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Holzverbindung ohne Klebstoffe

Holzverbindung ohne Klebstoffe

Artikel erschienen in: Holzmagazin 01 / 2018
Foto: Mikroskopische Aufnahme der Schweißfuge © Berner Fachhochschule, Architektur, Holz und Bau

 

Die Forscher der Berner Fachhochschule Architektur, Holz und Bau Forschung und Entwicklung haben eine Verfahren entwickelt, bei dem man mittels linearer Vibrationsschweißtechnologie Holz ohne Klebstoffe verschweißen kann.

Die grundsätzliche Idee des Verschweißens von Holzstücken ist an sich nichts Neues, doch es war bis dato immer Kunststoff als Verbindungsmittel nötig. 1993 wurden an der Berner Fachhochschule für Architektur, Holz und Bau Forschung und Entwicklung Untersuchungen über die reibungsinduzierte Aktivierung von thermoplastischen und duroplastischen Klebstoffen durchgeführt. Im Jahr 2002 hat dann ein Team unter der Führung von Dr. Frédéric Pichelin, Leiter des Institut für Werkstoffe und Holztechnologie der Berner Fachhochschule, im Rahmen des Projekts „EcoWelding“ gemeinsam mit den Projektpartnern Laboratoire d’Etude et de Recherche sur le Matériau Bois und Branson Ultraschall die Verfahrenstechnik untersucht und analysiert. Die Arbeitshypothese der Forscher lautete: Ist eine physikalische und chemische Modifikation möglich, um „Klebstoffe“ aus dem Holz selbst zu erzeugen? Dr. Pichelin erzählt: „2002 wurde erstmals eine Verbindung von Holzteilen ohne Bindemittel unter dem Einsatz der Linearvibrations-Technologie untersucht. Dabei konnte durch die vibrationsbedingte Wärmeentwicklung auf den Holzoberflächen eine intensive thermoplastische Veränderung des Lignins (Schmelzen) erzeugt werden. Das geschmolzene Lignin kann sich an der Verbindungsstelle wie ein Leim verteilen und härtet nach der Abkühlung aus. Bei den Untersuchungen wurde festgestellt, dass mit diesem Verfahren hochwertige und umweltfreundliche Holzverbindungen ohne Klebstoff oder zusätzliche Additive hergestellt werden können.“ Holz kann also verschweißt werden. 

Reibung und Wärme erzeugen Lignin
Das Verfahren mit dem man Holz zusammenschweißen kann nennt sich „lineare Vibrationsschweisstechnologie“ und ist aus der Automobilindustrie bekannt, wo damit Metall oder Kunststoff verschweißt wird. Lineares Reibschweißen im Holzbereich funktioniert so: Um zwei Fügeteile zu verbinden, wird an eine bestimmte Stelle gezielt Wärme eingesetzt. Die Verbindung entsteht durch das Reiben eines Holzstücks auf der Oberfläche eines zweiten, fest eingespannten Stücks in Form einer linearen Hin- und Herbewegung. Der Vorteil gegenüber anderen Techniken ist, dass beim Reibschweißen von Holz mit Holz die maximale Festigkeit bedeutend schneller erreicht wird. Die erzielten Festigkeiten sind von den Schweißparametern abhängig. Entscheidend ist, dass durch die Reibung genügend hohe Temperaturen erzeugt werden, um das Lignin – einen Baustoff des Holzes – zu erweichen. Lignin benetzt die angrenzenden, nicht erhitzten Holzteile, diffundiert in sie und bewirkt damit die Oberflächenhaftung. Durch das Erweichen des Lignins wird ein Teil der in der Reibungszone vorhanden Holzzellen aus ihrem Verband gelöst. Nach dem Reibungsvorgang und der anschließenden Haltezeit erstarrt die erweichte Matrix. Mit zunehmender Haltezeit steigt die Zugscherfestigkeit, also die Festigkeit der Verbindung, gegenüber der an den Klebeenden wirkenden Zugkraft (Scherung). Interessant dabei ist, dass bei dem ganzen Vorgang kein Holz verbrennt. Die Schnittstelle verfärbt sich zwar, aber aufgrund chemischer und physikalischer Prozesse. Der Vorgang erfolgt bei Temperaturen von 180 bis 230 °C.  Die Holzstücke kann man bereits wenige Sekunden nach dem Verschweißen wieder mit bloßen Händen angreifen. Mit dem linearen Reibschweißen ist es möglich, Holz-Holz-Verbindungen ohne Klebstoff herzustellen. 

Mit diesem Verfahren können hochwertige und umweltfreundliche Holzverbindungen ohne Klebstoff oder zusätzliche Additive hergestellt werden.
— Dr. Frédéric Pichelin, Leiter Institut für Werkstoffe und Holztechnologie Berner Fachhochschule

Vom Labor auf die Piste
Mittlerweile wird an der Berner Fachhochschule in Biel in Zusammenarbeit mit holzverarbeitenden Betrieben gezielt an einer Optimierung unterschiedlicher industrieller Verfahren durch den Einsatz des Linearvibrations-Schweißverfahrens geforscht. Unter anderem erregte die Entwicklung eines holzgeschweißten Snowboardkerns für die Fa. Nidecker SA, dem bekannteste Snowboard-Hersteller „Made in Switzerland“ große mediale Aufmerksamkeit. Dabei handelt es sich um einen sehr leichten, aus einzelnen Holzlamellen verschweißten Holzkern. Im vergangenen Jahr wurden erste Prototypen hergestellt und im Winter auf den Pisten mit Erfolg getestet. Mit diesem neuen, klebstofffreien und gleichzeitig wirtschaftlich rentabel produzierten Holzkern, werden die Erwartungen des Snowboard-Herstellers erfüllt, da das hochwertige, leistungsfähige und umweltfreundliche Produkt der Firmenphilosophie entspricht. Weitere Anwendungsmöglichkeiten werden derzeit untersucht, vor allem im Bereich Möbel und Innenausbau.

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