DE10224721A1

DE10224721A1 - Profil aus Holz und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE10224721A1
Application number: DE10224721A
Authority: DE
Inventors: Peer Haller; Joerg Wehsener; Sonja Ziegler
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2001-05-30
Filing date: 2002-05-30
Publication date: 2003-01-02
Anticipated expiration: 2022-05-31
Also published as: DE50208785D1; DE10224721B4; EP1390181A1; JP3940678B2; ATE345911T1; EP1390181B1; WO2002096608A1; JP2004521787A; US20040250912A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Profil aus Rund- oder Schnittholz und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Die Profile können prinzipiell aus allen Nadel- und Laubholzarten hergestellt werden, darunter aus minderwertigen Nadelhölzern (Seitenware, schwache Rundhölzer), welche in der Forstwirtschaft in großen Mengen anfallen. Die Profile haben gegenüber Vollholzquerschnitten bei gleichem Holzvolumen eine erheblich größere Tragfähigkeit. Der Rohstoff Holz wird maximal genutzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Profil aus Rund- oder Schnittholz und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Die Profile 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 3 18 197 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.

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, Profile aus Holz durch Verformung von Hölzern ohne wesentliche Zerstörung der Holzstruktur herzustellen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das Profil aus einer Holzplatte gebogen ist, die Biegungen um eine oder mehrere Achsen verlaufen und die Projektionen der Achsen auf die Platte im wesentlichen mit deren Faserrichtung zusammenfallen. Erfindungsgemäß wird ein solches Profil dadurch hergestellt, dass die Hölzer nebeneinander gelegt und zu einer Platte verbunden werden, wenigstens ein Breitenteil der Platte über die gesamte Plattenlänge in der Plattenebene und quer zur Holzfaser verdichtet wird und die Platte durch Biegen wenigstens eines Teils der verdichteten Breitenteile zu einem Profil verformt wird.

Vorteilhafte Varianten von Profil und Verfahren sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.

Die Profile 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 Profile oder solche mit gekrümmter Mantellinie hergestellt werden. Selbstverständlich kann die Formenvielfalt durch Kombination dieser Profile 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 Profil 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:
Fig. 1-4 verschiedene erfindungsgemäße Ausführungen zur Veranschaulichung des Verfahrens,
Fig. 3-7 verschiedene erfindungsgemäße Profile,
Fig. 8 eine schematisierte Darstellung zur Veranschaulichung der Veränderung in der Zellgeometrie
In Fig. 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 Profils 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 Profil 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Profil geformt.
In der Fig. 5 wird eine Anzahl von Profilen gezeigt. Herstellbar sind offene oder geschlossene Hohlprofile mit oval bis kreisförmigen Querschnitten sowie dreieckigen oder rechteckigen mit abgerundeten Ecken. Herstellen lassen sich auch wellenförmige Profile mit einem kleinen oder großen Krümmungsradius. Gezeigt ist auch ein kegelförmiges Profil. 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 Fig. 6 dargestellt.
In Fig. 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.
Fig. 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

1. Profil aus Rund- oder Schnittholz, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil aus einer Holzplatte gebogen ist, die Biegungen um eine oder mehrere Achsen verlaufen und die Projektionen der Achsen auf die Platte im wesentlichen mit deren Faserrichtung zusammenfallen.

2. Profil aus Holz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Holzplatte aus etwa parallel zueinander angeordneten Rund- oder Schnitthölzern zusammengefügt ist.

3. Profil aus Holz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Holzplatte aus Brettern oder Konstruktionshölzern besteht, deren Breitseiten miteinander verbunden sind.

4. Profil aus Holz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Holzplatte aus Brettern oder Konstruktionshölzern besteht, deren Schmalseiten miteinander verbunden sind.

5. Profil aus Holz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Holzplatte aus einem Brett besteht.

6. Profil aus Holz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Hölzer im Profil keilgezinkt miteinander verbunden ist.

7. Profil aus Holz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es am Mantel einseitig offen ist, z. B. ein Profil mit einem winkel- oder U-förmigen Querschnitt.

8. Profil aus Holz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es am Mantelumfang geschlossen ist, z. B. ein Profil mit einem Kreis-, Ellipsen-, dreieckigen, quadratischen oder rechteckigen Querschnitt.

9. Profil aus Holz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es entgegengesetzte Biegungen aufweist, z. B. ein Profil mit einem wellenförmigen Querschnitt.

10. Profil aus Holz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegeradien entlang einer Biegeachse unterschiedlich groß sind, z. B. ein Profil, dessen Mantellinie parallel zur Profilachse kegelig, tonnenförmig oder ähnlich gekrümmt ist.

11. Profil aus Holz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse des Profils und der Faserverlauf zueinander windschief sind.

12. Verfahren zur Herstellung von Profilen aus Rund- oder Schnittholz, dadurch gekennzeichnet, dass die Hölzer nebeneinander gelegt und zu einer Platte verbunden werden, wenigstens ein Breitenteil der Platte über die gesamte Plattenlänge in der Plattenebene und quer zur Holzfaser verdichtet wird und die Platte durch Biegen wenigstens eines Teils der verdichteten Breitenteile zu einem Profil verformt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte aus verdichtetem und unverdichtetem Rund- oder Schnittholz gebildet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte zusätzlich in Richtung auf die Plattenebene verdichtet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Rundhölzer in einer Richtung verdichtet, zur Verdichtungs- und Faserrichtung geteilt und die Hälften nebeneinander so in der Platte angeordnet und verbunden werden, dass die Teilungsflächen der Rundholzhälften zu einer Seite der Platte liegen.

16. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Rundhölzer in zwei orthogonal zueinander liegenden Richtungen verdichtet, durch Kreuz- und Diagonalschnitte in acht im Querschnitt dreieckförmige Teile getrennt und die Teile so in der Platte angeordnet und verbunden werden, dass eine der Hauptverdichtungsrichtungen in der Plattenebene liegt.

17. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil nach der Formgebung ein- oder beidseitig mit einem Furnier oder einem technischen Textil beschichtet wird.

18. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Hölzer oder die Platte vor oder nach der Formgebung mit fungiziden oder/und brandhemmenden Mittel oder/und Harzen imprägniert werden.

19. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Holz bzw. die Platte vor dem Verdichten und/oder Biegen thermohygrisch oder mittels Chemikalien biegsam gemacht bzw. plastizifiert werden.

20. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Form des Profils nach der Formgebung dauerhaft fixiert wird.