EP3778163A1 - Verfahren zur herstellung eines holz-formteils - Google Patents

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EP3778163A1
EP3778163A1 EP20190907.4A EP20190907A EP3778163A1 EP 3778163 A1 EP3778163 A1 EP 3778163A1 EP 20190907 A EP20190907 A EP 20190907A EP 3778163 A1 EP3778163 A1 EP 3778163A1
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EP
European Patent Office
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wood
process step
wood chips
forming
tool
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EP20190907.4A
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English (en)
French (fr)
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Thomas Grosse
Fabian FISCHER
Frauke Bunzel
Dirk Berthold
Markus Kühn
Sven Hartwig
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Volkswagen AG
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Technische Universitaet Braunschweig
Volkswagen AG
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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    • D21C3/04—Pulping cellulose-containing materials with acids, acid salts or acid anhydrides
    • D21C3/06—Pulping cellulose-containing materials with acids, acid salts or acid anhydrides sulfur dioxide; sulfurous acid; bisulfites sulfites

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a wooden molded part in particular with a three-dimensional component geometry according to claim 1 and a wooden molded part according to claim 10.
  • the invention provides a wood-based semi-finished product and a method for producing components therefrom, which enables the production of high-strength , at the same time enables very light and ecologically sustainable components in three-dimensional component geometries.
  • veneers which are pressed and glued under pressure and temperature in molding tools.
  • the veneers are about 0.5 to 8 mm thick sheets of solid wood, which are separated from the wood trunk using various sawing and cutting processes.
  • the wood veneers are compacted in a pressing step, the remaining cavities being filled with plastic.
  • a so-called synthetic resin pressed wood (or "armored wood") is produced with a strength of, for example, approx. 160 to 210 MPa with a density of approx. 1.1 to 1.3 g / cm 3 .
  • the object of the invention is to provide a method with which wood-based lightweight components suitable for large-scale production can be produced which, in comparison to the prior art Technology enable a high component strength, a low density and a high degree of geometric freedom.
  • the molded wood part is produced in a process sequence in which wood chips are initially provided. These are at least partially delignified in a delignification process step. In a subsequent forming process step, the delignified wood chips are placed in a tool cavity of a forming tool and pressed under pressure, heat and possibly moisture to form the wood molding. It is preferred if the wood chips stick to one another during thermomechanical compression in the forming tool solely through the binding forces inherent in the wood, and in particular without the addition of plastic binders.
  • a new approach according to the invention therefore consists in producing a flat semi-finished product from so-called wooden strands.
  • the wooden strands have been at least partially delignified in a preparatory process step.
  • the flat semi-finished product is brought into the component geometry in a shaping process step and compacted in the process.
  • Wood strands are large-scale wood chips with optimized chip geometry (length-width-thickness ratio).
  • the production of delignified wooden strands with defined or deliberately modified chip geometry and a defined ratio of the wood components cellulose, hemicellulose and lignin enables a shaping manufacturing process for the production of complex three-dimensional wooden molded parts with a defined local beach orientation and beach length.
  • the new manufacturing process can be used to produce wood-based components with complex 3D structures, such as ribs and high strength.
  • a wide range of component requirements can also be met through a possible orientation of the wooden strands in the flat semi-finished product to be formed or through combinations with other materials, such as wood veneers, fiber-reinforced plastics and metals.
  • the semi-finished product can be produced using a number of component-specific semi-finished panels or from a combination of veneers and wooden strands with different lengths and orientations in a semi-finished product.
  • the semi-finished panels can be fixed to one another using process-effective adhesion promoters or precompacting.
  • the shaping process step according to the invention can be implemented as a temperature-controlled shaping and consolidation process (extrusion), if appropriate in connection with superheated steam (compare particle foams). If necessary, wood-compatible adhesion promoters can also be used.
  • An essential aspect of the invention relates to the fact that wood strands are used in the process sequence according to the invention. If, instead, the process sequence according to the invention is carried out using wood veneers made of solid wood, the following disadvantages arise: When delignifying solid wood, very long process times are to be expected, since the wood components to be removed must be loosened from the wooden framework over longer distances and flushed out. In addition, the unidirectional fiber orientation ensures a preferred direction of the mechanical properties (anisotropy) in the pressed composite and suggests that complex geometries are not possible here either.
  • the invention provides an ecologically sustainable lightweight construction based on renewable raw materials.
  • the invention offers the possibility of structurally relevant components with a high strength and at the same time low density and thus a high potential for lightweight construction completely from renewable and ecologically sustainable materials manufacture.
  • the invention enables a high degree of geometric freedom, so that, for example, ribs can be developed to improve component rigidity.
  • an at least partial delignification of the wooden strands can take place in a first process step.
  • the delignification of the wooden strands is possible using different methods, for example using the sulfite method, which is used to manufacture cellulose fibers in paper production.
  • the sulfite method which is used to manufacture cellulose fibers in paper production.
  • concentrations of chemicals are used compared to paper production (Na 2 SO 3 and NaOH). A continuous process is possible here.
  • partial delignification can also be made possible by means of ethanol at overpressure. This process can only partially be shown continuously. A favorable ratio of area to volume of the wooden strands enables the wooden strands to be pretreated quickly.
  • the invention uses the fact that wood has binding forces inherent in wood. By means of these binding forces, the wooden strands can be glued together.
  • the partial delignification has a positive effect on the chemical structure of the wood in terms of wood's own binding forces, so that the amount of additional binding agents can be reduced or binding agents can be dispensed with entirely.
  • the use of moisture, temperature and pH to implement the crosslinking is particularly considered here. Therefore, the pretreatment of the wood strands in the delignification process step enables at least partial delignification of the solid wood, which means that stable hydrogen bonds are formed again between the pressed cell walls during the subsequent thermomechanical compression.
  • the component is manufactured by pressing.
  • four process variants are conceivable in the second process step, which can be combined with one another:
  • the first and second variants are based on conventional extrusion processes. Compound masses of defined and undefined shape and strand orientation are pressed close to their net shape.
  • the sheet molding compound (SMC) and the bulk molding compound (BMC) are representatives of extrusion semi-finished products.
  • the flexible handling of the flat semi-finished products from the first two variants enables the combination with similar and different materials.
  • combinations with other semi-finished products and with other manufacturing technologies can be implemented. Their combinations achieve synergy effects in terms of increased mechanical properties and functional integration.
  • a combination with other semi-finished products can take place, for example with veneers for optics, fiber composite plastics, metals, fabrics, nonwovens, nonwovens.
  • functions can be integrated (for example, inserting cables, etc.).
  • a combination with other manufacturing technologies can take place, for example simultaneous metal forming.
  • the new process enables the production of high-strength, complex components that are potentially suitable for all structural applications in the automobile and other industries (e.g. for rail vehicles, aerospace, construction, wind and energy systems). There they can be used as an alternative to the plastic or plastic-metal hybrid components used today (potentially also as part of new wood-metal hybrid composites).
  • the wood chips can each have a large-area flat profile geometry with opposite flat sides and with opposite narrow sides.
  • the flat profile geometry is designed with a favorable length-width-thickness ratio with regard to the delifignation process step and the forming process step.
  • the wood fibers of the wood chips forming the semifinished product can be aligned unidirectionally with respect to one another.
  • the wood fibers of the wood chips forming the flat semi-finished product are provided in a non-oriented manner in a tangled position to one another.
  • the wood molding can be constructed as a multilayer composite.
  • the flat semi-finished product can be inserted into the tool cavity of the forming tool with at least one further insert part.
  • the additional insert part can be at least one further flat semi-finished product.
  • the additional insert part can be a wood veneer, a fiber composite plastic insert part, a metal insert part and / or a fabric, a scrim or a fleece.
  • the insert part can consist of loose wood chips.
  • the additional insert part can be a functional element, for example a cable, which is to be integrated into the wooden molded part to be produced.
  • the insert part can also be reshaped.
  • a metal insert part can be subjected to metal forming.
  • the delignified wood chips can be placed loosely in the tool cavity of the forming tool, for example as bulk material.
  • the delignified, still loose wood chips can be pressed into a flat semi-finished product in a preparatory process step in a press tool.
  • the flat semi-finished product can be inserted into the tool cavity of the forming tool in preparation for the forming process step.
  • a wooden molded part 2 is shown with a three-dimensional component geometry.
  • the wood molding 2 is formed from large wood chips 1, which are glued to one another by the binding forces inherent in the wood, specifically by means of thermomechanical compression.
  • the wood molding 2 is in the Figure 1 exemplarily designed with a unidirectional fiber orientation.
  • the wood chips 1 are each dimensioned with a length-width-thickness ratio (I, b, d) which is favorable for subsequent treatment steps I, II, III, as shown in FIG Figure 2 is shown. Accordingly, the wood chips 1 each have a large-area flat profile geometry with opposite flat sides and with opposite narrow sides.
  • the span length I is, for example, in a range from 5 to 10 mm, while the span width b can be in a range from 4 to 7 mm.
  • the chip thickness d is in a range from 0.5 to 1.5 mm. The dimensions are to be understood only as examples and are in no way intended to restrict the invention to them.
  • a delignification process step I in which the wood chips 1 are at least partially delignified.
  • the wood chips 1 pretreated in this way are then placed in a press tool 3 in a prepared press process step II and pressed to form a flat semi-finished product 5.
  • a unidirectional fiber orientation are in the Figure 2 the wood fibers 5 of the wood chips 1 forming the flat semi-finished product 5 are aligned unidirectionally to one another.
  • the wood chips 1 are at least partially delignified.
  • the delignification process step I is designed in such a way that stable hydrogen bonds are formed again between the wood chips 1 during the subsequent thermomechanical compression in the press process step II and in the forming process step III . Therefore, if necessary, the wood chips 1 can stick to one another in the case of thermomechanical compression solely through the binding forces inherent in the wood, specifically particularly preferably without the addition of plastic binders.
  • the flat semifinished product 5 produced in the pressing process step II is inserted into the tool cavity 9 of a forming tool 11.
  • a thermomechanical compression also takes place in the forming tool 11 under pressure, heat and moisture, in which the flat semi-finished product is pressed to form the wooden molded part 2.
  • a wooden molded part 2 is shown according to a further embodiment.
  • the molded wood part 2 has a multilayer composite 16, specifically with a wood chip layer and a metal layer.
  • the flat semi-finished product 5 in combination with a metal insert part 15 is inserted into the tool cavity 9 of the forming tool 11 in the forming process step III.
  • the reshaping then takes place, in which not only the flat semi-finished product 5 is reshaped, but also a metal reshaping of the metal insert part 15 takes place.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Holz-Formteils (2) insbesondere mit einer dreidimensionalen Bauteilgeometrie, bei dem Holzspäne (1) bereitgestellt werden, die in einem Delignifizier-Prozessschritt (I) zumindest teilweise delignifiziert werden, und bei dem in einem Umformprozessschritt (III) die delignifizierten Holzspäne (1) in eine Werkzeugkavität (9) eines Umformwerkzeugs (11) eingelegt werden und unter Druck, Wärme und gegebenenfalls Feuchtigkeit, insbesondere über eine im Wesentlichen komplett thermomechanische Verdichtung, zu dem Holz-Formteil (2) verpresst werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Holz-Formteils insbesondere mit einer dreidimensionalen Bauteilgeometrie nach dem Anspruch 1 sowie ein Holz-Formteil gemäß Anspruch 10. Mit der Erfindung werden ein holzbasiertes Halbzeug und ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen daraus bereitgestellt, welches die Herstellung hochfester, zugleich sehr leichter und ökologisch nachhaltiger Bauteile in dreidimensionalen Bauteil-Geometrien ermöglicht.
  • Im Stand der Technik werden Holz-Bauteile mit hohen mechanischen Anforderungen bislang nur auf Basis von Furnieren hergestellt, die unter Druck und Temperatur in Formwerkzeugen verpresst und verklebt werden. Die Furniere sind etwa 0,5 bis 8 mm dicke Blätter aus Massivholz, die durch verschiedene Säge- und Schneideverfahren vom Holz-Stamm abgetrennt werden. Im Stand der Technik werden die Holzfurniere in einem Pressschritt verdichtet, wobei die verbleibenden Hohlräume mit Kunststoff gefüllt werden. Es entsteht ein sogenanntes Kunstharzpressholz (oder auch "Panzerholz") mit einer Festigkeit von exemplarisch ca. 160 bis 210 MPa bei einer Dichte von ca. 1,1 bis 1,3 g/cm3.
  • Die Herstellung von Bauteilen aus einem solchen Kunstharzpressholz ist starken geometrischen Einschränkungen unterworfen, welche aus der geringen Festigkeit der verwendeten Furniere quer zur Faserrichtung resultieren. Hierdurch können lediglich Bauteile mit relativ großen Krümmungsradien hergestellt werden. Ferner ist die Kombination mehrerer Krümmungsradien, zum Beispiel zu sogenannte "Kofferecken", nur in sehr geringem Maße möglich. Komplexe dreidimensionale Strukturen, wie bspw. flächige Bauteile mit einer rückseitigen Verrippung können mit diesem Ansatz nicht hergestellt werden. Ein weiterer Nachteil besteht in der Verwendung von (in der Regel duroplastischen) Kunststoffen, welche den ökologischen Vorteil des Rohstoffs Holz zumindest teilweise zunichtemachen.
  • Aus der DE 10 2013 111 393 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus einem vulkanisierten Fasermaterial bekannt.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem großserientauglich holzbasierte Leichtbauteile herstellbar sind, die im Vergleich zum Stand der Technik eine hohe Bauteil-Festigkeit, eine geringe Dichte sowie hohe geometrische Freiheitsgrade ermöglichen.
  • Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 oder des Anspruches 10 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
  • Gemäß dem Anspruch 1 wird das Holz-Formteil in einer Prozessabfolge hergestellt, bei der zunächst Holzspäne bereitgestellt werden. Diese werden in einem Delignifizier-Prozessschritt zumindest teilweise delignifiziert. In einem anschließenden Umformprozessschritt werden die delignifizierten Holzspäne in eine Werkzeugkavität eines Umformwerkzeuges eingelegt und unter Druck, Wärme und gegebenenfalls Feuchtigkeit zu dem Holz-Formteil verpresst. Bevorzugt ist es, wenn die Holzspäne bei einer thermomechanischen Verdichtung in dem Umformwerkzeug alleine durch holzeigene Bindungskräfte miteinander verkleben, und zwar insbesondere ohne Zusatz von Kunststoff-Bindemitteln.
  • Ein neuer, erfindungsgemäßer Ansatz besteht also darin, ein Flach-Halbzeug aus sogenannten Holz-Strands herzustellen. Die Holz-Strands sind in einem vorbereitenden Prozessschritt zumindest teilweise delignifiziert worden. Das Flach-Halbzeug wird in einem formgebenden Prozessschritt in die Bauteilgeometrie gebracht und dabei kompaktiert. Unter Holz-Strands sind großflächige Holzspäne mit optimierter Span-Geometrie (Längen-Breiten-Dicken-Verhältnis) zu verstehen. Die Herstellung delignifizierter Holz-Strands mit definierter bzw. bewusst modifizierter Span-Geometrie und einem definierten Verhältnis der Holzbestandteile Zellulose, Hemizellulose und Lignin ermöglicht einen formgebenden Fertigungsprozess zur Herstellung komplexer dreidimensionaler Holz-Formteile mit definierter lokaler Strand-Orientierung und Strand-Länge.
  • Auf Prozessebene können mit dem neuen Fertigungsverfahren holzbasierte Bauteile mit komplexen 3D-Strukturen, wie zum Beispiel Verrippungen und einer hohen Festigkeit, hergestellt werden. Durch eine mögliche Orientierung der Holz-Strands im umzuformenden Flach-Halbzeug oder durch die Kombinationen mit anderen Werkstoffen, wie zum Beispiel Holzfurnieren, faserverstärkten Kunststoffen und Metallen, können auch vielseitige Bauteilanforderungen erfüllt werden.
  • Beispielhaft kann die Halbzeug-Herstellung mittels einer Anzahl von bauteilspezifischen Halbzeugplatten erfolgen oder aus einer Kombination von Furnieren und Holz-Strands mit unterschiedlicher Länge und Orientierung in einem Halbzeug. Die Halbzeugplatten können über prozesswirksame Haftvermittler oder Vorkompaktierung zueinander fixiert werden.
  • Der erfindungsgemäße Umformprozessschritt kann als ein temperierter Formgebungs- und Konsolidierungsprozess (Fließpressen) realisiert sein, gegebenenfalls in Verbindung mit überhitztem Dampf (vergleiche Partikelschäumen). Gegebenenfalls können auch holzkompatible Haftvermittler zu Einsatz kommen.
  • Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung betrifft den Sachverhalt, dass in der erfindungsgemäßen Prozessabfolge Holz-Strands verwendet werden. Wird anstelle dessen die erfindungsgemäße Prozessabfolge unter Verwendung von Holzfurnieren aus Massivholz durchgeführt so ergeben sich die folgenden Nachteile: Bei der Delignifizierung von Massivholz ist mit sehr langen Prozesszeiten zu rechnen, da die zu entfernenden Holzbestandteile über weitere Strecken aus dem Holzgerüst gelöst und herausgespült werden müssen. Zudem sorgt die unidirektionale Faserorientierung für eine Vorzugsrichtung der mechanischen Eigenschaften (Anisotropie) im verpressten Verbund und lässt erwarten, dass komplexe Geometrien hierbei ebenfalls nicht möglich sind.
  • Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind nachfolgend stichpunktartig aufgelistet, nämlich eine hohe geometrische Freiheit durch Verwendung von Holz-Strands, wobei Ausprägung von Rippen und Kofferecken möglich ist; möglichst kein bzw. absolut minimaler Einsatz von Kunststoff, so dass das fertige Bauteil im Wesentlichen vollständig aus natürlichen und nachwachsenden Bestandteilen besteht; keine Hohlräume, die eine Feuchtigkeitsaufnahme begünstigen würden, wodurch sich eine gute Formstabilität und Beständigkeit gegen Umgebungseinflüsse ergeben; sehr gute mechanische Eigenschaften sowie Festigkeit, die etwa vergleichbar mit einfachen Stählen ist, jedoch bei einem Fünftel des Gewichts; aufgrund der zufälligen Orientierung der Holz-Strands über die Werkstückoberfläche quasiisotrope mechanische Eigenschaften in der Flächenrichtung; durch Anpassung des Flach-Halbzeugs und des Fertigungsprozesses ist aber auch definiert Anisotropie, zum Beispiel bei einfachen Lastpfaden, ermöglicht; zudem ist eine einfache Kombination mit anderen Halbzeugen und Werkstoffen (zum Beispiel (delignifiziertes) Furnier, faserverstärkte Kunststoffe (FVK), Metalle) möglich.
  • Mittels der Erfindung wird ein ökologisch nachhaltiger Leichtbau auf Basis nachwachsender Rohstoffe bereitgestellt. Hierzu bietet die Erfindung die Möglichkeit, strukturrelevante Bauteile mit einer hohen Festigkeit und gleichzeitig geringer Dichte und somit einem hohen Leichtbaupotenzial vollständig aus nachwachsen und ökologisch nachhaltigen Werkstoffen zu fertigen. Gleichzeitig ermöglicht die Erfindung eine hohe geometrische Freiheit, so dass zum Beispiel Verrippungen zur Verbesserung der Bauteilsteifigkeit ausgeprägt werden können.
  • Beispielhaft kann in einem ersten Prozessschritt eine zumindest teilweise Delignifizierung der Holz-Strands erfolgen. Die Delignifizierung der Holz-Strands ist nach unterschiedlichen Methoden möglich, etwa nach der Sulfitmethode, die zur Herstellung von Zellulosefasern bei der Papierherstellung eingesetzt wird. Um die Prozesszeit zu verkürzen als auch die Prozesstemperatur zu reduzieren, werden im Vergleich mit der Papierherstellung andere Konzentrationen an Chemikalien eingesetzt (Na2SO3 und NaOH). Ein kontinuierliches Verfahren ist hierbei möglich.
  • Zur Verringerung von einzusetzenden Chemikalien kann alternativ eine teilweise Delignifizierung auch mittels Ethanol bei einem Überdruck ermöglicht werden. Dieser Prozess kann nur teilweise kontinuierlich dargestellt werden. Durch ein günstiges Verhältnis von Fläche zu Volumen der Holz-Strands kann eine schnelle Vorbehandlung der Holz-Strands erfolgen.
  • Die Erfindung nutzt in einem weiteren Erfindungsaspekt den Sachverhalt, dass Holz holzeigene Bindungskräfte aufweist. Mittels dieser Bindungskräfte können die Holz-Strands miteinander zu verklebt werden. Durch die teilweise Delignifizierung wird die chemische Struktur des Holzes in Bezug auf holzeigene Bindungskräfte positiv beeinflusst, so dass die Menge an zusätzlichen Bindungsmittel reduziert bzw. auf Bindungsmittel komplett verzichtet werden kann. Hier wird besonders die Verwendung von Feuchtigkeit, Temperatur und pH-Wert zur Umsetzung der Vernetzung in Betracht gezogen. Von daher ermöglicht die Vorbehandlung der Holz-Strands im Delignifizier-Prozessschritt eine zumindest teilweise Delignifizierung des Massivholzes, wodurch sich beim anschließenden thermomechanischen Verdichten zwischen den zusammengepressten Zellwänden wieder stabile Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden.
  • In einem zweiten Prozessschritt erfolgt die Bauteilherstellung durch ein Verpressen. Zur Schaffung und Verarbeitung des Flach-Halbzeuges sind im zweiten Prozessschritt vier Prozessvarianten denkbar, die untereinander kombinierbar sind:
    Die erste und zweite Variante lehnen sich an konventionelle Fließpressprozesse an. Hierbei werden Compoundmassen definierter und undefinierter Form und Strands-Orientierung endkonturnah verpresst. Vertreter von Fließpresshalbzeugen sind das Sheet-Moulding Compound (SMC) und Bulk-Moulding Compound (BMC).
  • Die flexible Handhabung der Flach-Halbzeuge aus den ersten beiden Varianten ermöglicht die Kombination mit artgleichen und artfremden Materialien. In Anlehnung an die Herstellungsprozesse für Mehrschichtverbunde sind Kombinationen mit anderen Halbzeugen und mit anderen Fertigungstechnologien umsetzbar. Deren Kombinationen erzielen Synergieeffekte hinsichtlich gesteigerten mechanischen Eigenschaften und Funktionsintegration.
  • In einer dritten Variante kann eine Kombination mit anderen Halbzeugen erfolgen, etwa mit Furnieren für Optik, Faserbundkunststoffen, Metallen, Geweben, Gelegen, Vliesen. Zudem kann eine Funktionsintegration erfolgen (zum Beispiel Einlegen von Kabeln, etc.).
  • In einer vierten Variante kann eine Kombination mit anderen Fertigungstechnologien erfolgen, etwa gleichzeitige Metallumformung.
  • Zusammenfassend sind mit dem neuen Prozess die Herstellung hochfester komplexer Bauteile möglich, die sich potenziell für alle strukturrelevanten Anwendungen im Automobil und weiteren Branchen (zum Beispiel für Schienenfahrzeuge, Luft- und Raumfahrt, Bauwesen, Wind- und Energieanlagen), eignen. Dort können sie als Alternative zu heute eingesetzten Kunststoff- bzw. Kunststoff-Metall-Hybrid-Bauteilen (potenziell auch als Teil von neuen Holz-Metall-Hybridverbunden) zum Einsatz kommen.
  • Nachfolgend werden Erfindungsaspekte nochmals einzeln hervorgehoben: So können die Holzspäne jeweils eine großflächige Flachprofil-Geometrie mit gegenüberliegenden Flachseiten sowie mit gegenüberliegenden Schmalseiten aufweisen. Die Flachprofil-Geometrie ist im Hinblick auf den Delifignizier-Prozessschritt und dem Umformprozessschritt mit einem günstigen Längen-Breiten-Dicken-Verhältnis ausgelegt.
  • Zur Bereitstellung eines Flach-Halbzeugs mit einer unidirektionalen Faserorientierung können die Holzfasern der, das Halbzeug bildenden Holzspäne zueinander unidirektional ausgerichtet werden.
  • Sollte im Gegensatz dazu das Flach-Halbzeug eine multidirektionale Faserorientierung aufweisen, so werden die Holzfasern der, das Flach-Halbzeug bildenden Holzspäne unorientiert in Wirrlage zueinander bereitgestellt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsvariante kann das Holz-Formteil als ein Mehrschichtverbund aufgebaut sein. Zur Herstellung des Mehrschichtverbundes kann das Flach-Halbzeug mit zumindest einem weiteren Einlegerteil in die Werkzeugkavität des Umformwerkzeugs eingelegt werden. Beispielhaft kann das zusätzliche Einlegerteil zumindest ein weiteres Flach-Halbzeug sein. Alternativ und/oder zusätzlich kann das zusätzliche Einlegerteil ein Holzfurnier, ein Faserverbundkunststoff-Einlegerteil, ein Metall-Einlegerteil und/oder ein Gewebe, ein Gelege oder ein Vlies sein. Alternativ und/oder zusätzlich dazu kann das Einlegerteil aus losen Holzspänen bestehen.
  • In einer weiteren Ausführungsvariante kann das zusätzliche Einlegerteil ein Funktionselement, zum Beispiel ein Kabel, sein, das in dem zu fertigenden Holz-Formteil zu integrieren ist.
  • Im Hinblick auf eine Prozessvereinfachung kann im Umformprozessschritt nicht nur das Flach-Halbzeug formgebend verpresst werden, sondern zusätzlich auch eine Umformung des Einlegerteils erfolgen. Beispielhaft kann ein Metall-Einlegerteil einer Metallumformung unterworfen werden.
  • In einer technischen Umsetzung können die delignifizierten Holzspäne lose in die Werkzeugkavität des Umformwerkzeugs eingelegt werden, etwa als Schüttgut. Alternativ dazu können die delignifizierten, noch losen Holzspäne in einem vorbereitenden Prozessschritt in einem Pressenwerkzeug zu einem Flach-Halbzeug verpresst werden. Das Flach-Halbzeug kann zur Vorbereitung des Umformprozessschritts in die Werkzeugkavität des Umformwerkzeugs eingelegt werden.
    • Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
  • Es zeigen:
    • Figur 1
    in einer Seitenschnittansicht ein fertiggestelltes Holz-Formteil;
    Figur 2
    ein Blockschaltdiagramm, anhand dem Prozessschritte zur Herstellung des in der Figur 1 gezeigten Holz-Formteils veranschaulicht sind; und
    Figur 3 und 4
    in Ansichten entsprechend der Figur 2 weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung; und
    Figur 5
    in einer Ansicht entsprechend der Figur 1 ein Holz-Formteil gemäß einer Ausführungsvariante.
  • In der Figur 1 ist ein Holz-Formteil 2 mit einer dreidimensionalen Bauteilgeometrie gezeigt. Das Holz-Formteil 2 ist aus großflächigen Holzspänen 1 ausgebildet, die durch holzeigene Bindungskräfte miteinander verklebt sind, und zwar mittels einer thermomechanischen Verdichtung. Das Holz-Formteil 2 ist in der Figur 1 beispielhaft mit einer unidirektionalen Faserorientierung ausgebildet.
  • Nachfolgend wird anhand der Figur 2 eine Prozessabfolge beschrieben, mittels der das in der Figur 1 gezeigte Holz-Formteil 2 herstellbar ist: Demzufolge wird zunächst in einer nicht gezeigten Schneidstation Holz zu den Holzspänen 1 zerkleinert bzw. auf ein definiertes Span-Maß zugeschnitten. Die Holzspäne 1 sind jeweils mit einem, für nachfolgende Behandlungsschritte I, II, III günstigen Länge-Breiten-Dicken-Verhältnis (I, b, d) bemessen, wie es in der Figur 2 gezeigt ist. Demzufolge weisen die Holzspäne 1 jeweils eine großflächige Flachprofil-Geometrie mit gegenüberliegenden Flachseiten sowie mit gegenüberliegenden Schmalseiten auf. Die Span-Länge I liegt beispielhaft in einem Bereich von 5 bis 10 mm, während die Span-Breite b in einem Bereich von 4 bis 7 mm liegen kann. Die Span-Dicke d liegt in einem Bereich von 0,5 bis 1,5 mm. Die Maßangaben sind lediglich exemplarisch zu verstehen und sollen die Erfindung keinesfalls darauf beschränken.
  • Anschließend erfolgt ein Delignifizier-Prozessschritt I, bei dem die Holzspäne 1 zumindest teilweise delignifiziert werden. Die derart vorbehandelten Holzspäne 1 werden dann in einem vorbereiteten Pressen-Prozessschritt II in ein Pressenwerkzeug 3 eingelegt und zu einem Flach-Halbzeug 5 verpresst. Im Hinblick auf eine undirektionale Faserorientierung sind in der Figur 2 die Holzfasern 5 der, das Flach-Halbzeug 5 bildenden Holzspäne 1 zueinander unidirektional ausgerichtet.
  • Im Delignifizier-Prozessschritt I erfolgt eine zumindest teilweise Delignifizierung der Holz-Späne 1. Der Delignifizier-Prozessschritt I ist so ausgelegt, dass sich beim anschließenden thermomechanischen Verdichten im Pressen-Prozessschritt II und im Umformprozessschritt III zwischen den Holz-Späne 1 wieder stabile Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden. Von daher können gegebenenfalls die Holzspäne 1 bei einer thermomechanischen Verdichtung alleine durch holzeigene Bindungskräfte miteinander verkleben, und zwar besonders bevorzugt ohne Zusatz von Kunststoff-Bindemitteln.
  • Das im Pressen-Prozessschritt II erzeugte Flach-Halbzeug 5 wird in die Werkzeugkavität 9 eines Umformwerkzeugs 11 eingelegt. Im Umformwerkzeug 11 erfolgt unter Druck, Wärme und Feuchtigkeit ebenfalls eine thermomechanische Verdichtung, bei der das Flach-Halbzeug formgebend zu dem Holz-Formteil 2 verpresst wird.
  • Anhand der Figur 3 wird eine alternative Prozessabfolge zur Herstellung des Holz-Formteils 2 beschrieben, deren Prozessschritte im Wesentlichen identisch sind mit den anhand der Figur 2 erläuterten Prozessschritte. Im Unterschied zur Figur 2 weist das in der Figur 3 hergestellte Holz-Formteil 2 keine unidirektionale Faserorientierung auf, sondern eine mehrdirektionale Faserorientierung. Hierzu sind die delignifizierten Holzspäne 1 im Flach-Halbzeug 5 mit ihren Holzfasern 7 nicht mehr unidirektional ausgerichtet, sondern unorientiert in Wirrlage im Flach-Halbzeug 5 positioniert. Ansonsten sind die Prozessschritte I, II, III bis zur Fertigstellung des Holz-Formteils 2 identisch mit den bereits anhand der Figur 2 erläuterten Prozessschritten I, II, III.
  • Anhand der Figur 4 wird eine weitere alternative Prozessabfolge zur Herstellung des Holz-Formteils 2 beschrieben. Im Unterschied zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen ist in der Figur 4 der Pressen-Prozessschritt II weggelassen. Von daher werden die im Delignifizier-Prozessschritt II vorbehandelten Holzspäne 1 nicht mehr zu einem Flach-Halbzeug 5 vorgepresst, sondern vielmehr als Schüttgut direkt in die Werkzeugkavität 9 des Umformwerkzeugs 11 eingelegt. Auf diese Weise ergibt sich im herzustellenden Holz-Formteil 2 eine multidirektionale Faserorientierung.
  • In der Figur 5 ist ein Holz-Formteil 2 gemäß einer weiteren Ausführungsvariante gezeigt. In der Figur 5 weist das Holz-Formteil 2 einen Mehrschichtverbund 16 auf, und zwar mit einer Holzspan-Lage und einer Metalllage. Zur Herstellung des in der Figur 4 gezeigten Mehrschichtverbunds 16 wird im Umform-Prozessschritt III das Flach-Halbzeug 5 in Kombination mit einem Metall-Einlegerteil 15 in die Werkzeugkavität 9 des Umformwerkzeugs 11 eingelegt. Anschließend erfolgt die Umformung, bei dem nicht nur das Flach-Halbzeug 5 formgebend umgeformt wird, sondern zusätzlich auch eine Metallumformung des Metall-Einlegerteils 15 erfolgt.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Holzspäne
    2
    Holz-Formteil
    3
    Pressenwerkzeug
    5
    Flach-Halbzeug
    7
    Holzfasern
    9
    Werkzeugkavität
    11
    Umformwerkzeug
    13
    Holzspan-Lage
    15
    Metall-Einlegerteil
    16
    Mehrschichtverbund
    I
    Holzspan-Länge
    b
    Holzspan-Breite
    d
    Holzspan-Dicke
    I
    Delignifizier-Prozessschritt
    II
    vorbereitender Prozessschritt
    III
    Umformprozessschritt

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Holz-Formteils (2) insbesondere mit einer dreidimensionalen Bauteilgeometrie, bei dem Holzspäne (1) bereitgestellt werden, die in einem Delignifizier-Prozessschritt (I) zumindest teilweise delignifiziert werden, und bei dem in einem Umformprozessschritt (III) die delignifizierten Holzspäne (1) in eine Werkzeugkavität (9) eines Umformwerkzeugs (11) eingelegt werden und unter Druck, Wärme und gegebenenfalls Feuchtigkeit, insbesondere über eine im Wesentlichen komplett thermomechanische Verdichtung, zu dem Holz-Formteil (2) verpresst werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die delignifizierten Holzspäne (1) lose in die Werkzeugkavität (9) des Umformwerkzeugs (11) eingelegt werden, insbesondere als Schüttgut, oder dass die delignifizierten Holzspäne (1) in einem vorbereitenden Prozessschritt (II) in einem Pressenwerkzeug (3) zu einem Flach-Halbzeug (5) verpresst werden, und dass das Flach-Halbzeug (5) für den Umformprozessschritt (III) in die Werkzeugkavität (9) des Umformwerkzeugs (11) eingelegt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Holzspäne (1) bei der thermomechanischen Verdichtung in dem Umformwerkzeug (11) und/oder in dem Pressenwerkzeug (3) alleine durch holzeigene Bindungskräfte miteinander verklebt werden, und zwar insbesondere im Wesentlichen ohne Zusatz von Kunststoff-Bindemitteln.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Holzspäne (1) jeweils eine großflächige Flachprofil-Geometrie mit gegenüberliegenden Flachseiten sowie mit gegenüberliegenden Schmalseiten aufweisen, und dass insbesondere die Holzspäne (1) ein für den Delignifizier-Prozessschritt (I), für den vorbereitenden Prozessschritt (II) und/oder für den Umformprozessschritt (III) günstiges Längen-Breiten-Dicken-Verhältnis aufweisen.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bereitstellung eines Flach-Halbzeugs (5) mit einer unidirektionalen Faserorientierung die Holzfasern (7) der, das Halbzeug (5) bildenden Holzspäne (1) zueinander unidirektional ausgerichtet werden, oder dass zur Bereitstellung eines Flach-Halbzeugs (5) mit einer multidirektionalen Faserorientierung die Holzfasern (7) der, das Flach-Halbzeug (5) bildenden Holzspäne (1) unorientiert in Wirrlage zueinander sind.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Holz-Formteil (2) einen Mehrschichtverbund (16) aufweist, und dass zur Herstellung des Mehrschichtverbunds (16) das Flach-Halbzeug (5) mit zumindest einem weiteren Einlegerteil (15) in die Werkzeugkavität (9) des Umformwerkzeugs (11) eingelegt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegerteil (15) ein weiteres Flach-Halbzeug (5), ein Holzfurnier, ein Faserverbundkunststoff-Einlegerteil, ein Metall-Einlegerteil und/oder ein Gewebe, Gelege oder Vlies ist, oder das Einlegerteil (15) aus losen Holzspänen besteht.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Einlegerteil (15) ein Funktionselement, etwa ein Kabel, ist, das in dem zu fertigenden Holz-Formteil zu integrieren ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Umformprozessschritt (III) gleichzeitig auch eine Umformung des Einlegerteils (15) erfolgt, etwa eine Metallumformung eines Metall-Einlegerteils (15).
  10. Holz-Formteil, das mit einem Verfahren gemäß den vorhergehenden Ansprüchen hergestellt ist.
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