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Verfahren zur plastischen Biegeverformung von
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Holzwerkstücken und Vorrichtung dazu Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Biegen von Bauholz, Schnittholz, Werkstücken aus Holzwerkstoff oder Holz, insbesondere
ein Verfahren, bei dem Holzerzeuynisse wie Bauholz, Schnittholz, Spanten, Produkte
aus Holzwerkstoffen wie Sperrholz, Verbundholzerzeugnisse, L.V.L., Spanplatten,
Holzfaserplatten o.dgl. einer plastischen Deformierung durch Biegen unterworfen
werden, wobei die genannten Holzerzeugnisse nacb Benetzung oder Durchtränkung mit
Wasser gleichzeitig gebogen und durch Einwirkung von Mikrowellenbestrahlung getrocknet
werden.
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Bei einem Verfahren zum Trocknen von vollständig benetzten oder wassergetränkten
Bauhölzern, Schnitthölzern, Holzerzeugnissen und Holzwerkstoffen, wobei die Produkte
über ihren Gleichgewichts feuchtigkeitsgehalt hinaus mit Wasser gesättigt sind,
zeigen die Holzerzeugnisse und Holzwerkstoffe eine hohe Plastizität. Demzufolge
sind die olzerzeugnisse und -werkstoffe, die sich in dem vorstehend genannten Zustand
befinden, bei Belastung zu starken Kriechdcformierungcn fähig. Darüber hinaus bleibt
ein hoher Formänderungsrest zurück, wenn die Holzerzeugnisse und -werkstoffe, die
sich unter einer solchen hohen Kriechdeformierung befinden, bei Beendigung des Trockenprozesses
entlastet werden. Ferner ist diese Kriechdeformierung, die unter gleichzeitigem
Wärme- und Feuchtigkeitsübergang erfolgt, im Vergleich zu der unter Bedingungen
konstanter Temperatur erzielten Deformierung verhältnismäßig groß. Die vorstehend
beschriebenen Erscheinungen wurden bereits durch Versuchs arbeiten und/ oder theoretische
Arbeiten bestätigt, und viel Aufmerksamkeit wurde diesen wesentlichen rheologischen
Eigenschaften des Holzwerkstoffs gewidmet, wobei erhebliche klstrengungen unternommen
wurden, Nutzanwendungen unter
Ausnutzung dieser Eigenschatten zu
entwickeln.
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Gegenstand der Erfindung ist demgemäß ein Verfahren, bei dem Bauholz,
Schnittholz, ilolzerzeugnisse und Holzwerkstoffe einer bleibenden oder plastischen
Deformierung durch Biegen unterworfen werden1 wobei die Vorteile der vorstehend
beschriebenen rheologischen Eigenschaften des Holzwerkstoffs ausgenutzt werden.
Dieses Verfahren ist in sehr einfacher Weise ohne zeitraubende Maßnahmen und Arbeitsstufen
durchführbar. Das Verfahren erfordert keine kostspieligen Apparaturen und Maschinen
zu seiner Durchführung und kann daher mit niedrigen Kosten ausgeführt werden.
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Eine bevorzugte Ausftihrungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung
zum bleibenden oder plastischen Deformieren von Holzerzeugnissen durch Biegen wird
nachstehend beschrieben. Bei diesem Verfahren wird der Holzwerkstoff nacheinander
in einen wassergesättigten Zustand gebracht, durch Einwirkung von Mikrowellenbestrahlung
auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt, zu einer vorbestimmten Form gebogen und
getrocknet, wobei das gewünschte Holzerzeugnis erhalten wird. Die vorstehend beschriebene
Formgebung wird durchgeführt, während die Einwirkung der Mikrowellenbestrahlung
des EIolzwerkstoffs fortgesetzt oder unterbrochen wird. Ferner wird der deformierte
Holzwerkstoff nach Bedarf unter weiterer Einwirkung der Mikrowellenbestrahlung getrocknet,
während die Formänderung, die in der Verformungsstufe vorgenommen wurde, unveranderE
aufrecht erhalten wird.
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Eine Anordnung für die Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung
umfaßt einen Mikrowellenbestrahlungsraum, der mit wenigstens einem Mikrowellenyenerator
versehen ist, ein metallisches Traggestell, das im Mikrowellenbestrahlungsraum angeordnet
und mit zwei nach oben ragenden Wandteilen versehen ist, so daß das mit Wasser gesättigte
oder
durchnaßLe liolzerzeugnis darüber gelegt werden kann, eine
Spannbohle aus Polytetrafluoräthylen ("Teflon") oder metallischem Werkstoff, die
über den mittleren Teil des aufgelegten Flolzerzeugnisses gelegt wird, wenigstens
ein Metallgewicht, das von der Mitte (in Längsrichtung gesehen) des aufgelegten
Holzerzeugnisses nach unten hängt, wobei das Seil des Metallgewichts quer um den
mittleren Teil der Spannbohle gelegt ist, wodurch das Holzerzeugniss im belasteten
Zustand gehalten wird, und einen unter dem Metallgewicht angeordneten Metallblock,
der mit einem aus Polytetrafluoräthylen bestehenden Werkstück bedeckt ist, dessen
Höhe so verändert werden kann, daß nach dem Erreichen einer vorbestimmten lkriechverformung
des Holzerzeugnisses eine weitere Verformung verhindert wird.
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Wie die vorstehende Beschreibung zeigt, ermöglicht es das Verfahren
gemäß der Erfindung, die Holzerzeugnissse unter Ausnutzung des Vorteils der rheologischen
Eigenschaften des Holzwerkstoffs mit Biegeverformungen zu versehen, wobei das Erhitzen
mit Mikrowellen, das durch seine hohe Energieausbeute gekennzeichnet ist, wirksam
für diesen Zweck ausgenutzt wird. Als Ergebnis ist das Verfahren gemäß der Erfindung
im Vergleich zu einem üblichen Verfahren zum plastischen Biegeverformen unter Anwendung
der Dämpfmethode viel leichter und wirksamer durchzuführen.
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Da es beim Verfahren gemäß der Erfindung ferner möglich ist, das Holzerzeugnis
durch die Mikrowellenbestrahlungsmethode auch nach dem Erreichen der vorbestimmten
Biegeverformung des Holzerzeugnisses kontinuierlich zu erhitzen, werden das Biegen
und das Trocknen des Holzerzeugnisses gleichzeitig in sehr einfacher Weise erreicht.
Ferner sind die Apparaturen, die die Anordnung gemäß der Erfindung bilden, mit der
das Verfahren gemäß der Erfindung durchgeführt wird, leicht herzustellen und keineswegs
kostspielig. Demgemäß ist das Verfahren gemäß der Erfindung mit niedrigen Kosten
durchführbar.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung
wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Abhildung beschrieben.
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Figur 1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform
als Beispiel zur plastischen Biegeverformung eines Holzerzeugnisses gemäß der Erfindung,
wobei eine Seitenwand der Deutlichkeit halber weggelassen worden ist.
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Figur 2 zeigt ein Kästchenschema eines Verfahrens zur Durchführung
des Verfahrens gemäß der Erfindung zur plastischen Biegeverformung von Holzerzeugnissen.
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Figur 3 zeigt ein aus dem Holzwerkstoff bestehendes Endprodukt, das
nach dem in Figur 2 dargestellten Verfahren erhalten wurde.
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Es ist zu bemerken, daß in den verschiedenen Abbildungen gleiche Teile
mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind.
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Bei Bauholz, Schnittholz, Holzerzeugnissen und Holzwerkstoffen liegen
die Temperaturen der Phasenumwandlung zweiter Ordnung von Lignin, Hemicellulose
und Cellulose, die wesentliche Bestandteile von Holz oder Holzwerkstoffen sind,
im trockenen Zustand im Temperaturbereich von 1340 bis 235 OC, 167 0bis 217 OC bzw.
2310bis 253 OC. Andererseits liegen sie im benetzten oder durchnäßten Zustand im
Bereich von 77 0bis 108 OC, 50bis 142 OC bzw. 2220bis 2500C. Wenn daher die Temperatur
des Holzwerkstoffs im durchnäßten Zustand über 54 OC erhöht wird, beginnen die Hemicellulosemoleküle
die Brownsche Mikrobewegung gemäß der Bewegung der Wassermoleküle mit dem Ergebnis,
daß zuerst die Plastifizierung des Holzwerkstoffs erfolgt. Wenn die Temperatur des
Ilolzwerkstoffs dann weiter über 100 OC hinaus erhöht wird, wird die Brownsche Mikrobewegung
des
Lignins und der Hemicellulose deutlich mit dem Ergebnis, daß
die Kriechverformung des Holzwerkstoffs entsprechend 3roß werdcn kann.
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Kurz gesagt, wenn die Temperatur des Holzwerkstoffs im benetzten Zustand
über 54 OC hinaus erhöht wird, beginnt die Plastifizierung des Holzwerkstoffs gemäß
dem deutlichen Effekt der Brownschen Mikrobewegung der Hemicellulose vonstatten
zu gehen. Gemäß der Änderung des Wassergehalts mit dem Temperaturanstieg von 1000auf
1500 C wird die Brownsche Mikrobewegung des Lignins und der Hemicellulose sehr stark.
Auf Grund dieser Tatsache kann die Kriechverformung des Holzwerkstoffs stark werden.
Insbesondere ist bei Holzwerkstoff die Ligninkonzentration in den Grenzteilen benachbarter
Zellen besonders hoch. Da die Verschiebung oder relative Gleitbewegung zwischen
den benachbarten Zellen sehr sicht stattfindet, erfolgen demgemäß diese Verschiebungen
äußerst häufig.
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W.enn dielektrische Werkstoffe wie Holz, Holzwerkstoff u.
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dgl. der Einwirkung von Mikrowellenbestrahlung mit hoher Ausgangsleistung
ausgesetzt werden, wird in diesen Werkstoffen auch Wärme entwickelt, wie dies.im
Falle des elektrischen Hochfrequenz-Erhitzens bekannt ist. Im einzelnen erfolgt
auch m Falle der Mikrowellenbestrahlung mit hoher Ausgangsleistung die Wärmeentwicklung
der dielektrischen Materialien über das Auftreten der Phasendifferenz, die zwischen
dem als Folgeerscheinung auftretenden elektrischen Feld, das durch die Polarisation
des dielektrischen Materials induziert wird, und dem durch die elektromagnetizehen
Wellen bedingten elektrischen Feld entsteht. Wie dem Fachmann bekannt ist, ist die
Größe der hierbei entstehenden Wärmeentwicklung proportional sowohl dem dielektrischen
Verlustfaktor als auch der Frequenz unter der Bedingung, daß die Stärke des elektrischen
Feldes konstant gehalten wird. Bei Holz und Holzwerkstoff, die sich beide in ihrem
durchnäßten oder wassergesättigten Zustand befinden, liegt
eine
solche spezifische Frequenz, die den örtlich maximalen Wert des dielektrischen Verlustfaktors
für beide einstellen, im Mikrowellenbereich vor. Die Produkte des dielektrischen
Verlustfaktors und der Frequenz pflegen somit im Mikrowellenbereich im Vergleich
zu den entsprechenden Werten im Hochfrequenzwellenbereich extrem hoch zu werden.
Dies entspricht der Tatsache, daß das Erhitzen mit hoher Energieausbeute weitgehend
durch die Mikrowellenbestrahlung bewirkt werden kann. Da bei Anwendung des Erhitzens
durch Miksowellenbestrahlung die Wärmeentwicklung sehr schnell und unmittelbar erfolgt,
können demgemäß die gleichzeitige Plastifizierung und Trocknung des Holzwerkstoffs
innerhalb sehr kurzer Zeit durch gleichzeitigen schnellen Feuchtigkeitsübergang
und Temperaturerhöhung erfolgen.
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Im Gegensatz zur Wärmetrocknungsmethode werden die Verteilungscharakteristiken
des Feuchtigkeitsgehalts beim Erhitzen durch Mikrowellenstrahlung umgekehrt. Die
Verteilung des Feuchtigkeitsgehalts von Holz oder Holzwerkstoffen pflegt in Richtung
zu den jeweiligen Grenzen und Enden zu steigen. Wenn der durchnäßte oder wassergesättigte
Holzwerkstoff mit Mikrowellen von hoher elektrischer Leistung bestrahlt wird, wird
die Temperatur des Holzwerkstoffs in sehr kurzer Zeit auf einen Wert erhöht, der
höher ist als die jeweiligen Erweichungstemperaturen von Lignin und Hemicellulose.
Auf Grund dieser Tatsache wird mit der Erhöhunq der Temperatur das im Holzwerkstoff
enthaltene Wasser verdampft rund der hierbei gebildete Dampf als solcher wird durch
den Anstieg des Innendrucks, der durch die vorstehend genannte Verdampfung des Wassers
verursacht wird, zwangsweise schnell nach außen übertragen. In dieser Weise qeht
der Trockenprozeß des Holzwerkstoffs vonstatten. Wenn der Holzwerkstoff während
des vorstehend beschriebenen Trockenprozesses belastet wird, kann der Holzwerkstoff
ü' j <Ii (lewünschte Verforlllunen erl.lhrel-l. insbesondere wird
bei
Verformungen durch Biegen die Verformung an den Grenzen und Enden des Holzwerkstoffs
sehr ausgepräyt, da die maximale Beanspruchung immer in und um diese Grenzen und
Enden verteilt ist, da diese gewöhnlich durch einen reverteilungs nativ höheren
FeiIchtigkeitsehalt gekennzeichnet sind.
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Diese Biegeeigenschaften des durchnäßten oder wassergesättigten Ilolzwerkstoffs
durch Einwirkung von Mikrowellenstrahlung in der vorstehend beschriebenen Weise
werden im Prinzip für das Biegen des Holzwerkstoffs gemäß der Erfindung ausgenutzt
und wird nachstehend als Verfahren zur Biegeverformung von Bauholz, Schnittholz
und Holzerzeugnissen gemäß der Erfindung bezeichnet.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in Figur 1 als Beispiel
dargestellt. Der Spant oder das Holzerzeugnis 3 wird imv durchnäßten oder wassergesättigten
Zustand mit seinen Enden (in Längsrichtung gesehen) auf die jeweiligen Enden der
Wandteile eines metallischen Traggestells 2 innerhalb eines Mikrowellenbestrahlungsraums
1 gelegt. Der Mikrowellenbestrahlungsraum 1 ist mit wenigstens einem Mikrowellengenerator
(nicht dargestellt) mit hoher Ausgangsleistung versehen. Nach-dem das Holzwerkstück
3 über die Wandteile gelegt worden ist, wird eine Spannbohle 4 aus Polytetrafluoräthylen
oder Metall auf den mittleren Teil (in Längsrichtung gesehen? des aufgelegten Holzwerkstücks
3 gelegt. Wenigstens ein Metallgewicht 5 hängt von der Mitte des aufgelegten Holzwerkstücks
3 nach unten, wobei der Strang des Metallgewichts 5 quer um den mittleren Teil der
Spannbohle 4 gelegt ist. Hierdurch wird das Holzwerkstück belastet. Im Gestell ist
ferner ein Metallblock 6 angeordnet, dessen Oberseite mit einem Formteil 7 aus Polytetrafluoräthylen
bedeckt ist. Die Höhe des Metal.lblocks 6 ist einstellbar, so daß nach Erreichen
einer vorbestimmten Kriechverformung des Holzwerkstücks eine weitere Biegeverformung
verhindert wird Nachdem das Holzwerkstück gemäß der Erfindung in den belasteten
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stand gebracht worden ist, wird es mit Mikrowellen bestrahlt,
wodurch die Kriechbiegeverformung verursacht wird. Wenn eine vorbestimmte Kriechbiegeverformung
des Holzwerkstücks 3 erreicht ist, wird eine weitere Verfor-7 mung durch den Metallblock
6, der mit dem Formteil aus Polytetrafluoräthylen bedeckt ist, verhindert, und es
finden gleichzeitiges Trocknen und Biegen bis zum vorbestimmten Ausmaß statt. Wenn
beispielsweise ein Holzstab von 2 cm x 2 cm x 70 cm (freitragende Länge 60 cm) mit
einem Anfangsfeuchtigkeitsgehalt von etwa 120 % mit Mikrowellen einer Frequenz von
2450 MHz und einer elektrischen Ausgangsleistung von 200 V und 2,4 kW bestrahlt
wird, wird der Holzstab 3 in einem solchen Maße getrocknet, daß der durchschnittliche
Feuchtigkeitsgehalt innerhalb von etwa 10 Min. etwa 5 % beträgt. Hinsichtlich der
vorstehend beschriebenen Durchbiegung des Holzwerkstücks läßt sich eine Biegung
von etwa 5 bis 6 cm mit verhältnismäßig geringer Belastung erreichen, die etwa 30
% der Biegebruchlast im wassergesättigten Zustand des Holzwerkstück entspricht,
vorausgesetzt, daß die anfängliche Spannweite des Holzwerkstücks auf 60 cm eingestellt
wird.
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Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, können unterschiedliche
Biegeverformungen erreicht werden, wenn die Abmessungen des metallischen Traggestells
2 und das Gewicht 5 entsprechend verändert werden.
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Gemäß der Erfindung kann das Verfahren zur plastischen Biegeverformung
von Holzwerkstoffen und Holzerzeugnissen mit 11Hilfe des Verfahrens, dessen Stufen
in Figur 2 dargestellt sind, erfolgen. Zunächst wird Wasser in den Holzwerkstoff
gesaugt. Der durchna"ßte Holzwerkstoff wird anschließend mit Mikrowellen bestrahlt.
Nach der Mikrowellenbestrahlung wird das Holzwerkstück stufenweise so verformt,
daß sich eine vorbestimmte Form oder Konstruktion ergibt.
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Wie vorstehend beschrieben, können die Maßnahmen der Mikrowellenbestrahlung
und der Verformung gemäß der Erfindung
gleichzeitig durchgeführt
werden. Nach Beendigung- der -Verformungsstufe erfolgt weiteres Trocknen durch weitere
Anwendung der Mikrowellenbestrahlung. Falls erforderlich, erfolgt demzufolge die
Anwendung der Mikrowellenbestrahlung zweistufig in der nachstehend beschriebenen
Weise.
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Wenn eine verhältnismäßig große Verformung erforderlich ist, wird
das durchnäßte Holzwerkstück im unbelasteten Zustand im Mikrowellenbestrahlungsraum
1 der Mikrowellenbestrahlung unterworfen. Die vorstehend beschriebene Mikrowellenbestrahlung
wird fortgesetzt, bis die Verdampfung des Wassers aus dem Holzwerkstück deutlich
wird,.wobei die Temperatur des Werkstücks über 100 OC liegt. Nachdem das Holzwerkstück
in diesen Zustand gebracht worden ist, wird es aus dem Mikrowellenbestrahlungsraum
1 herausgenommen und dann sofort mit vorläufigen Einspannvorrichtungen in eine vorbestimmte
Anfangsform gebracht. Anschließend wird das olzwerkstück unter Aufrechterhaltung
der Anfangs form mit hilfe der Einspannvorrichtungen erneut in den Mikrowellenbestrahlungsraum
1 gebracht und der weiteren Mikrowellenbestrahlung ausgesetzt. Wenn hierbei die
Temperatur des Holzwerkstoffs über die vorstehend genannte Temperatur steigt, wird
das Holzwerkstück erneut aus dem Mikrowellenbestrahlungsraum 1 entfernt, und alle
Einspannvorrichtungen, die es in seiner Form gehalten haben, werden abgenommen,
worauf das Holzwerkstück aus seiner vorläufigen Form sofort mit anderen Arten von
Einspannvorrichtungen weiter verformt wird. Das Holzwerkstück wird unter Aufrechterhaltung
seiner endgültigen Form erneut in den Mikrowellenbestrahlungsraum 1 gebracht und
weiter mit Mikrowellen erhitzt,bis der Feuchtigkeitsgehalt des Werkstoffs ungefähr
seinen endgültigen Wert erreicht hat. Nach der Behandlung in der vorstehend beschriebenen
Weise ist cl je qleichzeitige Biec-e- und Trockenbe1ndlun'j' des Holzwerkstoffs
beendet.
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Beispielsweise kann ein durchnäßter Holzstab von 1 cm x 2 cm x 70
cm leicht in einigen Minuten gleichzeitig so gebogen und getrocknet werden, daß
ein im Profil mit einem Krümmungsradius von etwa 5 cm geformtes Produkt erhalten
wird. In Figur 3 ist ein Endprodukt aus Holzwerkstoff dargestellt, das nach dem
Verfahren gemäß der Erfindung mit den vorstehend beschriebenen Stufen hergestellt
worden ist. Wie das in Figur 3 dargestellte Produkt deutlich zeigt, können nach
dem Verfahren gemäß der Erfindung Holzerzeugnisse mit komplizierten Formen hergestellt
werden.
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Beispielsweise eignet sich dieses Endprodukt als Bein eines Tisches.
Ferner eignet sich das Verfahren gemäß der Erfindung im Gegensatz zur Biegeverformung
natürlich auch zur Rückbildung bestimmter Verformungen des Holzwerkstoffs in den
gereckten Zustand.
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Gemäß einer anderen modifizierten Ausführungsform der Erfindung wird
das Holzwerkstück anschließend an das Erhitzen des Holzwerkstücks auf eine über
einer vorbestimmten Temperatur liegende Temperatur (z.B. über 54 °C, vorzugs-0 weise
über 100 C) gebogen oder verformt. Das anschließende Trocknen erfolgt jedoch mit
Hilfe von Heißluft oder dergleichen und nicht durch Erhitzen mit Mikrowellen.
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Wie die vorstehende Beschreibung deutlich zeigt, ist es nach dem Verfahren
gemäß der Erfindung möglich, die Biegeverformung von Holzwerkstücken durch Ausnutzen
des Vortcils der rheologischen Eigenschaften des Holzwerkstücks vorzunehmen, wobei
das Erhitzen mit Mikrowellen, das durch seine hohe Energieausbeute gekennzeichnet
ist, für diesen Zweck wirksam ausgenutzt wird. Als Ergebnis kann im Vergleich zu
den üblichen Verfahren der plastischen Biegeverformung mit Hilfe der Dämpfmethode
das Verfahren zur plastischen Biegeverformung viel leichter und wirksamer durchyeüührt
werden. Da es beim Verfahren gemäß der Erfindung ferner möglich ist, das Holzwerkstück
mit Mikrowellen
kontinuierlich weiter zu bestrahlen, auch wenn
die vorbestimmte plastische Biegeverformung des Holzwerkstücks erreicht ist, werden
die jeweiligen Maßnahmen des Biegens und Trocknens des Holzwerkstücks in sehr einfacher
Weise gleichzeitig erreicht.