DE10224721B4 - Formteil aus Holz und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Abstract

Formteil aus Holz, welches durch Biegen einer Holzplatte erzeugt worden ist und aus etwa parallel angeordneten Rund- oder Schnittholzstäben besteht, wobei die Holzstäbe quer zur Faserrichtung verdichtet sind und die Achsen der Biegungen im Wesentlichen parallel zur Faserrichtung verlaufen, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich im Bereich der Biegungen verdichtete Holzstäbe angeordnet sind.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Formteil aus Holz nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu seiner Herstellung nach den Merkmalen des Anspruchs 10.
• Die Formteile können prinzipiell aus allen Nadel- und Laubholzarten hergestellt werden, darunter aus minderwertigen Nadelhölzern (Seitenware, schwache Rundhölzer, astige Hölzer), welche in der Forstwirtschaft in großen Mengen anfallen.
• Holzquerschnitte sind für materialsparende Konstruktionen wenig geeignet. Wirtschaftliche Querschnittsformen mit ausgeprägter Tragfähigkeit wie Kasten- oder I-Profile werden im Holzbau nur in Fällen hoher Beanspruchungen eingesetzt. Ihre handwerkliche Herstellung ist aufwendig und erfolgt durch Zusammenfügen von Einzelquerschnitten aus Schnittholz oder Holzwerkstoffen. Neben Leim werden häufig stiftförmige Verbindungsmittel eingesetzt, die jedoch zu Steifigkeitsverlusten der Struktur führen. Die Verwendung von gekrümmten Querschnittsformen beschränkt sich zumeist auf runde Vollquerschnitte. Da der Einsatz entrindeter Stammhölzer begrenzt ist, werden für die Herstellung von Rundhölzern oder Hohlprofilen spanende und trennende Bearbeitungstechniken eingesetzt. Bei größeren Abmessungen lassen sich gekrümmte Querschnittsformen oder Hohlkörper gegenwärtig nur unter hohem Kostenaufwand durch das Zusammenfügen von Kanthölzern fertigen.
• Holz ist ein poröser, inhomogener Werkstoff. Es enthält verschiedenartig angeordnete Hohlräume. Diese Hohlräume sind in den Zellen enthalten oder werden von Zellen umschlossen. Auf thermohygrischem Wege wird das Lignin plastifiziert, so dass die Zellwände unter Druck zusammengefaltet und die Hohlräume verringert werden können.
• Die thermische Veränderung von Holzbestandteilen beginnt schon unter 100 °C und führt ab 200 °C zur Zersetzung der Hemizellulose. Die durch das Erwärmen hervorgerufenen Phasenveränderungen (fest/flüssig) finden bei den einzelnen Bestandteilen bei unterschiedlichen Temperaturen statt.
• Aus der Patentschrift Nr. 601162 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verdichten von Holz bekannt, wobei das Holz etwa senkrecht zur Faserrichtung mehrseitig zusammengepresst und im gepressten Zustand gegebenenfalls einer Wärmebehandlung bzw. einer Imprägnierung unterzogen wird. Das Verdichten erfolgt durch ein zweifach aufeinanderfolgendes Pressen, so dass die Verdichtung gleichmäßiger und vollkommener ausfällt als bei zuvor bekannten Lösungen.
• Aus der Patentschrift Nr. 636413 ist es zur Herstellung von Holzformteilen bekannt, mit Kunstharz getränkte Holzstücke in einer beheizten Form längs der Faserrichtung zu verdichten.
• Holz in Faserlängsrichtung zu verdichten und danach um eine Achse, die etwa senkrecht zur Faserlängsrichtung liegt, zu biegen, ist seit langem bekannt, z. B. DE 318 197 A1 . In der Möbelindustrie dient dieses Verfahren dazu, die Biegsamkeit von Umleimfurnieren für Möbelplatten u.ä. zu erhöhen. Bei Stauchbiegeholz aus gesundem Laubholz sind Verformungszahlen mit einem Verhältnis von Dicke zu Krümmungsradius t/r bis 0,25 möglich.
• Mit speziellen Formpressen, Biegemaschinen oder Walzen können Furniere und Sperrholz mit sehr dünnen Schälfurnieren weicher Holzarten flächenhaft und doppelt gekrümmt verformt werden.
• Darüber hinaus ist ein Verfahren zur Verdichtung von Furnieren durch äußeren Druck zu Pressvollholz – sogenanntes Lignostone – bekannt. Mit diesem Produkt werden maximale Dichten von 1460 kg/m³ erreicht. Durch die Steigerung der Rohdichte werden die mechanischen Eigenschaften hinsichtlich Härte und Festigkeit wesentlich verbessert. Die gepressten Rotbuchenfurniere weisen Zug- und Biegefestigkeiten in der Größenordnung von Stahl auf.
• Zum Stand der Technik gehören auch Kunstharz-Presshölzer und Isolier-Vollhölzer nach DIN 7707.
• Durch die Variation des Verfahrens hinsichtlich Pressdruck, Holzfeuchte, Temperatur und Zeit können die mechanischen Eigenschaften, die Dimensionsstabilität und die Dauerhaftigkeit sowie die Resistenz gegen tierische und pflanzliche Schädlinge gezielt verändert bzw. verbessert werden.
• Aus der DE 197 43 703 A1 ist ein Verfahren zum Formen von Holz durch hydrostatisches Pressen bekannt. Nach dem Verfahren wird Primärholz mit einem Wassergehalt von 10 bis 80 Gew.-% in einen erweichten Zustand überführt, das erweichte Holz zum Formen dem hydrostatischen Druck einer Druckflüssigkeit ausgesetzt und der gepresste Zustand des Holzes durch eine Behandlung fixiert. Man erhält ein verdichtetes Holz mit verbessertem Aussehen und verbesserten Materialeigenschaften gegenüber dem Primärholz ohne dabei eine Form zu benutzen.
• Aus der DE 698 03 805 T2 ist es bekannt, Holzwerkstoffe durch Trocknen auf max. 50 % (d.h. etwa bis zur Fasersättigung) und anschließendes isostatisches Pressen bei einer Temperatur von höchstens 40° verformbar zu machen, um daraus beispielsweise komplizierte Formen für die Möbelindustrie zu pressen. Derart vorbehandelte Holzteile lassen sich offenbar leicht auch zu zylinderförmigen Körpern biegen. Alternativ kann der Biegevorgang dieser Druckschrift zufolge auch bei einer Temperatur von etwa 100°C erfolgen, was seit langem bekannt ist. Nachteilig ist, dass beim isostatischen Pressen ein Druck auf die Holzstücke ausgeübt wird, der in alle Raumrichtungen gleich groß ist. Das Verfahren eignet sich für diffus poröses Holz und erfordert einen relativ hohen Pressdruck.
• Darüber hinaus sind eine Vielzahl von Plastifizierungsmethoden (z.B. Behandlung mit Heißdampf, Wasserdampfbehandlung) bekannt, die die Formbarkeit erhöhen und wasserabweisende Tränkmittel enthalten, welche den Vergütungseffekt durch Reduzierung der Feuchtigkeitsaufnahme infolge der Hydrophobierung der an sich hydrophilen Holzoberfläche dauerhaft erhalten. Ein Beispiel dafür ist das unter dem Namen Calignum bekannte Pressvollholz, dass vor dem Pressen wahlweise imprägniert wird und infolge dessen bei Feuchtelagerung nicht quillt und somit Dimensionsstabil bleibt.
• Es hat sich herausgestellt, dass Temperaturen zwischen 100 °C und 200 °C und Pressdrücke von 5 bis 30 MPa für den Pressvorgang generell geeignet sind, sich aber unterschiedlich auf die Formstabilität auswirken. Zu beachten ist, dass die im Holz enthaltene Feuchtigkeit trotz positiver Auswirkungen auf die Formbarkeit begrenzt werden muss, um das Risiko einer Dampfexplosion und die damit verbundene Zerstörung der Zellstruktur zu minimieren. Die Verdichtung waldfrischen Holzes setzt daher eine abgestimmte Erwärmungs- und Austrocknungsphase voraus.
• Es ist ferner bekannt, dass der sogenannte „Memory-Effekt" von Pressholz, sich in feuchtem Milieu rückzuverformen, durch gezielte Prozesssteuerung, wie Dampfbehandlung und Rückkühlung, eliminiert werden kann.
• Aus der WO 94/20273 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von gepresstem Holz aus Rundhölzern bekannt. Dabei wird das Rundholz in einer Formgebungseinrichtung quer zur Faserrichtung zu Kanthölzern verpresst und danach auf eine Temperatur von über 100 °C erhitzt, um das Holz plastifizierbar zu machen. Anschließend wird auf eine Temperatur unterhalb der Plastifizierungstemperatur abgekühlt, so dass die erhaltene Form beibehalten wird. Die so erhaltenen Kanthölzer können zu Schichtholz oder Platten verleimt werden. Durch das Verfahren werden Bauteile aus einem widerstandsfähigen und harten Holz gewonnen.
• Aufgabe der Erfindung ist es, Formteile aus Holz der eingangs genannten Art anzugeben bzw. herzustellen, ohne dabei die gesamte Holzplatte einer Verdichtung unterziehen zu müssen.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Formteil aus Holz mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst.
• Weiterhin wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den im Anspruch 10 genannten Merkmalen gelöst.
• Vorteilhafte Varianten von Formteil und Verfahren sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
• Die Formteile haben gegenüber Vollholzquerschnitten bei gleichem Holzvolumen eine erheblich größere Tragfähigkeit. Der Rohstoff Holz wird maximal genutzt.
• Die Platte kann aus Brettern bzw. Konstruktionshölzern zusammengesetzt werden, die an ihren Schmalseiten miteinander verbunden sind. Für besonders hohe Festigkeitsanforderungen im Holzbau Können die Bretter bzw. Konstruktionshölzer auch mit ihren Breitseiten miteinander verbunden werden. In den Beispielen wird gezeigt, wie zu diesem Zweck und mit der Absicht, das Holz besser zu nutzen, Rundhölzer ein- oder zweiseitig verdichtet und Teile von ihnen zu einer besonders haltbaren Platte verbunden werden können.
• Wie in den Unteransprüchen, Beispielen und Figuren näher gezeigt, können offene, geschlossene, wellenförmige Formteile oder solche mit gekrümmter Mantellinie hergestellt werden.
• Selbstverständlich kann die Formenvielfalt durch Kombination dieser Formteile untereinander oder zusammen mit nicht verformten Hölzern weiter erhöht werden.
• In einer vorzugsweisen Ausführung kann ein Brett bzw. eine Platte vor der Verformung zusätzlich in Richtung auf die Hauptfläche verdichtet und hierdurch wie bekannt deren Dichte und Härte erhöht werden.
• Der maximal mögliche Biegeradius bei der Formgebung ist primär von dem Verdichtungsgrad und der Plattendicke abhängig.
• Zur Vorbereitung auf das Verdichten oder/und Biegen werden die Hölzer bzw. die Platte mit bekannten thermohygrischen Mitteln oder/und Chemikalien biegsam gemacht bzw. plastifiziert.
• In den technologischen Prozess kann in einfacher Weise ein Imprägnieren der Hölzer mit Fungiziden, Brandhemmern oder Harzen eingeordnet werden.
• Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich, wenn auf das Formteil nach der Formgebung ein Furnier oder ein technisches Textil ein- oder beidseitig aufgebracht wird. Damit lässt sich das Produkt optisch aufwerten, schützen oder verstärken.
• Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
• 1–4 verschiedene erfindungsgemäße Ausführungen zur Veranschaulichung des Verfahrens,
• 3–7 verschiedene erfindungsgemäße Formteile,
• 8 eine schematisierte Darstellung zur Veranschaulichung der Veränderung in der Zellgeometrie
• In 1 ist das erfindungsgemäße Verfahren in Schritten dargestellt. Die Schritte a) bis c) zeigen dabei jeweils einen Querschnitt: a) den Querschnitt durch ein Konstruktionsholz, b) den durch eine Platte und c) einen Profilquerschnitt. Die Längsausdehnungen des Konstruktionsholzes, der Platte und des Formteils liegen jeweils parallel zur Faserlängsrichtung des Holzes. Mehrere Konstruktionshölzer werden im Schritt b) zu einer Platte angeordnet. Die schattiert dargestellten zwei Konstruktionshölzer sind zuvor im Schritt a) in Pfeilrichtung, d. h. quer zur Faserlängsrichtung des Holzes und parallel zur Plattenebene verdichtet. Dazu wird das Holz zuerst erwärmt, bis eine Presstemperatur von 130–160 °C erreicht ist. Dies kann durch Kontakterwärmung in einer Presse oder aber durch Mikrowellenerwärmung geschehen. Danach wird das Holz bei Drücken von 5 bis 30 MPa verdichtet.
• Der Verdichtungsgrad des in Querrichtung verdichteten Holzes ist je nach angestrebter Verformung zwischen 1 und 3 frei wählbar. Nach dem Verdichten wird das Holz in der Form gehalten und auf unter 70°C abgekühlt, um die Holzbestandteile und Bindungen wieder in einen festen Zustand zu überführen. Die Abkühlung erfolgt zweckmäßig außerhalb der Formgebungseinrichtung unter Beibehaltung der gewonnenen Form.
• Die verdichteten Konstruktionshölzer sind in der Platte abwechselnd mit unverdichteten aneinandergereiht und an den Schmalseiten miteinander verleimt. Entsprechend der Kombination von verdichteten und unverdichteten Halbzeugen lassen sich die Platten als Zwischenprodukt hinsichtlich der Querschnittsanforderungen an das Formteil maßschneidern.
• Zur weiteren Durchführung des Verfahrens wird die Platte auf eine Temperatur zwischen 70 und 200 °C und einen Feuchtegehalt zwischen 6 % und Fasersättigung gebracht und zu einem U-Profil in einer Formgebungseinrichtung geformt. Die Formgebung erfolgt unter Dehnung der verdichteten Abschnitten in den Halbzeugen, wobei die aussen liegenden Schichten besonders stark gedehnt werden.
• Bei der in 2 dargestellten zweiten Ausführung sind die Konstruktionshölzer mit ihren Breitseiten in der Platte angeordnet und miteinander verbunden. Alle Konstruktionshölzer sind verdichtet. In dieser Ausführung dadurch, dass die Platte in der angegebenen Pfeilrichtung, also parallel zur Platte und quer zur Faserrichtung verdichtet ist. Eine solche Platte eignet sich vorzugsweise zur Herstellung eines Rohres. An die Verdichtung der Platte kann sich sofort die Verformung anschließen, wodurch eine nochmalige Erwärmung des Holzes entfallen kann.
• In der Ausführung nach 3 wird von einem entrindeten Rundholz ausgegangen (a). Das Rundholz wird zunächst im Schritt b) quer zur Faserrichtung verdichtet. Nach der Verdichtung wird das Halbzeug kerngetrennt geschnitten c). Damit erhält man zwei Halbzeuge. Die verdichteten Halbzeuge werden nun zu einer Platte in der Weise verleimt d), dass entsprechend der Darstellung an der Oberseite der Platte alle Halbzeuge den höchsten und an der Unterseite den niedrigstens Verdichtungsgrad aufweisen. Bei der Formgebung wird die hohe Verdichtung an der Oberseite der Platte weitgehend rückgängig gemacht, während hingegen die Unterseite nur eine geringe Änderung der Dichte erfährt. Derartig verdichtete Platten lassen sich vorzugsweise zu Säulen umformen.
• In der Ausführung nach 3 wird ebenfalls von einem entrindeten Rundholz a) ausgegangen. Das Rundholz wird im Schritt b) in zwei Richtungen, die orthogonal zueinander und quer zur Faserrichtung liegen verdichtet. Danach wird das verdichtete Holz durch zwei Mitten- und zwei Diagonalschnitte in acht dreieckförmige Teile getrennt. Die Teile werden dann, wie in c) zu sehen, in einer Platte angeordnet. Es wird darauf geachtet, dass die Hauptverdichtungsrichtungen der Teile parallel zur Plattenebene liegen. Aus dieser Platte ist im Beispiel ein wellenförmiges Formteil geformt.
• In der 5 wird eine Anzahl von Formteilen gezeigt. Herstellbar sind offene oder geschlossene Hohlformen mit oval bis kreisförmigen Querschnitten sowie dreieckigen oder rechteckigen mit abgerundeten Ecken. Herstellen lassen sich auch wellenförmige Formteile mit einem kleinen oder großen Krümmungsradius. Gezeigt ist auch ein kegelförmiges Formteil. In diesem Fall nimmt der Biegeradius mit dem Verlauf der Längsachse zu. Beginnend bei dem oberen Querschnitt mit dem kleinsten Durchmesser werden die an der Innenseite liegenden Zellen zunehmend stärker gedehnt. Ein nach diesem Prinzip gefertigter Kegelstumpf ist in 6 dargestellt.
• In 7 ändert sich der Biegeradius ebenfalls in Abhängigkeit von der Profilachse. In der Mitte sind die an der Innenseite liegenden Zellen stärker gedehnt als in der Nähe der Stirnseiten. Auf diese Weise kann ein Fass hergestellt werden.
• 8 enthält Abbildungen schematisierter Zellstruktur des Holzes. Das Teilbild a) zeigt die unverdichtete Zellstruktur. Nach der Verdichtung sind die Hohlräume gemäß der Darstellung des Teilbildes b) stark reduziert. Eine Verdichtung des Holzes auf einen Verdichtungsgrad bis 3 ist dabei möglich. Bei einer Formgebung zur Herstellung eines zylindrischen Hohlprofils wird gemäß der Darstellung des Teilbildes c) der obere Bereich bis zur Erreichung der ursprünglichen Zellstruktur gedehnt. Der untere Bereich bleibt verdichtet.

Claims (16)

1. Formteil aus Holz, welches durch Biegen einer Holzplatte erzeugt worden ist und aus etwa parallel angeordneten Rund- oder Schnittholzstäben besteht, wobei die Holzstäbe quer zur Faserrichtung verdichtet sind und die Achsen der Biegungen im Wesentlichen parallel zur Faserrichtung verlaufen, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich im Bereich der Biegungen verdichtete Holzstäbe angeordnet sind.
2. Formteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Holzplatte aus Brettern oder Konstruktionshölzern besteht, deren Breitseiten miteinander verbunden sind.
3. Formteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Holzplatte aus Brettern oder Konstruktionshölzern besteht, deren Schmalseiten miteinander verbunden sind.
4. Formteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Hölzer durch Keilzinken miteinander verbunden sind.
5. Formteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es im Querschnitt winkel- oder u-förmig ist.
6. Formteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es im Querschnitt kreis- oder ellipsenförmig, dreieckig, quadratisch oder rechteckig ist.
7. Formteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es entgegengesetzte Biegungen aufweist, insbesondere ein Profil mit einem wellenförmigen Querschnitt.
8. Formteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegeradien entlang einer Biegeachse unterschiedlich groß sind, insbesondere eine Form, deren Mantellinie parallel zur Biegeachse kegelig, tonnenförmig oder ähnlich gekrümmt ist.
9. Formteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse des Formteils und der Faserverlauf zueinander windschief sind.
10. Verfahren zur Herstellung von Formteilen nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, deren Holzplatte lediglich im Bereich der verdichteten Holzstäbe gebogen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Holzstäbe zusätzlich in Richtung auf die Plattenebene verdichtet werden.
12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Rundhölzer quer zur Faserrichtung verdichtet, längs zur Faserrichtung geteilt und die Rundholzhälften nebeneinander so in der Platte angeordnet und verbunden werden, dass die Teilungsflächen der Rundholzhälften zu einer Seite der Platte liegen.
13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil nach der Formgebung ein- oder beidseitig mit einem Furnier oder einem technischen Textil beschichtet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Holzstäbe oder die Platte vor oder nach der Formgebung mit fungiziden oder/und brandhemmenden Mitteln oder/und Harzen imprägniert werden.
15. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Holzstäbe oder die Platte vor dem Verdichten und/oder Biegen thermohygrisch oder mittels Chemikalien biegsam gemacht bzw. plastizifiert werden.
16. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil nach der Formgebung dauerhaft fixiert wird.