Hereafter, they are heated up to 130 °C and pressed onto a mold, where the hardening of the glue occurs.<br />This work was done in close collaboration with the manufacturing company UPM, which is developing a plywood product named "Grada Plywood". In contrast to other products, "Grada Plywood" is based on a composite technology which enables it to be formed at any time after manufacturing, under simple heat supply.<br />Nevertheless, during the forming process, the veneers are subjected to flatwise tension, bending and considerable compression perpendicular-to-the-grain. The forming might result in tensile failure of the veneers and cause damage due to the compaction. Moreover, the veneers might move relative to each other before the glue cures.<br />In this thesis, the risk of fracture of veneers and the extent of damage induced during the forming process, depending on bending radii and temperature, is investigated by means of numerical simulations.<br />Therefore, a numerical simulation tool was developed which is able to take the complex material behavior of wood as well as the interface behavior between veneers into account. This Finite-Element model is qualitatively validated by comparing simulation results to experiments conducted at UPM. The simulations deliver insight into the stress distributions of plywood and the evolution of the plastic deformations in the compression and tensile zone.<br />In a parameter study, the influence of veneer thicknesses and number of veneers on the bending radii, for which critical plastification states occur, is determined. Moreover, the effect of grain deviations in longitudinal material direction is examined.