Holzwerkstoff- und Naturfaser-Technologien

Forschungsprojekt

TimberAge – Entwicklung eines kombinierten mechanisch-klimatischen Schnellalterungsverfahrens für konstruktive Holzwerkstoffe     

Ob Gebäude oder Fahrzeuge: Viele tragende Bauteile lassen sich inzwischen aus Holz herstellen, insbesondere aus geklebten Holzwerkstoffen und Hybridwerkstoffen. Ihr Alterungsverhalten ist bisher jedoch unzureichend erforscht. Gängige Methoden zur Prüfung der Dauerhaftigkeit im Außenbereich sind entweder langwierig oder aufgrund ihrer Bedingungen anwendungsfern. Beides kann zu erheblichen Kostensteigerungen für Hersteller und Kunden führen. Gemeinsam mit der Universität Kassel entwickeln wir ein realitätsnahes Schnellalterungsverfahren, das insbesondere von kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMU) eingesetzt werden kann. 

Das Foto zeigt die Schnittkante einer Holzplatte, die aus mehreren Lagen Buchenholz besteht, die miteinander verklebt sind. Die Verklebung hat begonnen sich zu lösen, sodass die Holzschichten sich voneinander trennen. Die oberste Schicht ist aufgewölbt und hat Bruchstellen.
© Fraunhofer WKI | Manuela Lingnau
Beispiel für ein Werkstoffversagen: Delamination in Buchenbrettschichtholz. Das am Fraunhofer WKI entwickelte Testverfahren soll unter anderem eine bessere Bewertung von solchen Schadensbildern zulassen und damit Rückschlüsse auf das Alterungsverhalten ermöglichen.

Für tragende Holzkonstruktionen sind vor allem geklebte Lagenwerkstoffe relevant, weil sie gut Lasten aufnehmen und ableiten können. Dazu zählen Brettschicht- und Brettsperrhölzer sowie Furnierschicht- und Furniersperrhölzer. Außerdem werden zunehmend geklebte Kombinationen aus Holzfurnieren und anderen Materialien wie Metall oder (Faserverbund-)Kunststoff entwickelt. Diese Hybridwerkstoffe vereinen die spezifischen Vorteile der verschiedenen Materialien und ermöglichen sehr schlanke, hochfunktionale Bauteile.

Da Holz ein natürlicher Werkstoff ist, der zudem anisotrope Eigenschaften besitzt, birgt die Klebung im Verbund andere Herausforderungen als bei metallischen oder polymeren Materialien.

Zur Bestimmung der Dauerhaftigkeit von Holzwerkstoffen im Außenbereich gibt es etablierte Prüfverfahren: Freibewitterungsversuche und Schnellalterungsverfahren. Beide sind insbesondere für kleine und mittelständische Unternehmen oft kostenintensiv und schwierig umzusetzen.

Freibewitterungsversuche dauern mehrere Jahre, verlangsamen dadurch die Markteinführung und stellen für die Hersteller ein hohes wirtschaftliches Risiko dar. Außerdem liefern sie aufgrund der Beeinflussung von makro- und mikroklimatischen Faktoren teils wenig reproduzierbare Ergebnisse.

Gängige Schnellalterungsverfahren setzen zur Verkürzung des Prüfzeitraumes teils auf drastische Prüfparameter wie Temperaturerhöhungen, Wasserlagerung oder Kochen in Wasser. Die reale Alterung wird dadurch jedoch nur unzureichend abgebildet, beispielweise das Quellen und Schwinden durch das natürliche Wechselspiel aus Temperatur und Holzfeuchte. Realitätsferne Prüfkriterien können dazu führen, dass holzhaltige Bauteile überdimensioniert werden, also »größer« als notwendig.

Unser Ziel ist es, ein besseres Schnellalterungsverfahren zu entwickeln, das die klimatischen, mechanischen und weiteren Einflüsse auf Holz und Verklebung realitätsnäher berücksichtigt. Hierzu zählen unter anderem:

  • Temperatur
  • Feuchtigkeit
  • Statische Lasten (Gewicht)
  • Dynamische Lasten (z. B. durch Wind, Erschütterungen)
  • aggressive Medien (z. B. Holzschutzmittel, Streusalz)
  • Holzart (z. B. Buche, Fichte)
  • chemische Veränderungen des Klebstoffs durch die verschiedenen Holzinhaltsstoffe (z. B. Holzzucker)

Unser Verfahren soll die reale Alterung von mehreren Jahren auf wenige Wochen verkürzen. UV-bedingte und mikrobiologische Einflüsse sollen zunächst nicht im Fokus des Projekts stehen, ein nachträgliche Erweiterung der Schnellalterung soll jedoch durch die Analyse der Umweltdaten vorbereitet werden.

Gesellschaftliche Relevanz

Konstruktive Bauteile in der Bauindustrie und der Fahrzeugindustrie bestehen derzeit vorwiegend aus endlichen Rohstoffen wie Mauerwerk, Beton oder Stahl. Die Herstellung ist in der Regel sehr energieintensiv, auch wegen des hohen Gewichts und der globalen Transportwege. Zudem werden bei der Produktion von Zement hohe Mengen CO2 freigesetzt.

Der nachwachsende Rohstoff Holz ist leichter, regional verfügbar und klimaneutral. Je schneller, präziser und verlässlicher sich die Lebensdauer von konstruktiven Holzwerkstoffen voraussagen lässt, desto wettbewerbsfähiger werden sie. Hersteller können die Materialien gezielter optimieren und schneller auf den Markt bringen. Kunden gewinnen Planungssicherheit. Ein möglichst realitätsnahes Schnellalterungsverfahren reduziert zudem das Risiko, dass holzhaltige Bauteile überdimensioniert werden. Das spart Material und Kosten. Außerdem können Holzwerkstoffe und holzhaltige Hybridwerkstoffe dadurch eher für Konstruktionen eingesetzt werden, in denen es auf möglichst schlanke Aufbauten ankommt, beispielweise beim Fahrzeugbau. Bei Gebäuden erweitern schlanke Holzkonstruktionen die Gestaltungsspielräume – insbesondere dort, wo es auf ein möglichst geringes Gesamtgewicht ankommt.

Durch den verstärkten Einsatz von konstruktiven Holzbauteilen in Gebäuden und Fahrzeugen lassen sich erhebliche Mengen an endlichen Rohstoffen, Energie und CO2 einsparen.

Wirtschaftliche Vorteile

Bei erfolgreichem Projektabschluss ergäben sich für Hersteller und Lieferanten der Holzwerkstoff- und Klebstoffindustrie diverse Vorteile:

  • Schnelle, einfache und aussagekräftige Prüfung neuentwickelter Klebstoffe und Holzwerkstoffe
  • Verzicht auf langwierige und kostenintensive Freibewitterung
  • Keine Überdimensionierung der Produkte, wie es bei bisherigen Schnellalterungsverfahren aufgrund anwendungsferner Prüfparameter der Fall war
  • Schnelle Zulassung des Werkstoffs

In der Folge könnten auch Holzbaufirmen, Konstruktionsbüros, Bauingenieure und Monteure von unserer Forschung profitieren:

  • Aussagekräftige Prüfung der Produkte auf reale Anwendung im Außenbereich
  • Zuverlässige Berechnungen möglich
  • Erweiterung des Gestaltungsspielraums durch schlanke Konstruktionen
  • Qualitätsversprechen gegenüber Kunden über langen Zeitraum möglich
  • Einfluss der Ergebnisse in die Normung

Die schnellere Entwicklung und Zulassung von neuen konstruktiven Holzwerkstoffen und Hybridwerkstoffen ist außerdem für die Automobilbranche und die Hersteller von Schienenfahrzeugen interessant. Daraus ergeben sich mehr Möglichkeiten für den Bau von nachhaltigen Leichtbaufahrzeugen. 

Projektpartner

  • Universität Kassel | Fachgebiet für Trennende und Fügende Fertigungsverfahren

Förderung

Offizieller Projekttitel: Entwicklung eines kombinierten mechanisch-klimatischen Schnellalterungsverfahren für konstruktive Holzwerkstoffe

Fördermittelgeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BmWi)

Projektträger: Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen »Otto von Guericke« e. V. (AiF) über den Internationalen Verein für Technische Holzfragen e. V. (iVTH)

Förderkennzeichen (IGF): 21822 N 

Laufzeit: 1.5.2021 bis 30.4.2024