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Die Erfindung betrifft ein Halbzeug und ein Bauteil aus Holz oder einem Holz- oder Faserwerkstoff, das zumindest einfach krümmbar ist sowie ein Verfahren zur Herstellung von Halbzeug und Bauteil. Als Faserwerkstoffe werden dabei Materialien betrachtet, die im Wesentlichen aus Holzfasern oder anderen lignocellulosen Fasern und zumeist auch einem zusätzlichen Bindemittel bestehen.
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Dreidimensional geformte bzw. formbare Bauteile auf Basis von Holz, einem Holz- oder Faserwerkstoff sind vielfältig anwendbar, insbesondere für den Möbel- und Innenausbau, vorzugsweise für den Innenausbau von Fahrzeugen wie Caravan- und Schiffs- bzw. Flugzeuginterieur. Auch für bestimmte technische Einsatzbereiche, bei denen ein bestimmtes Lastprofil einem zu reduzierenden Eigengewicht gegenübersteht, finden solche Bauteile Verwendung. Ein typischer Einsatzbereich dieser Art sind Rotorblätter von Windenergieanlagen.
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Bekannt sind Formteile mit Furnierlagen. Formteile mit Furnierlagen werden derzeit als Sperrholzformteile oder mittels Oberflächenbeschichtung eines Trägermaterials (z.B. GFK-Grundkörper, Blech) hergestellt. In beiden Fällen sind der maximalen Verformung Grenzen gesetzt, welche durch die bei der Verformung einsetzende Riss- bzw. Faltenbildung in der Decklage bestimmt werden. Dieses Problem tritt insbesondere bei dreidimensionalen Oberflächen mit starker doppelter Krümmung auf.
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Seit geraumer Zeit sind am Markt auch 3D-verformbare Furniere der Fa. Danzer Deutschland GmbH erhältlich. Damit steht ein Werkstoff zur Verfügung, der Beschichtungen und Schichtwerkstoffe mit kleinsten Biegeradien ermöglicht. Derzeitige Einsatzgebiete sind somit die Oberflächenbeschichtung und die Herstellung von Schichtholz-Formteilen mit aus der Schichtung resultierender massiver Mittelschicht. Die Herstellung dieser Formteile entspricht grundsätzlich der bereits bekannten Herstellung von 2D-Formteilen, wobei jedoch zusätzliche Forderungen hinsichtlich Werkzeuggeometrie, Verformung und Verklebung zu beachten sind. Hierfür existieren bereits Technologieanweisungen, welche durch den Hersteller des 3D-Furniers für die Verarbeiter herausgegeben wurden. Nachteilig an der Lösung des 3D-Furniers ist der hohe Verbrauch von teurem Holzfurnier mit geringen Materialdicken (0,5 ... 0,8 mm) sowie der damit verbundene vergleichsweise hohe Materialpreis.
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Weiterhin bekannt ist biegbares Sperrholz. Biegbares Sperrholz ("Flexply") besteht aus 3 (bzw. 5 kreuzweise) verleimten Furnierlagen. Die parallel zur Faserrichtung leicht biegbare Flexply-Platte ermöglicht die Herstellung zweidimensionaler, zylindrischer, S-förmiger oder anders gebogener Formen. Die Bearbeitung erfolgt durch Fixieren auf einem Trägermaterial oder einer selbsttragenden Form durch Kaschieren mehrerer Platten (je nach gewünschter Enddicke). Die Verarbeitung erfolgt weitgehend aufwändig und manuell.
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Ebenfalls bekannt sind biegbare mitteldichte Faserplatten (MDF). Um eine Achse biegbare, sogenannte zweidimensional verformbare oder einfach krümmbare MDF-Platten (z.B. Topan-Form, siehe http://www.glunz.de/produkt_dekorativ/gruppe/204) werden im Laden-, Messe- und Innenausbau eingesetzt. Dazu werden mitteldichte Faserplatten (MDF-Platten) geschlitzt, so dass ein zweidimensionaler, jedoch nur einfach krümmbarer Holzwerkstoff entsteht. Die biegbare MDF ist für alle Lackier- und Furnierarbeiten geeignet und kann problemlos mit allen nachformbaren Schichtstoffen belegt werden. Auch vergleichsweise kleine 2D-Verformungsradien können ohne Brechen oder Rückstelleffekt erzeugt werden. Nachteilig sind die weitgehend manuell durchzuführende Verarbeitung sowie die hohe Rohdichte des Materials.
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Die Druckschrift
DE 101 24 912 C1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines ausgeprägt dreidimensional geformten, dünnwandigen, schalenförmigen Körpers (3-D-Körpers) oder zur Beschichtung von ausgeprägt dreidimensional geformten Bauelementen aus z. B. Holz oder einem Holzwerkstoff. Dazu werden die umzuformenden 2-D- oder 3-D-Flächenelemente auf das Verarbeitungsmaß zugeschnitten. Bei mehrlagigen Umformteilen werden die umzuformenden 2-D- oder 3-D-Flächenelemente für den Umformprozess zu einem Paket positioniert und ggf. temporär in ihrer Lage fixiert. Ein einzelnes 3-D-Flächenelement besteht dabei jeweils aus Holz (Holzfurnier), geschichtetem Holz (Lagenholz) oder einem Verbund aus Holz und einem oder mehreren weiteren Flächenmaterialien wie Plastfolie oder einem Vlies. Nachfolgend werden die ein- oder mehrlagig angeordneten Flächenelemente abschnittsweise oder im Ganzen umgeformt, wobei die Formänderung durch eine Schubverformung in der Fläche aller beteiligten Flächenelemente und einer gleichzeitigen mehrachsigen Biegeverformung der Flächenelemente im Bereich der aktiven Umformzone erzeugt wird. Das Verfahren ist nur einsetzbar, wenn ausreichend dünne Lagen vorhanden sind, die jede für sich eine mehrachsige Umformbarkeit ohne Materialschäden ermöglicht. Ähnliche Verfahren, die auf die eine oder andere Weise stets als Ausgangsmaterial dünne Furnierlagen zur Voraussetzungen habe, sind bekannt.
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Nachteilig ist bei all den bekannten Lösungen, dass eine dreidimensionale Verformbarkeit mit doppelter Krümmung nur bei sehr dünnen Werkstoffen (in der Regel Schichtdicke < 0,8 mm) mit entsprechender Eigenschaftsanpassung bzw. Modifikation möglich ist. Eine Verformbarkeit bei Werkstoffen mit Ausgangsdicken der einzelnen Schicht von > 5 mm ist nur in einfacher Krümmung um eine Achse möglich. Weiterhin besteht häufig die Notwendigkeit einer Verwendung von teuren Massivholz-Komponenten. Zudem ist die Verformbarkeit häufig anisotrop, von der Faserrichtung des Holzwerkstoffs abhängig.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein leicht in zweifacher Krümmung formbares Halbzeug auf Basis von Holz, einem Holz- oder Faserwerkstoff, insbesondere für den Möbel- und Innenausbau, vorzugsweise geeignet für den Innenausbau von Fahrzeugen wie Caravan- und Schiffs- bzw. Flugzeuginterieur, anzubieten. Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, ein Bauteil mit zweifacher Krümmung auf Basis des Halbzeugs anzubieten. Ebenso ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren zur Herstellung von derartigen Halbzeugen und Bauteilen vorzuschlagen.
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Die Erfindung wird gelöst durch ein Halbzeug aus flächigem Holz oder einem flächigen Holz- oder Faserwerkstoff, das zumindest einfach krümmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass Ausnehmungen in dem Halbzeug so strukturiert und angeordnet sind, dass eine vereinfachte und im Wesentlichen isotrope Umformung mit doppelter Krümmung möglich ist. Sofern die Ausnehmungen sich nicht durch die gesamte Materialstärke erstrecken, wird gleichzeitig eine Deckschicht gebildet.
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Es hat sich überraschend als vorteilhaft erweisen, wenn die Ausnehmungen so strukturiert und angeordnet sind, dass Stege verbleiben, die sich in mindestens drei Richtungen einer x-y-Ebene erstecken, möglichst gleiche Stegbreiten für gleichmäßige Werkstoffverformung und die Vermeidung von Spannungsspitzen aufweisen sowie die Ausnehmungen als Freiräume mit einer solchen Mindestbreite und Mindestlänge ausgebildet sind, dass ein möglicher Biegeradius minimiert wird.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Ausnehmungen in dem Halbzeug als Durchbrüche eingebracht. Weiterhin können zusätzlich oder alternativ hierzu die Ausnehmungen in dem Halbzeug so strukturiert und angeordnet sein, dass sie bei der Umformung einen auxetischen Effekt des Halbzeugs hervorrufen, was mit den einleitend beschriebenen Vorteilen verbunden ist.
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Besondere Vorteile sind zu erwarten, wenn die Ausnehmungen in Hirnholz (Faserverlauf senkrecht zur Schichtebene) eingebracht sind. Dann ist die für das Ausstanzen erforderliche Schneidkraft gering wegen der geringen Scherfestigkeit des Materials in Faserrichtung. Es können jedoch hohe Druckkräfte im Material aufgenommen werden.
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Es ist vorgesehen, flächiges Holz oder flächigen Holz- oder Faserwerkstoff erfindungsgemäß einzusetzen, der als ein Plattenwerkstoff mit einer über die Fläche gleichmäßigen Dicke zwischen 3 und 50 mm, bevorzugt zwischen 5 und 25 mm vorliegt. Eine veränderliche Dicke des Materials über die Fläche wäre ebenfalls einsetzbar, sofern die spätere Formgebung entsprechend angepasst ist.
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Neben der Herstellung eines Bauteils mit einer dreidimensionalen, bevorzugt zweifach gekrümmten Form aus einem vollflächig mit strukturierten Ausnehmungen versehenen Halbzeug ist es auch vorgesehen, in einen plattenförmigen Werkstoff nur in Teilbereichen die strukturierten Ausnehmungen einzubringen. Diese Teilbereiche werden danach einer Umformung unterzogen, während die übrigen Bereiche ihre ebene Form beibehalten. Eine beispielhafte Anwendung hierfür ist eine Stiftablage in einer Arbeitsplatte. Andere Anwendungen sind Versteifungselemente wie z. B. Sicken, die einer großflächigen Platte eine verbesserte Steifigkeit verleiht. Damit sind weniger eigensteife, z. B. dünnere Platten mit weniger Materialeinsatz und geringeren Kosten für neue Anwendungen einsetzbar, z. B. als Verkleidung von Maschinen, die eine Schwingungsanregung verursachen. Durch die Anordnung und Strukturierung der Versteifungselemente ist auch eine gezielte Einflussnahme auf die dynamischen Eigenschaften wie die Eigenfrequenz des plattenförmigen Bauteils möglich.
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Um in einzelnen Bereichen oder Arealen des flächigen Holzes oder des flächigen Holz- oder Faserwerkstoffs eine Formgebung zu erreichen, umfassen die Ausnehmungen nur ein begrenztes Areal des flächigem Holzes oder des flächigen Holz- oder Faserwerkstoffs. Alternativ dazu können auch größere Durchbrüche geschaffen und dort erfindungsgemäße Halbzeuge eingesetzt werden. Dadurch muss nicht das großflächige Bauteil insgesamt der Formgebung zugeführt werden.
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Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Ausnehmungen in dem Halbzeug so strukturiert und angeordnet sind, dass gleichmäßige Breiten von Stegen zwischen den Ausnehmungen verbleiben und dadurch bei der Umformung Spannungsspitzen im Material vermieden werden.
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Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe trägt weiterhin ein Bauteil bei, umfassend ein Halbzeug aus einem Holz- oder Faserwerkstoff wie zuvor bereits beschrieben. Dieses weist einen zumindest zweischichtigen Aufbau auf und kann über eine einfache oder doppelte Krümmung verfügen. Der zweischichtige Aufbau umfasst wenigstens eine Schicht des Halbzeugs oder eines Halbzeugverbunds, bestehend aus wenigstens zwei Schichten des Halbzeugs. Vorteilhaft ist insbesondere auch ein Bauteil, bei dem drei Schichten des Halbzeugs oder des Halbzeugverbunds vorgesehen und so miteinander verbunden sind, dass ein stabiles doppelt gekrümmt umgeformtes Bauteil resultiert.
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Es hat sich als günstig erwiesen, wenn wenigstens eine Deckschicht als Bestandteil des zumindest zweischichtigen Aufbaus vorgesehen ist. Diese verschließt die Ausnehmungen, trägt zusätzlich zu Festigkeit und Versteifung des Halbzeugverbunds bzw. des Bauteils bei. Zudem wird eine geeignete und gewünschte Oberfläche geschaffen.
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Eine weitere Lösung der Aufgabe der Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs dar, bei dem Ausnehmungen durch Stanzen eingebracht werden. Daneben können die Ausnehmungen durch alternative Verfahren wie Fräsen, Laser- oder Wasserstrahlschneiden oder andere bekannte und geeignete Verfahren erzeugt werden. Bevorzugt ist zum Stanzen ein sternförmiges Stanzwerkzeug vorgesehen, auch die anderen Verfahren werden so geführt, dass sternförmige Ausnehmungen gebildet werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass ein Kleberauftrag auf wenigstens einem Teil der Stege erfolgt. Dadurch wird das Halbzeug vorbereitet für ein späteres „trockenes“ Fügeverfahren, durch das Schichten des Halbzeugs zusammengefügt werden können, ohne dass im Rahmen dessen ein Kleberauftrag erfolgen muss. Dies vereinfacht die Herstellung und die hierzu notwendige Anlagentechnik.
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Erfindungsgemäß ist weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, wie oben beschrieben, wobei mehrere Schichten durch Formpressen zu einem formstabilen, doppelt gekrümmten Mehrschichtverbund verklebt werden. Dabei ist wenigstens eine Schicht des Halbzeugs, ebenfalls oben beschrieben, oder wenigstens eine Schicht mit einem Halbzeugverbund vorgesehen.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung betrifft dabei das Fügen im trockenen Verfahren, indem ein bereits auf einer Oberfläche des Halbzeugs oder des Halbzeugverbunds aufgetragener Kleber, z. B. durch Feuchtigkeit und/oder Wärme, aktiviert wird.
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Besonders vorteilhaft für die Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils ist ein Verfahrensablauf, der vor allem durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:
- • kontinuierliches Stanzen der entsprechenden Struktur in eine plane Einzelschicht aus einem holzbasierenden Werkstoff,
- • Auftragen eines Klebstoffs,
- • Zusammenführen der Schichten und
- • abschließend Pressen zum geformten Bauteil.
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Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Halbzeug in großflächigen Bauteilen lokal in eine oder mehrere, vor allem massive Einzelschichten eingebracht werden, so dass diese gemäß der vorliegenden Erfindung formbar werden und räumlich begrenzte Ausformungen (z. B. für eine Ablagemulde in ebenen Bauteilen) ermöglicht werden. Für die lokale Bearbeitung wird vorzugsweise ein Laser für den Trennprozess eingesetzt. In dem Fall wird das Halbzeug aus der massiven Platte erzeugt, ohne dass Plattenmaterial ausgetauscht werden muss.
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Das geformte Bauteil besteht bevorzugt aus einem mindestens dreischichtig aufgebauten zweifach gekrümmt verformbaren Verbund, wobei jede Einzelschicht zunächst zweifach gekrümmt verformbar ist. Der Verbund gibt dem Bauteil dann die erforderliche Steifigkeit, indem nach dem Fixieren der Verbindung der Schichten untereinander die Verformbarkeit jeder Einzelschicht aufgehoben wird.
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Diese dreidimensionale Verformbarkeit wird durch ein vorzugsweise kontinuierliches Strukturieren, beispielsweise durch Laser- oder Wasserstrahlschneiden, bevorzugt durch Stanzen einer speziellen Struktur in eine Holz- bzw. Holz- oder Faserwerkstoffschicht ermöglicht. Durch das Ausstanzen entstehen Stegstrukturen und Freiräume. Die verbliebenen Stegstrukturen nutzen die Freiräume zu ihrer Verformung.
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Das Verformungsvermögen wird maßgeblich durch den Werkstoff beeinflusst. Durch die gerichteten Eigenschaften des Holzes bzw. der Holzwerkstoffe ist es möglich, dicke Plattenwerkstoffe (5 ... 25 mm) mit einem derart geringem Energieeinsatz zu stanzen, wie es z. B. im Bereich Metalle (üblich bis 4 mm) nicht vorstellbar ist. Eine mögliche Variante der Stegstruktur ist in den Abbildungen dargestellt. Weitere Varianten sind vorgesehen. Allgemein weist eine gut verformbare Struktur folgende Merkmale auf:
- • Stege der Struktur in mindestens 3 Richtungen der x-y-Ebene,
- • möglichst gleiche Stegbreiten für gleichmäßige Werkstoffverformung und die Vermeidung von Spannungsspitzen,
- • Freiräume mit Mindestbreite bzw. -länge, damit ein minimaler Biegeradius ermöglicht wird.
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Folgende Aufbauvarianten für ein erfindungsgemäßes Bauteil sind vorgesehen:
- • Bauteil aus zwei- oder mehrschichtigem Verbund unter Verwendung des erfindungsgemäßen Halbzeugs,
- • Bauteil bestehend aus einer jeweils äußeren Deckschicht auf einem zwei- oder mehrschichtigem Mittelschicht-Verbund aus dem erfindungsgemäßen Material, wobei die Deckschicht,
– eine eigene 3-dimensionale Verformbarkeit aufweist und/oder
– durchbrochene Struktur wie die Schicht der Mittellage aufweist
– optional ist sie auch auf dieselbe Weise hergestellt, wie die Mittellage,
- • Sandwichformteil aus Deckschichten des erfindungsgemäßen Materials und leichter 3D-verformbarer Kernschicht (z. B. Wabenkern).
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Erfindungsgemäß ist auch die Herstellung eines mehrachsig gekrümmt verformten Bauteils aus holzbasierenden Einzelschichten mit kleinen Verformungsradien bei hoher Steifigkeit des Bauteils und vergleichsweise geringer Dichte. Hierzu erfolgt die Bereitstellung eines kontinuierlich gefertigten Halbzeugs zur Herstellung des Bauteils.
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Das erfindungsgemäße Halbzeug wird als eine besonders vorteilhafte Weiterbildung in der Weise strukturiert, dass ein auxetischer Holzwerkstoff bzw. auxetisches Holz resultiert. Auxetische Materialien haben die ungewöhnliche Eigenschaft, sich bei einer Streckung quer zur Streckrichtung auszudehnen. Sie sind daher charakterisiert durch eine negative Poissonzahl.
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Nach der Erfindung werden dreidimensional verformbare Bauteile mit großer Dicke (entsprechend üblicher Materialdicken im Möbel- und Innenausbau) aus Holzwerkstoffen möglich, beispielsweise zwischen 3 und 50 mm, bevorzugt zwischen 5 und 25 mm.
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Wesentlicher Kern der Erfindung ist die Bearbeitung des Werkstoffs durch Stanzen mit einem sternförmigen Werkzeug. Es hat sich dabei überraschend gezeigt, dass durch die Wahl der Werkzeuggeometrie und die Anordnung der Werkzeuge zueinander sich eine Stegstruktur in der Platte ergibt, die ein auxetisches Materialverhalten aufweist. Das auxetische Materialverhalten trägt wesentlich zur dreidimensionalen Verformbarkeit bei.
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Das erfindungsgemäße Halbzeug lässt sich auf einfache Weise durch z. B. den Tischler auf ähnliche Weise, wie das biegbare MDF für 2D-Formteile, zu zweifach gekrümmten Formteilen verarbeiten. Vorteile der Erfindung sind zudem:
- • Schaffung eines neuen flächigen Werkstoffs bzw. Halbzeugs aus biobasierenden Rohstoffen, insbesondere Holz und Holz- bzw. Faserwerkstoffen,
- • die erfindungsgemäße Struktur von Ausnehmungen zur Erzeugung einer verbesserten, insbesondere im Wesentlichen richtungsunabhängigen Formbarkeit des flächigen Werkstoffs,
- • das Herstellen der Struktur zur kontinuierlichen Herstellung des holzbasierenden Schichtwerkstoffs, insbesondere durch Modifikation und Anpassung des aus der Blechbearbeitung bekannten Schneidverfahrens mittels Schneidwerkzeugen, häufig als Stanzen bezeichnet, das gemäß der vorliegenden Erfindung besonders vorteilhaft einsetzbar ist und zu einer hohen Effizient führt.
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Weitere Vorteile sind eine niedrige Dichte des Mehrschichtverbunds, die er aufgrund der ausgestanzten Freiräume aufweist, so dass ein Einsatz im Leichtbau möglich ist, und vor allem die mehrachsige Verformbarkeit weitgehend unabhängig von der ursprünglichen Faserrichtung des Grundmaterials. Beides wirkt sich vorteilhaft für Anwendungen im mobilen Innenausbau aus, da dort neben dem Einsatz von Bauteilen eine Reduktion der Masse von Aufbauten angestrebt wird. Trotz der Ausnehmungen ist der Verlust an Material, das Druckkräfte aufzunehmen vermag, durch die besondere Art der Strukturierung minimiert, zumal die Belastbarkeit in Druckrichtung deutlich höher ist als in Zugrichtung quer zur Faser. Beim Stanzen von Stirnholz resultiert eine besonders hohe Druckfestigkeit wegen der dann vorliegenden Druckbelastung in Faserrichtung.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
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1: Stand der Technik: 3-D-Furnier;
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2: Stand der Technik: biegbares Sperrholz;
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3: schematische Darstellung der Verformung üblicher Strukturen, insbesondere für Kernschichten;
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4: schematische Darstellung der Verformung bei Strukturen, die einen auxetischen Effekt hervorrufen;
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5: schematische perspektivische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen flächigen Halbzeugs nach Einbringung einer auxetischen Struktur;
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6: schematische perspektivische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen flächigen Halbzeugs nach einer Verformung;
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7: schematische Darstellung einer bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung erfindungsgemäßer Bauteile; und
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8: eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen mehrschichtigen Bauteils.
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1 zeigt in perspektivischer Darstellung den Stand der Technik mit einem dreidimensionalen Furnier 101, wie es bereits in der Beschreibungseinleitung Erwähnung fand. Es ist sehr dünn und nur durch eine spezielle Vorbearbeitung in mehreren Achsen verformbar, wobei jedoch für eine hohen Ansprüchen genügende Oberfläche noch eine Nachbearbeitung nötig wird. Insgesamt ist die Anwendung aufwändig und teuer. Das Furnier 101 ersetzt zudem nicht einen tragenden Kern, um ein Bauteil mit ausreichender mechanischer Stabilität zu erhalten.
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2 zeigt den Stand der Technik mit einem biegbaren Sperrholz 102, das ebenfalls in der Beschreibungseinleitung erwähnt wird. Auch dieses dünne Material ersetzt nicht einen tragenden Kern, um ein Bauteil mit ausreichender mechanischer Stabilität auch senkrecht zur Faserrichtung zu erhalten.
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3 veranschaulicht mit der schematischen Darstellung die Verformung üblicher Strukturen (Teilansicht a), insbesondere für Kernschichten von geschichteten bzw. Sandwichbauteilen, hier im Beispiel eine Wabenstruktur 103. Bei einer solchen Verformung, vgl. Ansichten b) und c), kommt es in Querrichtung zu einer Kontraktion, so dass die Längendehnung ausgeglichen wird. Dies ist bei der Umformung nachteilig, weil es zu unerwünschten Formänderungen oder Spannungen in bestimmten Bereichen führt.
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4 zeigt in einer ebenfalls schematischen Darstellung der Verformung bei Strukturen (Teilansicht a), die einen auxetischen Effekt hervorrufen und bei Zug in der Längsrichtung keine Einschnürung in Querrichtung erfolgt, sondern eine Erweiterung bzw. ein Ausgleich der Einschnürung (vgl. Teilansicht b), so dass sich die Dimension in diesem Bereich nicht ändert. Im Beispiel ist eine entgegengesetzte Wabenstruktur 104 dargestellt.
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5 zeigt schematisch in perspektivischer Darstellung und einer herausgezogenen Detailansicht eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbzeugs 1 nach Einbringung einer sternförmigen auxetischen Struktur. Diese weist Ausnehmungen 2 auf, deren Seitenwände in der Darstellung schwarz erscheinen, aus denen Stege 3 verbliebenen Materials, deren Oberfläche in der Darstellung weiß erscheint, resultieren. Die sternförmige Struktur ist dabei so beschaffen, dass bei Zug des Halbzeugs 1 in einer Richtung in der Ebene von dessen Flächenausdehnung die Stege 3 quer zur Zugrichtung gestreckt werden und den auxetischen Effekt hervorrufen.
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Die Form der Ausnehmungen ist dabei so gewählt, dass eine im Wesentlichen gleichmäßige Stegbreite ohne scharfe Ecken erzeugt wird. Dadurch werden Spannungsspitzen bei der Verformung vermieden, was vor allem bei im Grunde spröden, zur Rissbildung neigenden Materialien besonders wichtig ist, um Schäden an dem Umformling, dem Halbzeug 1 nach der Umformung, zu vermeiden.
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Das Einbringen der Ausnehmungen erfolgt bei den bevorzugten Ausführungsbeispiel durch Laserschneiden, das eine besonders hohe Flexibilität hinsichtlich Form und Dimensionen der Ausnehmungen sichert. Für eine höhere Effizienz der Bearbeitung ist jedoch der Einsatz eines mechanischen Schneidverfahrens, auch als Stanzen bezeichnet, vorgesehen. Es hat sich überraschend gezeigt, dass damit kontinuierlich, schnell und mit geringem Energieeinsatz das Halbzeug, das die durch Ausnehmungen gebildete Struktur aufweist, hergestellt werden kann.
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Dies gilt nicht nur für Faserwerkstoffe, sondern in besonderem Maße auch für Hirnholz (auch als Stirnholz bezeichnet), das dann in Faserrichtung sehr einfach, sauber und mit minimalem Kraftaufwand gestanzt werden kann. Durch die erfindungsgemäße Bearbeitung erweitert sich die Einsatzmöglichkeit von Hirnholz enorm, weil es sich überraschend gezeigt hat, dass erst durch die Einbringung von bevorzugt speziell geformten Ausnehmungen eine solche Verformung möglich wird, die mit im Wesentlichen gleicher Kraft in Faserrichtung und quer zur Faserrichtung eine Umformung ermöglicht.
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Dies war bisher nicht möglich, weil sonst in Faserrichtung (nach entsprechender Vorbehandlung) zwar eine Dehnung bis 10 % möglich ist, quer dazu aber nur etwa 1,5 %. Diese starke Anisotropie machte bisher eine flexible mehrachsige Umformung unmöglich. Erst durch die Erfindung wird dies möglich und eröffnet zahlreiche neue Einsatzmöglichkeiten für Holz sowie Holz- und Faserwerkstoffe, insbesondere auch für Hirnholzmaterialien. Die dem Holz innewohnende Anisotropie, die durch die Verarbeitung zu Holzwerkstoffen wie Sperrholz oder OSB-Platten nur teilweise aufgelöst werden konnte, wird durch die Erfindung für Holz sowie Holz- und Faserwerkstoffe gleichermaßen erfolgreich aufgelöst.
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6 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbzeugs 1 nach einer Verformung und dem Fügen zu einem mehrschichtigen Halbzeugverbund 10. Werden mehrere Schichten des Halbzeugs 1 miteinander verklebt, so blockieren sich die einzeln gut verformbaren Schichten in der Weise, dass ein steifes Bauelement entsteht, das ggf. noch mit Deckschichten 21 (vgl. 7) versehen werden muss. Diese erhöhen die Steifigkeit noch weiter und schützen das Halbzeug der Mittellage.
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Die Deckschichten 21 sorgen auch für einen Abschluss und die Möglichkeit zur ästhetischen Gestaltung des späteren Bauteils 30 (vgl. 8).
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Bei der Verformung des auxetischen Halbzeugs 1 zeigt sich der besonders vorteilhafte Effekt, dass im Bereich stärkster Verformung nicht der übliche Materialschwund durch Einschnürung entsteht. Dieser musste bisher durch einen besonders großzügigen, materialaufwändigen Zuschnitt zunächst ausgeglichen und nach der Umformung durch das Beschneiden der Ränder in den übrigen Bereichen wieder entfernt werden. Der auxetische Effekt vermeidet dies und führt zu einer Einsparung von Material und Prozessschritten.
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Wie bei der Beschreibung zu 5 bereits erwähnt, kann das Umformen und Verkleben auch in einem trockenen Prozess erfolgen, wenn der Kleber, z. B. ein Schmelzkleber, zuvor als Beschichtung auf die Stege des Halbzeugs 1 aufgetragen wurde. Dessen Aktivierung kann später nach erfolgter Anordnung der Schichten in der vorgesehene Weise erfolgen, indem beispielsweise Feuchtigkeit und/oder Wärme zugeführt werden.
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7 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung erfindungsgemäßer Bauteile 30 (vgl. 8) in einer Formpresse 23. Dazu werden von jeweils einem Stapel Halbzeuge 1 und Deckschichten 21 entnommen, die Deckschichten 21 mit dem Klebemittel 22 versehen und danach zusammengefügt. In der Formpresse 23 wird unter Kraft-, sowie Wärme- und/oder Feuchteeinwirkung das Bauteil 30 geformt und zugleich der Kleber aktiviert und ausgehärtet.
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Das erfindungsgemäße Halbzeug 1 wird in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung bereits nach seiner mechanischen Bearbeitung, ggf. auch davor, mit einem Klebemittel 20 (vgl. 7) versehen, so dass die Oberflächen der Stege 3 derart beschichtet sind. Diese Vorbehandlung ermöglicht später eine vereinfachte Weiterverarbeitung. Das Zusammenfügen des Halbzeugs 1 zu einem Halbzeugverbund 10 (vgl. 6) kann nämlich in einem trockenen Verfahren ohne Kleberauftrag erfolgen. Besonders bevorzugt erfolgt das Verkleben im selben Verfahrensschritt wie die Formgebung, wenn zumindest unter Einwirkung von Druck, optional auch Wärme und/oder Feuchte, um die Verformbarkeit des Holzwerkstoffs zu verbessern. Bevorzugt wird eine Vakuumpresse eingesetzt.
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8 zeigt eine Schnittdarstellung einen Ausschnitt einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauteils 30. Dieses umfasst einen Halbzeugverbund 10, gebildet aus drei Schichten. Die Schichten bestehen jeweils aus dem Halbzeug 1. Beidseits des Halbzeugverbunds 10 sind Deckschichten 21 aufgetragen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Halbzeug, unverformt
- 2
- Ausnehmung
- 3
- Steg
- 10
- Halbzeugverbund, verformt
- 21
- Deckschicht
- 22
- Klebemittel
- 23
- Formpresse
- 30
- Bauteil
- 101
- dreidimensionales Furnier
- 102
- biegbares Sperrholz
- 103
- Wabenstruktur
- 104
- entgegengesetzte Wabenstruktur
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- http://www.glunz.de/produkt_dekorativ/gruppe/204 [0006]
