AT523035A2 - Herstellungsverfahren für geformte, gestapelte, mehrschichtige, holzbasierte Baukomponenten - Google Patents

Herstellungsverfahren für geformte, gestapelte, mehrschichtige, holzbasierte Baukomponenten Download PDF

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AT523035A2
AT523035A2 ATA9119/2019A AT91192019A AT523035A2 AT 523035 A2 AT523035 A2 AT 523035A2 AT 91192019 A AT91192019 A AT 91192019A AT 523035 A2 AT523035 A2 AT 523035A2
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Grönquist Philippe
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Empa Eidgenoessische Mat & Forschungsanstalt
Eth Zuerich
Univ Stuttgart
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Abstract

Die offenbarte Erfindung besteht aus einem Herstellungsverfahren für komplex geformte, laminierte, mehrschichtige, auf Pflanzenfasern basierte Baukomponenten (4') von isotropen oder anisotropen, auf Pflanzenfasern basierten Elementen (0, 0'), das kostengünstiger und ressourceneffizienter ist, da es weniger Abfall produziert. Dies wird dadurch erreicht, dass auf Pflanzenfasern basierte Elemente (0, 0') durch einen Selbstformungsschritt (II) verformt werden, der formgeänderte, auf Pflanzenfasern basierte Baukomponenten (3') durch Anwendung einer Eingabestimulus-(2)-Änderung von Ausgangszustand mit Ausgangsholzfeuchtigkeitsgehalt (U1) und Ausgangstemperatur (T1) zu Endzustand mit Endholzfeuchtigkeitsgehalt (U2) und Endtemperatur (T2) für eine Feuchtigkeitsänderung ΔU zwischen 1 % und 20 % und/oder eine Temperaturänderung zwischen 0 °C und 70 °C formt, ehe die formgeänderten, auf Pflanzenfasern basierten Baukomponenten (3') in einem Stapel- und Befestigungsschritt (III) gestapelt und verbunden werden, der geformte, laminierte, mehrschichtige, auf Pflanzenfasern basierte Baukomponenten (4) für eine weitere Behandlung bildet.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Herstellungsverfahren für geformte, gestapelte, mehrschichtige, holzbasierte Baukomponenten.
STAND DER TECHNIK
Mehr oder weniger komplex geformte, mehrschichtige Baukomponenten aus entweder isotropem oder anisotropem Material wie gebogenem Holz- oder Holzplastikteilen sind zum Beispiel zur Anwendung in der Architektur, beim Bau von Gehäusen und Decken für Holzbaufirmen oder Möbelfabrikanten interessant.
Es gibt bekannte Verfahren für die Herstellung von geformten, mehrschichtigen Komponenten wie gebogene Holzteile, zum Beispiel kaltes und warmes Formbiegen als das in Industrie und Handwerk gebräuchlichste Verfahren, um große, gebogene Holzteile zu produzieren. Schichten oder Platten aus Holz werden physisch auf eine negative Schalung gebogen und geschraubt, mit Leim aufeinander
vakuum- oder presskaschiert, wie in Figur 1 gezeigt.
Die notwendigen Schalungen sind teuer und verbrauchen Schließlich mehr Material als bei den Teilen verwendet wird. Einige Schalungen können wiederverwendet werden, doch sie erfordern für jede neue Geometrie Anpassen und Umgestalten; ein guter Teil der Schalungen wird nur einmal benutzt, ehe er entsorgt wird. Es gibt anpassbare hydraulische Pressen für die Produktion von einzelnen, gebogenen Leimlaminat-Holzteilen mit kundenspezifischen Biegungen. Beim Formbiegen begrenzt die Streckfestigkeit von Holz die Dicke der Profilform und die Abmessungen,
der Schalung zurückfedert und im Laufe der Zeit kriecht.
Formbiegen wird ebenfalls angewandt, um Teile im Möbelbereich mit hohen Biegungen und Details zu produzieren, bei denen dünne Venierschichten verwendet werden. In der Größenordnung einer Baukomponente sind jedoch solche dünnen Schichten nicht praktisch. Informbiegen von Holz mit Dampf ermöglicht die Herstellung von Holzteilen mit hoher Biegung aus dickeren Schichten dadurch, dass das Holz bei hohem Feuchtigkeitsgehalt und hoher Temperatur vor seiner physischen Verformung flexibler ist. Dieses Verfahren verlangt Schalung und hohe Kräfte, um das Holz für eine längere Zeit zu biegen und zu halten. Es erfordert
ebenfalls zusätzliche Energie für die Dampferzeugung.
Weitere Verfahren Zur Produktion von gebogenen Holzteilen durch Firmen, einschließlich „Flexible Plywood“ (Flexibles Sperrholz) (z. B. Firma Radius Bending Plywood), „SD-Veneer“ (SD-Venier) (z. B. Firmen Reholz/Danzer) und „Cold-Bend Hardwood TM\ (Kaltgebogenes Hartholz) (Firma Pure Timber LLC) verwenden Modifikationen der Holzstruktur, Schwächen der Holzstruktur auf verschiedenen Maßstabebenen oder Änderungen bei der Schichtung im Sperrholz, um höhere Biegungen zu erzielen als sie mit nicht modifiziertem
Holz möglich sind. Obgleich diese Prozeduren das Biegen
Verfahren werden typisch für Kleinserienproduktion von
Kunst-, Möbel- und Ausstellungsstücken angewandt, Gebogene Holzteile können aus Standardmäßigen, geradlinigen leimkaschierten und querkaschierten
Holzrohlingen oder aus leicht gebogenen Teilen subtraktiv gefräst werden. Dies erzeugt eine Menge Abfallmaterial und führt zu Teilen, bei denen die
Holzfaserorientierung nicht auf die des gebogenen Teils ausgerichtet ist.
Ökologisch veranlasste Holzdoppelschichten und Holzkompositdoppelschichten sind in den letzten 5 - 10 Jahren eingehend untersucht worden (Holstov et al. 2015 & 2017; Menges & Reichert, 2012; Reichert at al. 2014; Rüggeberg & Burgert 2015, Vailati et al. 2017). Hier ist das Ziel Hochskalierung, die durch die einmalige Kombination von Materialeigenschaften des Holzes ermöglicht wird. Bis jetzt konnte ein Herstellungsverfahren für komplex geformte, mehrschichtige Holzkomponenten nicht wie gewünscht erreicht werden.
Außer Holzdoppelschichten zeigt US2016339627 ein weiteres Verfahren, das ein umformbares Material erreicht, umfassend ein Basismaterial mit einer natürlichen Form zusammen mit einem zweiten Material, das auf dem Basismaterial in einem bestimmten Muster angeordnet wird, um dem Basismaterial eine umgeformte Form aufzuzwingen, wobei die umgeformte Form von der natürlichen Form verschieden ist. Genauer ist das Basismaterial ein dehnbares, zweidimensionales Material und wird vor und während des Auftragens des zweiten
Materials einer Vorspannung unterzogen, worauf nach
Baumaterialien wie Holz.
In US2016240826 wird ein aktives, selbstumformbares Material offenbart, das ein flexibles Basismaterial mit einem aktiven Material umfasst, das auf oder innerhalb des flexiblen Basismaterials in einem spezifischen Muster angeordnet wird. Insbesondere sind das aktive Material und das Flexible Basismaterial in ihren Eigenschaften derart verschieden, dass das aktive Material auf einen externen Stimulusauslöser reagiert, der eine automatische Umformung des aktiven selbstumformbaren Materials in eine vorgegebene dreidimensionale umgeformte Form verursacht. Das Verfahren ist nur für flexible Basismaterialien erfolgversprechend, solange das Basismaterial auf eine bestimmte Weise auf einen externen Stimulusauslöser reagiert. Obgleich dieses Verfahren im Prinzip auf erste und zweite Holzschicht oder eine andere isotrope oder anisotrope vielschichtige Komponente angewandt werden könnte, würde es nicht erlauben, mehr komplexe Formen bei niedrigeren Kosten und weniger Abfall zu erreichen. Insbesondere involviert dieses Verfahren das Aufspalten des Materials in kleinere Fasern, was ein Nachteil für größere Teile ist, denn mehr Verarbeitung und zusätzliche Materialien sind erforderlich, um die Stärke
von Holz zu erreichen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein kostengünstigeres Herstellungsverfahren zu entwickeln, das dadurch ressourceneffizienter ist, dass es weniger Abfall produziert, während es geformte, laminierte faserbasierte Komponenten für verschiedene Anwendungen mit höheren Biegungen und komplexeren Formen auf reproduzierbare Weise herstellt. Experimente haben gezeigt, dass sogar die Formstabilität der geformten, laminierten, auf Pflanzenfasern basierten Komponenten mit diesem Verfahren verbessert werden könnte.
Eine weitere Aufgabe des Gegenstands der Erfindung besteht darin, ein Herstellungsverfahren zu liefern, das
Schalung vermeidet und kundenindividuelle
Massenproduktion zulässt. KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ein besseres Verständnis der verschiedenen Aspekte der Erfindung kann durch Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung zusammen mit den dazugehörigen, nachstehend kurz beschriebenen Zeichnungen gewonnen werden.
Figur 1 zeigt ein Schema der Herstellungsverfahren nach dem Stand der Technik für gebogene Balken und Schalen, umfassend Schneiden, Trocknen und verschiedene mechanische Form- und
Verleimungsschritte.
Figur 2 zeigt ein Schema eines Herstellungsverfahrens von geformten, laminierten, auf Pflanzenfasern basierten Komponenten von entweder isotropem oder anisotropem Material nach der Erfindung
mit einem Selbstformungsschritt.
Komponente aus Multi-Elementdoppelschicht und
ebenengleicher Schicht Zur endgültig geformten, laminierten, auf Pflanzenfasern basierten Komponente, Die inneren Linien
zeigen die Faserorientierung in den einzelnen,
auf Pflanzenfasern basierten Elementen.
Figur 4 zeigt
a) Multi-Schichtkonfigurationen, umfassend mindestens zwei geschnittene, auf Pflanzenfasern basierte Elemente mit angezeigter Faserorientierung in Jeder Schicht (Rotationswinkel),
b) Faserwinkeln zwischen jeder der auf Pflanzenfasern basierten
Elementschichten und
c) die resultierende Verformung der endgültigen, formgeänderten, laminierten, auf Pflanzenfasern basierten Komponente, die Biegen, Verdrehen und
Spiralendrehen erreicht.
Figur 5 zeigt ein Foto eines Prototyps einer mehrschichtigen, geformten, laminierten, auf Pflanzenfasern basierten Komponente, die mit dem beanspruchten Verfahren hergestellt wurde und sechs Doppelschichten aus Fichtenholz
umfasst.
Ein Herstellungsverfahren für geformte, mehrschichtige Komponenten wird beschrieben. Dieses Verfahren kann für verschiedene Materialien verwendet werden, die isotrope oder anisotrope Dimensionsänderungen auf verschiedene geeignete Eingabestimuli 2 hin zeigen. Mit Eingabestimuli 2 ist eine Änderung der umgebenden klimatischen Bedingungen, nämlich Temperatur und/oder Änderung der relativen Feuchtigkeit um die auf
Pflanzenfasern basierten Materialien herum gemeint.
ES sollte möglich sein, die Materialien in einer geschichteten Struktur herzustellen. Die folgende Beschreibung bezieht sich spezifisch beispielhaft auf
Materialien und Komposite auf Pflanzenfaserbasis, zum
Beispiel Holz, modifiziertes Holz (chemisch und physikalisch), holzbasierte Materialien, technische Holzprodukte, Holz-Kunststoffkompositmaterialien,
Zellulosekompositmaterialien, 3D gedruckte auf Holzfaser oder Zellulose basierte Materialien und Strukturen. Der Prozess führt zu komplex geformten, mehrschichtigen, auf Pflanzenfasern basierten Komponenten, besonders holzbasierten Komponenten. Die verwendeten, auf
Pflanzenfasern basierten Elemente müssen fest und starr
genug sein, um in den komplex geformten, mehrschichtigen, auf Pflanzenfasern basierten Komponenten zu resultieren, die später in der
Architektur zum Bau von Wohnungen und Decken oder zum Bau von Möbeln verwendet werden können. Die holzbasierten Elemente, insbesondere in Form von festen Schichten oder Platten formen laminierte, holzbasierte Multi-Elementkomponenten und die später geformten, gestapelten, mehrschichtigen, auf Pflanzenfasern basierten Baukomponenten., Insbesondere sind die Schicht oder Platten starr oder steif. Solche holzbasierten
Elemente sind in sich stabil und deshalb selbsttragend.
Eigenschaften nach Kontakt mit einem Leim.
Im Fall von Holz als Rohmaterial oder von auf Pflanzenfasern basierten Elementen können verschiedene Holzarten verwendet werden, und eine oder mehrere Holzarten können innerhalb einer Komponente oder eines Teils verwendet werden. In einem Fall kann eine Holzart
Buchenholz, in einem anderen Fall kann dies Fichtenholz
sein.
Figur 2 zeigt ein Schema eines schrittweisen Produktionsverfahrens, das zum Beispiel mit Holzstücken als Rohmaterial beginnt. Das Rohmaterial wird in Stücke geschnitten, die auf Pflanzenfasern basierte Elemente 0, 0' beziehungsweise holzbasierte Elemente 0, 0' mit verschiedenen bekannten Abmessungsänderungen in bekannten Richtungen bilden, wenn eine definierte Änderung der umgebenden klimatischen Bedingungen 2 angewandt wird. Für die gewählten, auf Pflanzenfasern basierten Elemente 0, 0' muss bei Anwenden von Stimulus 2 die resultierende Formänderung oder Biegung für die praktische Anwendung vorgegeben werden, um die gewünschten Ergebnisse zu erreichen. Die Vorgabe könnte nach einer Faustregel erfolgen oder von einer
Simulationssoftware errechnet werden.
Die auf Pflanzenfasern basierten Elemente 0, 0' sind Monoschichten, die entweder in Zz-Richtung (ebenenverschoben) des kartesischen Koordinatensystems oder in x,y-Richtung (ebenengleich) des kartesischen Koordinatensystems kombiniert werden und durch einen ersten Leim verbunden werden, um laminierte, auf Pflanzenfasern basierte Multi-Elementkomponenten 1 zu bilden, beziehungsweise eine laminierte, holzbasierte
Multi-Elementkomponente. Bei diesem
Anfangszustand oder in einem ersten Formungszustand geformt,
Falls die einzelnen, auf Pflanzenfasern basierten Elemente 0, 0' ebenenverschoben verbunden werden, werden Multi-Elementdoppelschichten 1’ geformt, wie in Figur 2
als ein Beispiel im Laminier- und Bondierschritt I gezeigt.
Die laminierten, holzbasierten Multi-Elementkomponenten 1 umfassen mindestens zwei zusammengefügte, auf Pflanzenfasern basierte Elemente 0, 0’, die lose, laminierte, holzbasierte Multi-Elementkomponenten 1 ohne Zwischenverbindung formen, die in einem anschließenden Selbstformungs-Formveränderungsschritt II
beziehungsweise Selbstformungsschritt II weiter verarbeitet werden.
Der angewandte Eingabestimulus 2 kann eine Änderung der relativen Feuchtigkeit (RH) mit oder ohne Temperaturänderung sein. Der Eingabestimulus führt zu einem bestimmten Feuchtigkeitsgehalt U. Es ist möglich, dass bei dem hier beschriebenen Verfahren ein erstes, auf Pflanzenfasern basiertes Element 0 anfangs bei Probenfeuchtigkeitsgehalt U1 äquilibriert wird, während das zweite, auf Pflanzenfasern basierte Element 0' bei einem Probenfeuchtigkeitsgehalt U1' %# uı äquilihbriert wird. Doch beide auf Pflanzenfasern basierten Elemente 0, 0' werden bei U2 äquilibriert nach einer Änderung in umgebender Eingabestimulus-2-Änderung im Selbstformungsschritt II.
Während der Selbstformungsschritt II ausgeführt wird,
findet die Änderung der Bedingungen in Bezug auf relative
Feuchtigkeit (RH1l) und/oder Temperatur (T1) in eine zweite Bedingung mit einer zweiten relativen Feuchtigkeit (RH2) und/oder einer zweiten Temperatur (T2) statt. Diese Bedingungsänderung wird Änderung von Stimulus 2 genannt, wobei die Proben aus einem Klima mit bestimmter Temperatur und relativer Feuchtigkeit in ein anderes Klima mit verschiedener relativer Feuchtigkeit und/oder Temperatur übertragen werden, was zu einer Erhöhung oder Abnahme des Probenfeuchtigkeitsgehalts von einem Anfangsprobenfeuchtigkeitsgehalt U1l, U1' bei einer Probentemperatur T1 auf einen zweiten Probenfeuchtigkeitsgehalt U2 und/oder eine zweite Probentemperatur T2 führt. Praktisch müssen wir beim Schichten von auf Pflanzenfasern basierten Elementen 0, 0' in z-Richtung nur den Feuchtigkeitsgehalt eines auf
Pflanzenfasern basierten Elements 0, 0' ändern.
Je nach dem Verhalten der auf Pflanzenfasern basierten Elemente 0, 0' bei einer bestimmten Bedingung und Eingabestimulus 2 wird der Feuchtigkeitsgehalt von der ersten Bedingung zu der zweiten Bedingung erhöht oder
herabgesetzt.
Aufgrund verschiedener dimensionaler Änderungen in einer Richtung während der Stimulus 2 von beiden zusammengefügten, auf Pflanzenfasern basierten Elementen 0, 0' geändert wird, ist die laminierte, holzbasierte Multi-Elementkomponente 1 selbstformend, was in einer Formänderung von —laminierten, holzbasierten MultiElementkomponenten 1 zu resultierenden formgeänderten, auf Pflanzenfasern basierten Komponenten 3 bei der
zweiten Bedingung RH2, T2 oder sonstigen führt.
Die Formänderung der laminierten, holzbasierten MultiElementkomponenten 1 wird durch Umwandlung von dimensionalen Änderungen der verschiedenen auf
Pflanzenfasern basierten Elemente 0, 0' in Reaktion auf
Änderungen des Eingabestimulus 2 in Formänderungen erreicht.
Diese formgeänderten, auf Pflanzenfasern basierten Komponenten 3 sind noch nicht miteinander verbunden. Diese Verbindung findet innerhalb eines abschließenden Stapel- und Befestigungsschritts III statt. Formgeänderte, laminierte, auf Pflanzenfasern basierte Komponenten 3 werden nach Wunsch direkt nach Behandeln mit der Stimulus-2-Änderung gestapelt und bilden Stapeln von geformten, laminierten, mehrschichtigen, auf Pflanzenfasern basierten Baukomponenten 4. Das Stapeln erfolgt in z-Richtung, wobei Stapeln von geformten, laminierten, auf Pflanzenfasern basierten Baukomponenten 4 geformt werden, die durch einen zweiten Leim und Vakuumlaminierung zusammengefügt werden. Außerdem können
Komponenten ebenfalls in x-y Richtung zusammengefügt werden.
Nach dem Stapel- und Befestigungsschritt III ist die Form der sich ergebenden geformten, laminierten, mehrschichtigen, auf Pflanzenfasern basierten Baukomponenten 4 dimensional stabil, selbst bei weiter geänderter Bedingung. Die resultierenden geformten, laminierten, mehrschichtigen, auf Pflanzenfasern basierten Baukomponenten 4 können zum Beispiel als Möbelteile, als kreuzlaminiertes Schnittholz (CLT) bei
Konstruktionen, Gebäuden oder im architektonischen Bereich verwendet werden.
Bis jetzt ist die dimensionale Instabilität von auf Pflanzenfasern basierten Elementen 0, 0' oder hölzernen Kunststoffelementen im Allgemeinen als ein Nachteil und eine Einschränkung gesehen worden und weniger als eine Möglichkeit Zur Anwendung von hölzernen Kunststoffelementen als eine Basis für geformtes
Baumaterial. Für das vorgeschlagene Verfahren sind
Kombinationen von mehr als einer Holzart möglich, wobei jede Art von Holzart geeignet ist, die dimensionale Änderungen, beispielsweise nach Änderungen ihres Holzfeuchtigkeitsgehalts oder des allgemeinen
Probenfeuchtigkeitsgehalts, aufweisen.
Das vorgeschlagene Verfahren ist insofern universell,
als dasselbe Verfahren verwendet werden kann, um fast jede Art von Endform der resultierenden geformten,
laminierten, mehrschichtigen, auf Pflanzenfasern basierten Baukomponenten 4 zu produzieren. Neue Komplexitätsstufen der Form können ohne extensives Fräsen erzielt werden. Im Gegensatz zu heutigen Techniken und Fertigungsverfahren für gebogene Holzkomponenten, wie in Figur 1 gezeigt, ist keine Schalung beim vorgeschlagenen Verfahren notwendig, wie in Figur 2 gezeigt, was Materialien und Kosten spart. In Fällen, bei denen starke Biegungen und komplexe Formen durch Formbiegen nicht erreicht werden konnten, ist extensives Fräsen angewandt worden. Damit werden große Mengen von Abfall erzeugt, doch es ist der einzige wirtschaftlich gängige Weg gewesen, um starke Biegungen zu erreichen. Dieses Fräsen wird durch das hier vorgeschlagene Verfahren weitgehend vermieden. Die Formänderung wird im Layout programmiert und durch Ändern des Feuchtigkeitsgehalts U (mit Trocknen oder Nässen) und danach Stapeln und Aneinanderbefestigen der formgeänderten, auf Pflanzenfasern basierten Komponenten 3 durch Laminieren im Stapel- und Befestigungsschritt
III erreicht.
Mit dem neuen Verfahren wird eine 3D-Form ohne extern angewandte Kräfte oder chemisches oder mechanisches Schwächen des Materials erreicht. Die selbstgeformten, formgeänderten, laminierten, auf Pflanzenfasern basierten Komponenten 3 sind gleichzeitig Teil und
Schablone für die Herstellung von geformten,
laminierten, mehrschichtigen, auf Pflanzenfasern basierten Baukomponenten 4.
In Figur 2 wird das Verfahren erklärt, wobei mit zwei auf Pflanzenfasern basierten Elementen 0, 0' begonnen wird, die verschiedene dimensionale Änderungen in derselben Richtung zeigen, wenn dieselbe Stimulus-2Änderung angewandt wird. Beide, auf Pflanzenfasern basierten Elemente 0, 0' werden ebenenverschoben in zRichtung zusammengefügt, um eine Multi-
Elementdoppelschicht 1' zu erhalten, gewöhnlich bei einer ersten Bedingung.
Verschiedene Doppelschichten 1' werden gezeigt, die in seitlicher Richtung (x, y-Richtung) verbunden werden können. Dann wird das Selbstformungsverfahren der MultiElementdoppelschicht 1' ausgeführt, während oder nachdem die externe Stimulus-2-Änderung angewandt worden ist. Hier werden die erste relative Feuchtigkeit RHE1 und die erste Temperatur T1, die einen ersten Probenfeuchtigkeitsgehalt U1 ergeben hatten, auf eine zweite relative Feuchtigkeit RH2 und die zweite Temperatur T2 abgeändert, die in einem zweiten Probenfeuchtigkeitsgehalt U2 resultieren. Hier wird der Probenfeuchtigkeitsgehalt auf U2 = 12 %& reduziert,
während T2 gleich T1 oder verschieden sein kamn.
Praktisch wird die Stimulus-2-Änderung mindestens eine Stunde beziehungsweise mehrere Stunden lang angewandt. Aus kommerziellen Gründen sollte die Stimulusänderung
insbesondere mindestens einige Stunden dauern.
Das Ergebnis des Selbstformungsschritts II nach der
Stimulus-2-Änderung ist hier eine formgeänderte
Doppelschicht 3. Eine Vielzahl einer solchen formgeänderten Doppelschicht 3' wird damn im Stapel- und Befestigungsschritt III verbunden, was zu einem
laminierten Doppelschichtstapel 4' führt, der insbesondere mit Vakuumlaminierung laminiert wird. Nach der Laminierung beziehungsweise dem Stapel- und Befestigungsschritt III kann die Bedingung geändert werden, solange die resultierenden geformten, laminierten, mehrschichtigen, auf Pflanzenfasern basierten Baukomponenten 4 in ihrer Form stabil sind. Wahlweise kann eine Vielzahl von formgeänderten Doppelschichten 3' in x, y-Richtung vor oder mit dem
Stapel- und Befestigungsschritt III verbunden werden.
Mit diesem Verfahren können Balken oder Platten produziert werden, die eine gewünschte Formänderung
aufweisen.
Bei einem Beispiel wurden ein Fichtenbalken 0 und ein Buchenbalken 0' mit verschiedenen Faserorientierungen verbunden. Beide Holzarten zeigen verschiedenes Verhalten, wenn die relative Feuchtigkeit geändert wird. Wenn die Faserorientierung von beiden Balken optimiert wird, wird der Buchenbalken größere dimensionale Änderungen in einer Richtung zeigen als der Fichtenbalken. Eine Multi-Elementdoppelschicht 1' zeigt eine Formänderung, die Für den stabilen Feuchtigkeitsgehalt U der zwei Elemente 0 und 0' konstant
bleiben wird, die hier als Balken geformt sind.
Wie in Figur 3 gezeigt, können neben der Balkenproduktion, wie in der linken Spalte gezeigt, auch Schalen und andere plattenartig geformte Formen produziert werden, wie in der rechten Spalte gezeigt. Zur Schalenherstellung wird eine Vielzahl von auf Pflanzenfasern basierten Elementen 0, 0' mit bekannten dimensionalen Änderungen während der Anwendung derselben Stimulus-2-Änderung im Laminier- und Bondierschritt I verbunden, womit laminierte, holzbasierte Multi-
Elementkomponenten 1 in Form einer ebenengleichen Multi-
Elementschicht 1“ aufgebaut werden. Während der Anwendung der Stimulus-2-Änderung von der ersten Bedingung (RHl, T1, Ul, ...) zur zweiten Bedingung (RH2, T2, U2, ...) im Selbstformungsschritt II wird die
ebenengleiche Multi-Elementschicht 1“ selbstgeformt und führt zur formgeänderten ebenengleichen Schicht 3“. Der gewünschten Schale entsprechend wird eine Vielzahl von formgeänderten, ebenengleichen Schichten 3“ während des anschließenden Stapel- und Befestigungsschritts III verbunden und damit die l1aminierte, ebenengleiche Schicht 4“ aufgebaut, die insbesondere mit Vakuumlaminierung laminiert wird.
Wie in Figur 3 gezeigt, können gebogene oder verdrehte Balken aus laminierten Doppelschichten 4' und Synklastische oder antiklastische Schalen mit Stapeln
von laminierten, ebenengleichen Schicht 4‘ hergestellt werden.
Dem Verfahren entsprechend kann jedes auf Pflanzenfasern basierte Element 1 aus einer, zwei oder mehr Schichten in Z-Richtung bestehen, die auf den Anfangsfeuchtigkeitsgehalt U1l äquilibriert worden sind. Eine externe Stimulus-2-Änderung wird angewandt, ehe die Schichten in flachem oder gebogenem Zustand gestapelt und aneinander befestigt werden. Jede Schicht kann aus einem oder mehreren Elementen bestehen, die seitlich aneinander befestigt sind. Es ist ebenfalls möglich, Teile aus zwei oder mehr Schichten herzustellen, wobei eine Schicht nur aus einem Element besteht und die Teile dann seitlich aneinander gebondet werden.
Die einzelnen, auf Pflanzenfasern basierten Elemente 0, 0’ innerhalb einer laminierten, holzbasierten Multi-
Elementkomponente 1 können verschiedene
Faserorientierung und verschiedene
Jahresringorientierung aufweisen, die zu verschiedenen
isotropen oder anisotropen dimensionalen Änderungen der verschiedenen auf Pflanzenfasern basierten Elemente 0 infolge des externen Stimulus 2 führen. Für doppelgeschichtete oder mehrfachgeschichtete Teile zeigen die einzelnen, kontinuierlichen Schichten verschiedene Faserorientierung (linke Spalte) mit einem Faserwinkel von 0 - 90° zwischen der Faserrichtung der Schichten. Darüber hinaus kann diese Winkeleinstellung von kontinuierlichen Schichten im Bereich von 0 - 180° in Bezug auf das Bezugskoordinatensystem der Holzkomponente rotiert werden (Rotationswinkel), wie in
Figur 4 gezeigt.
Die verschiedene Orientierung des Materials in den zwei Schichten 0, 0', die vom Faserwinkel Theta festgelegt wird, kann im Bereich einiger Grad bis zu 90° liegen. Die Orientierung des Materials in Bezug auf das Koordinatensystem des Teils, die durch den Rotationswinkel Phi festgelegt wird, kann im Bereich von 0° bis 180° liegen. Falls Theta= 90° und Phi= 0° oder 90° ist, wird reines Biegen erreicht, während für Theta=
90° und Phi= 45° oder -45° reines Verdrehen erreicht
wird. Andere Kombinationen führen zu kombiniertem Verdrehen und Biegen, wie in Fig. 4c), dritte Reihe, gezeigt.
Durch laterales Befestigen von Elementen als auch durch Stapeln und Befestigen von Schichten mit verschiedener Faserorientierung werden die anisotropen dimensionalen Änderungen in Formänderungen der MultiElementdoppelschicht 1' oder ebenengleichen MultiFlementschicht 1* nach Änderung des Feuchtigkeitsgehalts umgewandelt. Die Form der endgültigen Komponente kann unidirektionale Biegung, bidirektionale Biegung (negative (antiklastische) oder positive (synklastische) Gaußsche Biegung), Doppelbiegung, Verdrehung,
Kombinationen von Verdrehung und Biegung mit möglichen
seitlichen Kombinationen dieser Formänderungen innerhalb
einer Komponente aufweisen.
Figur 5 zeigt einen Prototyp 4' von 1,5 m Länge, 12 cm Breite und 20 cm Dicke, der aus sechs gebogenen, formgeänderten Doppelschichten 3 aus Fichtenholz hergestellt wurde. Jede formgeänderte Doppelschicht 3' besteht aus einem 20 mm dicken und einem 10 mm dicken Brett mit R- und L-Orientierung jeweils parallel zu der langen Achse des Balkens, zwei Fichtenbretter (LOrientierung) mit einer Dicke von 10 mm wurden auf der Innenseite und Außenseite hinzugefügt; Durchschnittsradius von 2 m; Biegung wurde durch eine Stimulus-2-Änderung des Proben/Holzfeuchtigkeitsgehalts von 20 % auf 9 % erreicht. Als Leim wurde ein auf
Polyurethan basierter Leim verwendet.
Formänderung von Multi-Elementdoppelschicht 1' ist erfolgreich für Größen bis zu 40 mm Dicke, 220 cm Länge und 500 cm Breite und für Unterschiede im Proben/Holzfeuchtigkeitsgehalt als Stimulus-2-Änderung bis zu 11 % nachgewiesen worden. Eine solche MultiElementdoppelschicht 1' führte dazu, dass gebogene, formgeänderte Doppelschichten 3' gestapelt und laminiert wurden, um ein gebogenes Holzteil 4' zu erhalten, bei
dem die Form durch Stapeln und Laminieren festgelegt wurde,
Trocknen von Doppelschichten zum Finführen einer Formänderung durch Ausführen des Selbstformungsschritts IL ist bei einer Temperatur von 55 °C in einer ventilierten Klimakammer für beschleunigtes Trocknen, ähnlich milden Ofentrocknungsbedingungen, erfolgreich durchgeführt worden. Auch erfolgreiche Formänderungen
bei 70 °C wurden bei anderen Beispielen durchgeführt.
Die erhaltenen Biegungsänderungen waren denjenigen vergleichbar, die bei Raumtemperatur nach Verfahren des stands der Technik ohne jeden sichtbaren Schaden durch Leimversagen bei dieser Temperatur erhalten wurden.
Eine Vorhersage der Biegung ist mit einer nur 10 % Abweichung von der experimentell bestimmten Biegung erreicht worden. Scannen von Holz und digitales Design
sind bereits vorgeführt worden.
Zum Befestigen von auf Pflanzenfasern basierten Elementen 0 und geformten, geänderten, auf Ppflanzenfasern basierten Komponenten 2 kann jede Art von
Befestigungstechnik angewandt werden wie zum Beispiel - Bonden mit geeigneten Leimen,
- mechanisches Befestigen wie mit Bolzen, Schrauben
oder Kabeln,
- mechanisches Verbinden zum Beispiel mit
Fingergelenken, Schweißen, Nähen, Heften etc.;
im Fall von Bonden mit Leimen kann der während des Bondens erforderliche Druck entweder durch eine Pressmaschine (£ür flache Teile), durch
Vakuumlaminierung oder durch Schraubenklemmung
ausgeführt werden.
Die einzelnen, formgeänderten, auf Pflanzenfasern basierten Komponenten 3, die gestapelt und aneinander befestigt werden, um die endgültigen geformten, laminierten, mehrschichtigen, auf Pflanzenfasern basierten Baukomponenten 4 zu erhalten, werden entweder in flachem Zustand oder in einem anfänglich gebogenen
Zustand bei einem spezifischen Feuchtigkeitsgehalt U1
hergestellt, auf den sie unter Bedingung RHl und T1 äquilibriert worden sind.
Im abschließenden Schritt werden die Teile aufeinander und/oder seitlich zueinander gestapelt und befestigt, um die endgültige, komplex geformte Komponente 4 zu erhalten, Durch Stapeln dieser Teile 3 und Aneinanderbefestigen wird jede weitere Formänderung der Teile 3 und der endgültigen Komponente 4 in Reaktion auf Änderungen der umgebenden relativen Feuchtigkeit weitgehend verhindert, und die endgültige mehrschichtige Komponente 4 behält ihre endgültige, programmierte Form
unabhängig von der umgebenden relativen Feuchtigkeit.
Die Formänderung der laminierten, holzbasierten MultiElementkomponenten 1 von ihrem anfänglichen Zustand während der Herstellung zur endgültigen Form wird durch Ändern des Feuchtigkeitsgehalts der Holzteile durch Ändern der umgebenden relativen Feuchtigkeit und/oder Temperatur erreicht. Holz kann zum Beispiel bei einem hohen Feuchtigkeitsgehalt ohne vorheriges technisches (Ofen)-Trocknen in Produktion genommen werden. Das übliche Ofentrocknungsverfahren zum Erreichen von Verfahrens- und Betriebsbedingungen kann genutzt werden,
um die programmierte Formänderung der Teile 1 zu erreichen.
Es ist ebenfalls möglich, das neue Verfahren mit den herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von gebogenen Strukturen zu kombinieren. Hierbei dient eine selbstverfornmte, formgeänderte, laminierte, auf Pflanzenfasern basierte Komponente oder ein geformtes Laminat als eine Schablone für die endgültige, komplex geformte Komponente, Weitere Schichten oder Teile werden dann durch elastisches Kalt- oder Warmbiegen an dieser Schablone befestigt, um die endgültige, komplex geformte Komponente zu erhalten. Diese Kombination lässt eine
schalungsfreie Herstellung Zu, wobei sie ebenfalls die Herstellung von brettschichtholzartigen Strukturen mit unidirektional orientierten Fasern erlaubt. Sie wird brettschichtholzartige Struktur genannt, da mindestens eine Schicht mit kreuzorientierten Fasern als Teil der
anfänglichen Schablonendoppelschicht vorhanden ist.
Auf Pflanzenfasern basierte Elemente 0, 0‘ und resultierende geformte, laminierte, auf Pflanzenfasern basierte Komponenten 4 können mit Hilfe einer geeigneten Befestigungstechnik aneinander befestigt werden, die die notwendige Formänderung, die Umweltbedingungen und die entstehenden inneren Stresse in der komplexen geformten Komponente 4 während der Nutzungsdauer zulässt und durchsteht. Eine solche Befestigungstechnik kann durch Bonden unter Anwendung eines geeigneten Leims, mechanisches Befestigen mit Schrauben oder Bolzen, mechanisches Verbinden z. B. durch Fingergelenke, Nähen, Heften, Schweißen etc. ausgeführt werden, doch ist nicht darauf beschränkt. Im Falle einer Basierung auf pflanzenfasern wird das Bonden mit Leim unter Anwendung irgendeines geeigneten, für Holz spezifizierten Leims durchgeführt, der zum Bonden von Holz unter besonderer Berücksichtigung des spezifischen Probefeuchtigkeitsgehalts der Elemente, Schichten, Teile und Komponenten zur Zeit des Bondens geeignet und spezifiziert ist. In einem Fall kann dies ein Ein-
Komponenten-Polyurethanleim (1K-PUR) sein. Änderung der umgebenden Klimabedingung
Ein Eingabestimulus in Form einer Änderung der umgebenden Klimabedingung 2 wird angewandt, der zu dimensionalen Änderungen des Materials führt. Im Fall von auf Pflanzenfasern basierten Elementen kann der Eingabestimulus 2 die umgebende relative Feuchtigkeit,
die Temperatur oder eine Kombination von beiden sein.
Die Eingabestimulusänderungen führen zu Änderungen beim Feuchtigkeitsgehalt und daher zu anisotropen
dimensionalen Änderungen.
Experimente zeigten gute Resultate, starteten mit einem Anfangsfeuchtigkeitsgehalt U1l zwischen 0 - 30 % und
endeten mit U2 zwischen 5 % und 15 % oder einem AU zwischen 2 % und 15 &.
Ein typischer Temperaturbereich zwischen T1 und T2 liegt
zwischen 10 °C und 60 °C, wobei eine Zunahme oder Abnahme möglich ist.
Die Zeitskala des Verfahrens, beziehungsweise die Eingabestimulusänderung, liegt vornehmlich im Bereich von einigen Stunden und wir vornehmlich vier Stunden lang angewandt, Natürlich kann die Selbstformungsformänderung II mindestens ein Tag oder mehrere Tage dauern.
Das hier beschriebene Verfahren erfordert Vorhersagen der Formänderung von auf Pflanzenfasern basierten Elementen 0, 0, beziehungsweise laminierten, holzbasierten Multi-Elementkomponenten 1, was Erfahrung oder eine Simulationssoftware und ein Scannen und Sortieren des Holzes erfordert, da die Formänderung von der Jahresringorientierung und Faserrichtung abhängt. Der Planungsprozess kann komplexer werden, da digital entworfene Teile möglicherweise spezifischen Bereichen auf Holzbrettern zugewiesen werden müssen. Holz ist ein biologisches Material mit intrinsischer Variabilität der Eigenschaften, die die Vorhersagbarkeit beeinflussen, und dies ist daher zu berücksichtigen, um annehmbare Grenzen bei der Genauigkeit z. B. der Biegung festzulegen und um das digitale Konstruktionswerkzeug und das
industrielle Herstellungsverfahren einzurichten. Die auf
Pflanzenfasern basierten Elemente 0, 0' können Naturholz
und holzbasierte Komposite umfassen.
Experimente zeigten, dass die Schritte II und IIL ebenfalls bei einzelnen, auf Pflanzenfasern basierten Elementen 0 angewandt werden können, bevor sie mit anderen verbunden werden. In diesem Fall besteht die eine Schicht des auf Pflanzenfasern basierten Elements O0 aus einem Gradientenmaterial, das einen allmählich verschiedenen Koeffizienten der dimensionalen Änderung
entlang mindestens einer Richtung aufweist, um eine
Formänderung zu erreichen. Die auf Pflanzenfasern basierten Elemente 0 werden nach dem Selbstformungsschritt II mit dem Stapel- und Befestigungsschritt III verbunden, wie oben beschrieben, und bilden Stapeln von geschichteter, laminierter Doppelschicht 4‘. Wiederum wird der
Selbstformungsschritt II durch eine Stimulus-2-Änderung von einem anfänglichen Zustand in einen resultierenden 7ustand ausgeführt, während die auf Pflanzenfasern basierten Elemente 0 anfänglich flach oder anfänglich gebogen sein mögen und programmierte Formänderungen durchlaufen, um den komplexen, geformten Endzustand nach Änderung eines geeigneten Eingabestimulus 2 zu erreichen. Das Stapeln und Befestigen der Teile, um die endgültige Komponente zu erhalten, verhindert jede weitere Formänderung der Komponente während der Nutzungsdauer. Die Form der endgültigen Komponente kann unidirektionale Biegung, bidirektionale Biegung (negative oder positive Gaußsche Biegung), Doppelbiegung, Verdrehung aufweisen, wobei Kombinationen von Verdrehung und Biegung mit verschiedenen Positionen innerhalb der Komponente möglicherweise verschiedene Biegung in möglicherweise verschiedenen Richtungen aufweisen. Die gestapelten Teile haben kompatible Biegungszustände für Stapeln und Befestigen, doch können
in Größe und Geometrie verschieden sein.
Biegung zu erreichen.
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LISTE DER BEZUGSZAHLEN
0, 0’ auf Pflanzenfasern (beziehungsweise Holz) basiertes Element
1 Laminierte, holzbasierte MultiElementkomponente (Anfangsbedingung)
1! Multi-Elementdoppelschicht (ebenenverschoben in z-Richtung zusammengefügt)
1“ Ebenengleiche Multi-Elementschicht (in x, Y Richtung zusammengefügt)
2 Änderung der umgebenden klimatischen Bedingung / Stimulus (AT, ARH)
3 formgeänderte, laminierte, auf Pflanzenfasern
basierte Komponente
3! Formgeänderte Doppelschicht 3“ Formgeänderte ebenengleiche Schicht 4 geformte, gestapelte, mehrschichtige,
holzbasierte Baukomponente (insbesondere auf
Pflanzenfaserbasis)
4' (Vakuum) -laminierte Doppelschicht (Stapeln)
4“ (Vakuum) -laminierte, ebenengleiche Schicht (Stapeln)
I Laminier- und Bondierschritt
II Selbstformungsschritt
III Stapel- und Befestigungsschritt

Claims (1)

  1. Herstellungsverfahren für geformte, gestapelte, mehrschichtige, holzbasierte Baukomponenten (4) von
    holzbasierten Elementen (0, 0'), dadurch gekennzeichnet, dass:
    - zuerst holzbasierte Elemente (0, 0') in einem Laminier- und Bondierschritt (I) bei erster anfänglicher klimatischer Bedingung mit relativer Feuchtigkeit (RH1) und Anfangstemperatur (T1) zusammengefügt werden, was zu einem Anfangsfeuchtigkeitsgehalt (U1, U1') der holzbasierten Elemente (0, 0') führt, wobei der Laminier- und Bondierschritt (I) ebenengleich oder ebenenverschoben durchgeführt wird, um laminierte, holzbasierte Multi-Elementkomponenten (1) zu erhalten, was entweder zu Multi-Elementdoppelschichten (1') oder ebenengleichen Multi-Elementschichten (1“) führt,
    während ein Bonden der holzbasierten Elemente (0,
    0’) mit Bondiertechnik angewandt wird, gefolgt von
    - einem Selbstformungsschritt (II) von laminierten, holzbasierten MultiElementkomponenten (1', 1%),
    während eine Änderung des Eingabestimulus (2) in Form einer Änderung von umgebenden klimatischen Bedingungen ausgeführt wird, die sich von Anfangsbedingung mit relativer Anfangsfeuchtigkeit (RH1) und Anfangstemperatur (T1) auf Endbedingung mit relativer Endfeuchtigkeit (RH2) und
    Endtemperatur (T2) ändern, was zu einem
    Feuchtigkeitsänderung (AU) zwischen 1 % und 30 % und/oder einer Temperaturänderung (AT) zwischen 10 °C und 70 °C führt und in formgeänderten Doppelschichten (3') oder formgeänderten,
    ebenengleichen Schichten (3“) resultiert,
    und einem nachfolgendem
    - Stapel- und Befestigungsschritt (III) einer Vielzahl von formgeänderten Doppelschichten (3') oder formgeänderten, ebenengleichen Schichten (3%) bei Endbedingung mit relativer Endfeuchtigkeit (RH2) und Endtemperatur (T2), die geformte, gestapelte, mehrschichtige, holzbasierte Baukomponenten (4) formen, die mindestens ungefähr ihre Form bei einer Temperatur und/oder Feuchtigkeit beibehalten, die von der Endtemperatur (T2) und relativen
    Endfeuchtigkeit (RH2) verschieden sind.
    Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, wobei der Stapel- und Befestigungsschritt (III) durch eine Bondiertechnik erfolgt, die einen Leim und ein
    Vakuumlaminierungsverfahren verwendet.
    Herstellungsverfahren nach einem der vorstehenden
    Ansprüche, wobei mindestens zwei holzbasierte Elemente (0, 0") in einem Laminier- und Bondierschritt (I) bei Anfangsfeuchtigkeitsgehalt (UL, U1') und/oder Anfangstemperatur (T1) ebenenverschoben in einer z-Richtung eines kartesischen Koordinatensystems zusammengefügt werden, um Multi-EFlementdoppelschichten (1') zu erhalten, ehe der Selbstformungsschritt (II) ausgeführt wird, während eine Änderung von umgebenden klimatischen Bedingungen (2) in
    in z-Richtung des kartesischen Koordinatensvystems im Stapel- und Befestigungsschritt (III) bei Endfeuchtigkeitsgehalt (U2) und/oder Endtemperatur (T2) der Doppelschichten (3') gestapelt und ebenenverschoben befestigt wird, um gestapelte und befestigte laminierte Doppelschichtstapeln (4') zu erhalten.
    Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei mindestens zwei holzbasierte Elemente (0, 0') in einem Laminier- und Bondierschritt (I) bei erster Bedingung des Feuchtigkeitsgehalts (U1) und/oder Anfangstemperatur (T1) ebenengleich in einer X, y-Richtung eines kartesischen Koordinatensystems zusammengefügt werden, um eine ebenengleiche Multi-Elementschicht (1) zu erhalten,
    ehe der Selbstformungsschritt (II) ausgeführt wird, während die Änderung von umgebenden klimatischen Bedingungen (2) in formgeänderter ebenengleicher Schicht (3“) resultiert, wobei eine Vielzahl von formgeänderter, ebenengleicher Schicht (3“) nachfolgend gestapelt und ebenenverschoben in einer Z-Richtung und/oder ebenengleich in einer x, yvRichtung eines kartesischen Koordinatensystems im Stapel- und Befestigungsschritt (III) bei Endfeuchtigkeitsgehalt (U2) und/oder Endtemperatur (T2) der formgeänderten, ebenengleichen Schichten (3%) gestapelt und befestigt wird, um gestapelte und befestigte, laminierte, ebenengleiche Schichtstapeln (4*“) zu erhalten.
    Ansprüche, wobei während der Anwendung des
    Selbstformungsschritts (II) der Anfangsfeuchtigkeitsgehalt (U1) der laminierten, holzbasierten Multi-Elementkomponente (1, 1', 1“)
    Q
    zwischen 0 % und 30 % ‚, insbesondere auf einen Endfeuchtigkeitsgehalt (U2) zwischen 5 % und 20 % geändert wird, was zu einer Feuchtigkeitsänderung
    Q
    (AU) zwischen 1 % und 20 % führt.
    Herstellungsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die geformten, gestapelten,
    mehrschichtigen, holzbasierten Baukomponenten (4)
    aus im Anfangszustand flach geformten, holzbasierten Elementen (0) oder flach geformten laminierten, holzbasierten Multi-
    Elementkomponenten (1) hergestellt werden, die durch den Selbstformungsschritt (IX) verformt werden, während umgebende klimatische Bedingungen von Anfangsbedingung (T1, RH1) auf Endbedingung (T2, RH2) geändert werden.
    Herstellungsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Temperatur während des Selbstformungsschritts (II) von Anfangstemperatur (T1) auf Endtemperatur (T2), T1 < T2, erhöht wird.
    Herstellungsverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Eingabestimulus (2) in Form einer Änderung der umgebenden klimatischen Bedingungen während des Selbstformungsschritts (IT) auf eine festgelegte Weise für mindestens eine bis
    einige Stunden, insbesondere für vier Stunden,
    angewandt wird.
    Herstellungsverfahren nach einem der vorstehenden
    Ansprüche, wobei die holzbasierten Elemente (0, 0')
    Fichtenholz und holzhaltige Komposite wie Sperrholz
    sind.
ATA9119/2019A 2018-03-21 2019-03-19 Herstellungsverfahren für geformte, gestapelte, mehrschichtige, holzbasierte Baukomponenten AT523035B1 (de)

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