Wood-Based Panel 4.0 – Digitalization in wood-based panel industry

Abstract

Der Einfluss menschlicher Zivilisation auf die Umwelt ist unbestreitbar und fortschreitend. Umden Einfluss der industriellen Erzeugung, die aktuell etwa 30% der Treibhausgasemissionen verursacht,entgegenzuwirken, sind effizienzsteigernde Maßnahmen in allen Schritten der Produktion nötig, um Ressourcen und Energie zu sparen, und uns gleichzeitig unseren Lebensstandard zu erhalten.Der Fokus dieses Werks liegt auf der Holzwerkstoffplattenindustrie, genauer auf der Veredlung von Holzwerkstoffplatten mit harzimprägnierten Papieren in Kurztaktpressen. Mit einem jährlichen Produktionsvolumen von weit über 500 Millionen m3 an Holzwerkstoffplatten, von denen viele auf die genannte Weise veredelt werden, um ihre Oberflächenbeschaffenheit zu verbessern,ist es essentiell den Heißpressprozess besser zu verstehen.Zu diesem Zwecke untersucht die vorlegende Arbeit die Verwendung moderner computergestützter Methoden der vierten Industriellen Revolution, die Konzepte es Digitalen Zwillings und des Soft Sensors, im Kontext der Holzwerkstoffplattenveredelung. Dabei werden die Verwendung und Implementierung eines digitalen Modells zur Temperaturprofilvorhersage innerhalb einerproduzierenden Kurztaktpresse vorgestellt, das genutzt werden soll um die thermischen Prozessebesser zu verstehen, ohne eine Nachrüstung der vorhandenen Produktionsinfrastruktur zu erfordern.Das Erstprinzip-Simulationsmodell wird mit umfangreichen experimentellen Datensätzen validiert,die sowohl auf einer Laborpresse als auch an einer originalen Produktionspresse erfasst wurden. Diese einzigartige Kombination von Modell und ausreichend großem Datensatz erlaubtdie erstmalige Parameterschätzung für Wärmeübergangskoeffizienten in Kurztaktpressen.Die Messkampagnen gestatten darüber hinaus eine weitrechende Analyse wichtigster Kennzahlen und die Formulierung von Qualitätskriterien von Holzwerkstoffplatten von "guter Qualität",die ausschließlich auf thermischen Faktoren während der Produktion bezogen sind. Diese Kriterien wiederrum erlauben das Einführen einer mathematischen Optimierung für die zeit- und energieeffizientesten Produktionszyklen, die möglich sind.Während die Eingangsfrage nach dem Einfluss der Temperatur auf die Qualität der veredelten Holzerkstoffplatten nicht abschließend geklärt werden kann, so werden doch eine hohe Anzahl an Ergebnissen von erheblichem Interesse gemacht und geteilt. Das mit den geschätzten Wärmeübergangskoeffizienten verbesserte Simulationsmodell wird als Soft Sensor und Werkzeug für die moderne Zukunft einer konservativ-geprägten Industriesparte vorgestellt.

The impact of human civilization on the environment is undeniable and progressing. To counteract the influence of industrial production that currently contributes around 30% of greenhouse gas emissions, efficiency improvements are needed in every production step, saving resources and energy while allowing us to maintain our standard of living.The focus of this thesis is the wood-based panel (WBP) industry, more precisely the finishing of WBPs with resin-impregnated papers in short-cycle presses. With an annual production volume of well over 500 million m3 of panels, many of which are finished for improved surfaces in this way, a better understanding of the hot pressing process is crucial in efficiency improvements.The big question of this thesis is whether temperature is the biggest or even the only influencing factor for finished wood-based panel quality.To this end, the present work investigates the use of modern computational methods of the fourth industrial revolution, namely the Digital Twin and Soft Sensor concepts, in the context of wood-based panel finishing. It proposes and implements the use of a digital model to predict the temperature profiles inside of short-cycle presses during production, allowing a better understanding of the thermal processes without the need for extensive retrofitting of existing production infrastructure.The first-principle simulation model is then validated with extensive experimental data, collectedon laboratory and full-scale presses. The unique situation of having both the model and a sufficiently large dataset allows the first parameter estimation for heat transfer coefficients inshort-cycle pressing to be conducted and published.The measurement campaigns also permit an extensive data analysis of Key Performance Indicators and a formulation of quality criteria for ’good quality panels’ depending on thermal factorsduring production. These criteria in turn facilitate the application of mathematical optimization for the most time and the most energy efficient production cycles possible.While the initial question of the influence of temperature on finished WBP quality can not be answered conclusively with this research only, many findings of major interest are made and shared in this work. The simulation model with the inclusion of estimated heat transfer coefficients is proposed as a Soft Sensor and a tool of the future to allow a conservative industry to step into the future.