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From a fiber composite point of view, an elongated softwood particle is a composite consisting of several thousand tracheids, which can be described as fiber wound hollow profiles. By knowing their deformation behavior, the deformation behavior of the wood particle can be described. Therefore, a numerical approach for RVE- and FEM-based modelling of the radial and tangential compression behavior of pine wood tracheids under room climate environment is presented and validated with optical and laser-optical image analysis as well as tensile and compression tests on pine sapwood veneer strips. According to the findings, at 23 ˚C and 12% moisture content, at least 10 MPa must be applied for maximum compaction of the earlywood tracheids. The latewood tracheids can withstand at least 100 MPa compression pressure and would deform elastically at this load by about 20%. The developed model can be adapted for other wood species and climatic conditions by adjusting the mechanical properties of the base materials of the cell wall single layers (cellulose, hemicellulose, lignin), the dimensions and the structure of the vessel elements, respectively.

In dieser Arbeit wird erstmalig ein Berechnungsmodell für Elastizitätsmoduln von kurzfaserverstärkten Kunststoffen unter Berücksichtigung der werkstoffspezifischen Haftbedingung in der Faser-Matrix-Grenzfläche vorgestellt und validiert. Dies erfolgt im Rahmen einer Modellerweiterung indem die Oberflächenspannungsanteile der Kontaktpartner herangezogen und Oberflächenrauheiten der Fasern vernachlässigt werden. Die Anwendung des Modells präzisiert die Vorhersagen des Elastizitätsmoduls des Verbundes, was direkte Auswirkungen auf die Eigenfrequenzen und Nachgiebigkeit von Bauteilen insbesondere unter Verwendung nahezu unpolarer Matrices hat. Ein einmaliger Vorteil der Modellerweiterung besteht in der Möglichkeit Kreuzvergleiche zwischen den zu kombinierenden Materialien durchzuführen. Kombinationsspezifische Untersuchungen, wie Einzelfaserauszugstests einer spezifischen Faser-Matrix-Kombination, sind nicht mehr notwendig. Die Messung der Oberflächenspannungsanteile der gewählten Materialien erfolgt unter Verwendung dreier Testflüssigkeiten: destilliertes Wasser, Dimethylsulfoxid und Ethylenglycol. Darüber hinaus ist die Messung unter Einsatztemperatur zu empfehlen, die in vielen Fällen im Bereich der Raumtemperatur und im Rahmen dieser Untersuchungen bei 23 ˚C liegt. Zur Sicherstellung einer vollständig ausgeprägten Kontaktfläche zwischen Faser und Matrix muss ein Spreiten der Matrix auf der Faseroberfläche vorliegen. Hierbei muss die Gesamtoberflächenspannung der Matrix stets kleiner sein als die Gesamtoberflächenspannung der Faser oder gleichwertig. Die Modellerweiterung wird anhand geeigneter Faser- und Matrixwahl auf die Effekte der physikalischen Adhäsion reduziert, um dessen Einfluss klar herauszuarbeiten. Die eigenen Untersuchungen zeigen die Abweichungen der etablierten Modelle von bis zu 25 %, die mit der neuartigen Modellerweiterung stets im Bereich der Messunsicherheit des Elastizitätsmoduls des Verbundes aus den Zugversuchen liegen. Schließlich wird die Modellerweiterung an Daten aus der Literatur erprobt. Die Verbesserung der Vorhersage des Elastizitätsmoduls des Verbundes ermöglicht es, bereits in der Konzeptionsphase ein zuverlässiges elastisches Deformationsverhalten vorherzusagen und Materialwechsel oder Funktionsfaktoren im Entwicklungsprozess zu minimieren bis verhindern.

Der Planetwalzenextruder hat sich als Spezialist unter den Compoundierextrudern für die Aufbereitung von temperaturempfindlichen Kunststoffen etabliert. Im Vergleich zu anderen Extrusionssystemen ist der Kenntnistand zum Materialtransport, des Energieeintrags und des Aufschmelzens in der Maschine jedoch mangelhaft. Insbesondere analytische Modelle zur Beschreibung des Prozessverhaltens von Planetwalzenextrudern fehlen vollständig. Dies wird bei der Auslegung und Optimierung von Extrusionsprozessen mit dem Planetwalzenextruder durch die steigende Komplexität der Prozesse zunehmend zum Problem. Diese Arbeit zum Thema "Modellbildung und Vorabschätzung für das Betriebsverhalten eines Planetwalzenextruders" soll einen Beitrag zur Lösung dieser Herausforderung liefern. In der vorliegenden Arbeit wird eine mathematische Beschreibung der Geometrie- und Geschwindigkeitsverhältnisse im Planetwalzenextruder entwickelt. Darauf aufbauend werden Modellierungsansätze aus der Ein- und Doppelschneckenextrudertheorie an die Geometrie- und Prozessbedingungen des Planetwalzenextruders angepasst. Hierzu werden die Teilbereiche Materialförderung, Plastifizierung, Temperatur- und Leistungseintrag getrennt modelliert und anschließend gekoppelt. Experimentelle Betrachtungen werden dabei für die Modellbildung und Validierung genutzt. Damit steht ein Simulationswerkzeug zur Verfügung, das wichtige Prozesskenngrößen wie Druck, Temperatur, Aufschmelzgrad, Viskosität, Schergeschwindigkeit und Verweilzeit entlang des Planetwalzenextruders bestimmen und darstellen kann. Für die untersuchten Materialien wird in den Berechnungen eine Vorhersageunsicherheit von etwa 20 % erreicht. Die entwickelten Modelle stellen damit einen ersten Schritt für eine simulationsunterstützte Auslegung von Extrusionsprozessen mit dem Planetwalzenextruder dar.