Modeling the physical processes relevant during hot pressing of wood-based composites. Part II. Rheology

Abstract

A rheological model to describe the development of the vertical density profile and of internal stresses within wood-furnish mats during hot pressing is presented in this paper. The rheological model is part of a comprehensive three-dimensional simulation model that accounts for those mechanisms most important during the pressing process, including heat and mass transfer inside the mat and adhesive cure.

To model the rheological behavior of the mat, the four-element Burgers model commonly used to describe visco-elastic material behavior has been expanded with the addition of a fifth element that represents plastic and micro-fracture related deformation. The coefficients of the non-linear model are highly dependent on the material conditions. Equations of the coefficients as a function of temperature, moisture content and density, as well as a mathematical formulation of the five-element model is presented in this paper. Furthermore, model predictions for both a batch and a continuous press are given. A comparison with experimental results shows that the expanded Burgers model is suitable to predict typical features of the vertical density profile, such as the development of density maxima near the surfaces, shoulders or side maxima as a consequence of intermediate or final densification steps, and differences in the density profile between the mat center and the edges in the horizontal plane. Such agreement provides the basis for a wide range of industrial and research applications.

Zusammenfassung

Im vorliegenden Artikel wird ein rheologisches Modell zur Beschreibung der Entwicklung des Dichteprofils senkrecht zur Plattenebene sowie der Spannungen innerhalb des Holzwerkstoffvlieses während des Heisspressens vorgestellt. Das rheologische Modell ist Bestandteil eines umfassenden drei-dimensionalen Simulationsmodells, welches weitere für den Pressvorgang wichtige Vorgänge wie Wärme- und Stofftransport und Klebharzaushärtung beinhaltet.

Zur Modellierung des rheologischen Vliesverhaltens wurde das aus vier Elementen bestehende Burgers-Modell, das sich zur Beschreibung von visko-elastischen Verformungen eignet, um ein fünftes Element für plastische und microbruchinduzierte Verformungen ergänzt. Die Koeffizienten des nicht-linearen Modells hängen in starkem Masse vom Vlieszustand ab. Gleichungen zur Beschreibung der Koeffizienten als Funktion von Temperatur, Feuchte und Dichte werden zusammen mit der mathematischen Formulierung des Fünf-Elemente-Modells präsentiert. Darüber hinaus werden Modellrechnungen sowohl für Takt- als auch für Doppelbandpressen dargestellt. Ein Vergleich mit experimentellen Ergebnissen zeigt, dass das erweiterte Burgers-Modell für die Vorhersage der charakteristischen Merkmale eines Dichteprofils geeignet ist; charakteristisch sind die Entwicklung von oberflächennahen Dichtemaxima, von Schultern oder Zwischenmaxima als Folge von Zwischen- oder Nachverdichtungsschritten sowie Unterschiede im Dichteprofil zwischen der horizontalen Mattenmitte und den Kanten. Die gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment bietet die Grundlage für den Einsatz des Simulationsmodells für eine Reihe von Anwendungen in Industrie und Forschung.