DE102005052440A1 - Verfahren zum Herstellen von zwei- oder dreidimensional warm umgeformten Werkstücken aus Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff - Google Patents
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- B27—WORKING OR PRESERVING WOOD OR SIMILAR MATERIAL; NAILING OR STAPLING MACHINES IN GENERAL
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Abstract
Verfahren
zum Herstellen von zwei- oder dreidimensional warm umgeformten Werkstücken aus Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff,
der aus vorwiegend lignozellulosehaltigen Teilchen (zum Beispiel
Holz oder Agrofasern), sowie aus Polymeren als Matrix durch einen
Form gebenden Prozess zu einem Verbundwerkstoff hergestellt wurde,
dadurch gekennzeichnet, dass
a) man Wärmeenergie zuführt,
b) den Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff umformt,
c) das Werkstück auskühlt.
a) man Wärmeenergie zuführt,
b) den Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff umformt,
c) das Werkstück auskühlt.
Description
- Da es noch keine in Deutschland gültige Norm zur Begriffs-Definition von Holz-Kunststoffverbundwerkstoffe gibt, findet die am Tag der Anmeldung allgemein gebräuchliche Fassung der Österreichischen Norm (ÖNORM 2005) Anwendung:
„Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff
en Wood plastic composite (WPC)
Werkstoff, der aus vorwiegend lignozellulosehaltigen Teilchen (z.B. Holz, Agrofasern), sowie aus Polymeren als Matrix durch einen Form gebenden Prozess zu einem Verbundwerkstoff hergestellt wird.
Die dabei erzielbaren Masseanteile am fertigen Produkt an Lignozellulosematerial liegen in der Regel zwischen 25 % und 85 %." - Typischerweise bestehen Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe in Deutschland und Mitteleuropa aus einem Holzfaser- oder -mehlanteil von 50 % bis 90 % und einer Kunststoffmatrix aus teilkristallinen Polypropylen (PP) oder weniger häufig aus Polyethylen (PE). Mischungen mit anderen Kunststoffen (z.B. PVC und ABS) und Bio-Kunststoffen sind technisch möglich, jedoch wenig verbreitet.
- Die Vorteile gegenüber Vollholz sind die freie, dreidimensionale Formbarkeit des Werkstoffs und die größere Feuchteresistenz. Gegenüber synthetischen Kunststoffen bieten Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe eine höhere Steifigkeit und einen deutlich geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten.
- Die reduzierte Abhängigkeit vom endlichen Rohstoff Erdöl prägt das natürliche Image des Materials und beschleunigt bei weiter steigenden Rohstoffpreisen der konventionelle Kunststoffe den Markteintritt für Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe.
- Ein allgemein akzeptierter deutscher Begriff hat sich bislang nicht etablieren können, daher wird üblicher Weise die englische Abkürzung WPC (Wood-Plastic-Composite) verwendet. (vgl. nova 2005)
- Es ist bekannt, Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe aus Granulat oder losen Bestandteilen in formgebenden Prozessen zu Endprodukten oder Halbzeugen zu verarbeiten. Die bisher üblichen Verfahren sind Extrusion und Spritzgießen.
- Durch Extrusion sind nur auf Profile beschränkte, gradlinige Querschnitte herstellbar. Spritzgießen erlaubt hingegen die Produktion nahezu aller Körperformen. Die Dimensionierung der Werkzeuge sowie der Einpress-Vorgang setzen jedoch frühzeitig technische Grenzen. Zudem sind die Werkzeugkosten sehr hoch. Die Fertigung von Einzelstücken und Kleinserien ist unwirtschaftlich. Großdimensionierte Bauteile sind nicht realisierbar. Geringe Wandstärken lassen sich auf Grund des Verarbeitungsprozesses nur begrenzt produzieren.
- Das beschriebene Verfahren ist in der Kunststoff-Verarbeitung als Thermoformen beschrieben (vgl. Michaeli 1999). Neu ist die Überleitung und Modifikation des Verfahrens aus der Kunststofftechnik in die Holztechnik für den neuartigen Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff.
- Zwei- und dreidimensionale Umformungen sind für viele Anwendungen im Bauwesen, im Möbelbau aber auch im Innenausbau und in der Innenausstattung von Kraftfahrzeugen, Schiffen und Flugzeugen unverzichtbar. Diese Anwendungsbereiche sind bisher den Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffen und darüber hinaus allen Holzwerkstoffen aus Fasern oder Spänen verschlossen. Es kommen entweder formverleimte oder feucht-heiß gebogene Furniere und Massivhölzer (z.B. Buche) zum Einsatz, oder konventionelle Kunststoffe und Metalle.
- Dem im Patentanspruch angegebenen Verfahren liegt das Problem zugrunde, die beschränkten Formgebungsprozesse der bisherigen Produktionsprozesse von Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffen zu erweitern und so neue Anwendungsbereiche für Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe und Holzwerkstoffe im Allgemeinen zu ermöglichen.
- Diese Problematik wird durch die im Patentanspruch aufgeführten Merkmale
- a) Zuführen von Wärmeenergie
- b) Umformen des Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffs
- c) Auskühlen des Werkstoffs
- Die Warmumformung von Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffen ermöglicht völlig neue Einsatzbereiche für diese Werkstoffgruppe und für Holzwerkstoffe allgemein, die bisher Halbzeugen aus Metall oder konventionellem Kunststoff vorbehalten waren.
- Die mit diesem Verfahren erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass statt einer Vielzahl von dünnen Furnieren oder Leisten nur eine einzelne Platte oder Leiste umgeformt werden muss. Weiter zeit- und arbeitsintensive Prozesse zum Verbinden der einzelnen Lagen, wie bei traditionellen Holzwerkstoffen, Massivholzleisten und Furnier üblich, sind damit nicht mehr erforderlich.
- Des Weiteren sind die geringeren Drücke vorteilhaft gegenüber spritzgegossenen oder extrudierten Werkstücken während des Verarbeitungsprozesses. In den obigen Verfahren wird Druck nur in eine Flussrichtung des Materials aufgebaut, während beim Warmumformen die gesamte Oberfläche beaufschlagt wird. Die Struktur der Holzbestandteile wird so deutlich weniger geschädigt und die positiven Eigenschaften, insbesondere mechanische Festigkeiten, bleiben erhalten. Eine stärkere Schädigung der Holzbestandteile als beim Spritzgießen oder Extrudieren durch das (erneute) Erwärmen ist nicht zu erwarten: Die Verarbeitungstemperaturen für Warmverformungen von den üblicherweise eingesetzten Kunststoffen PE und PP liegen deutlich unter denen für Spritzgießen und Extrusion:Tabelle: Verarbeitungstemperaturen von Kunststoffen (Franck 2000)
- Mehrere technische Umsetzungen des Verfahrens sind in den Patentansprüchen 2 bis 4 beschrieben. Insbesondere die geschilderte Verformung mittels Umformtechniken mit Heißlust und mit vorgeheizten Werkzeugen lässt die serienmäßige, industrielle Produktion erwarten. Das Erwärmen mittels Heißluft und händisches Verformen oder Biegen über eine Walze ermöglicht weite Einsatzbereiche im holz- und kunststoffverarbeitenden Handwerk.
- Weitere Hinweise zum Verfahren werden im Folgenden gegeben:
Der Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff wird bis zur spezifischen Erweichungstemperatur des beinhalteten Kunststoffes hinaus erhitzt, jedoch nicht unnötig höher, um die Holzbestandteile nicht zu schädigen. Wegen ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit müssen die Werkstücke langsam und gleichmäßig erwärmt werden. Soll ein komplettes Werkstück erwärmt und umgeformt werden, eignen sich Heizschränke oder Temperieröfen, bei tafelförmigen Werkstoffen auch beheizte Platten. Zur Umformung in einzelnen Bereichen genügt ein Heißluftgebläse. Beim Biegen und Abkanten sollte die erwärmte Zone mindestens sechsmal so breit sein wie die Platte dick ist; der minimale Biegeradius ist zwei- bis dreimal so groß wie die Plattendicke zu wählen. - Problematisch kann das plötzliche Austreten von Wasserdampf ab 100°C sein, welches sich je nach Außenklima in den Holzbestandteilen einlagert. Bei zu großer Feuchtigkeit muss der Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff zunächst getrocknet werden. Zudem kann die im Material gebundene Feuchtigkeit zu Trübungen oder Blasenbildung im umgeformten Bereich führen.
- Im Bereich der Erweichungstemperaturen wird der Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff weich und gummi-elastisch. Die Elastizität geht durch den Holzanteil jedoch nicht so weit, wie es von herkömmlichen thermoplastischen Kunststoffen bekannt ist. Der Umformprozess muss daher langsamer und mit weniger Zug erfolgen.
- Der Werkstoff kann innerhalb der Erweichungstemperatur-Zone mechanisch oder händisch verformt werden. Die Polymermoleküle sind zu diesem Zeitpunkt in der Lage, Segmentweise Platzwechsel vorzunehmen und sich unter Belastung zu entknäueln. Bei Entlastung sind sie jedoch bestrebt, die ursprüngliche Lage wieder einzunehmen, was zur Rückstellung des Werkstücks führen kann. Um diesem Rückstellbestreben entgegenzuwirken, muss das Werkstück nach dem Umformen im belasteten Zustand bleiben und auskühlen.
- Das Besprühen mit Wassernebel oder andere Kühlmaßnahmen beschleunigen zwar den Prozess, bergen aber gewisse Risiken: Es kann zu Abkühlspannungen führen, die zumindest bei höherwertigen Anwendungen vermieden werden sollten. Um die Wasseraufnahme durch die Holzbestandteile zu vermeiden, muss Oberflächenwasser mit Zellstoff oder Textilien aufgenommen werden.
- Literaturangabe
-
- Franck, Adolf (2000): Kunststoffkompendium, 5. neubearb. u. erw. Aufl., Würzburg, Vogel, 2000, S. 304
- Michaeli, Walter (1999): Einführung in die Kunststoffverarbeitung, 4. erw. Aufl., München/Wien, Hanser, 1999, Seite 179 ff
- nova (2005): Studie Wood-Plastic-Composites (WPC) Märkte in Nordamerika, Japan und Europa mit Schwerpunkt auf Deutschland; Technische Eigenschaften – Anwendungsgebiete – Preise – Märkte – Akteure, Juni 2005, Hürth
- ÖNORM (2005): Österreichische Norm, B3030 (Entwurf), 01.08.2005, Kapitel 3: Begriffe, Seite 3
- Einige Ausführungsbeispiel des Verfahrens sind im Folgenden dargestellt:
- 1)
Um 90° gebogene
Leiste (
1 ): Eine 6 mm starke Leiste aus Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff wird beidseitig mittels Heißluft erwärmt, über eine Walze mit glatter Oberfläche gebogen und anschließend durch Wassernebel abgekühlt. Die Feuchtigkeit wird sofort mit Zellstoff aufgenommen. Anwendungsgebiete liegen unter anderem im Möbelbau (z.B. gebogene Möbelfronten oder -seiten). - 2) Über
die Länge
um 90° verdrehte
Leiste (
2 ): Eine 3 mm starke Leiste aus Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff wird einseitig in ein festes Lager eingespannt, auf der anderen Seite in einem losen Lager fixiert, mittels Heißluft allseitig erwärmt, mechanisch verwunden und anschließend in dieser Position langsam abgekühlt. Anwendungen finden sich in aussteifenden Konstruktionselementen. - 3) Zweidimensional verformtes Modell eines Stuhles (
3 ): Eine 2,5 mm starke Leiste aus Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff wird gemäß Entwurf eingeschnitten, mittels Heißluft punktuell erwärmt, händisch verformt, durch Wassernebel abgekühlt und an den weiteren Punkten wieder erwärmt und umgeformt. Die Übertragung auf die Fertigung tatsächlicher Sitzmöbel ist zu erwarten, zumindest für Elemente wie Sitzschalen, Armlehnen und anatomisch geformte Rückenlehnen. Einsatzbereiche im Architektur- und Möbel-Modellbau sind offensichtlich. - 4) Dreidimensional verformte, schalenförmige Platte (
4 ): Eine 2,5 mm starke Platte aus Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff wird in einem Ofen temperiert, auf eine Hohlform aufgelegt, durch Druck mit einer zylindrischen Gegenform langsam mechanisch verformt und in diesem Zustand abgekühlt. Das Verfahren lässt sich auf viele Anwendungen in der Serienfertigung übertragen.
Claims (4)
- Verfahren zum Herstellen von zwei- oder dreidimensional warm umgeformten Werkstücken aus Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff, der aus vorwiegend lignozellulosehaltigen Teilchen (zum Beispiel Holz oder Agrofasern), sowie aus Polymeren als Matrix durch einen Form gebenden Prozess zu einem Verbundwerkstoff hergestellt wurde, dadurch gekennzeichnet, dass a) man Wärmeenergie zuführt, b) den Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff umformt, c) das Werkstück auskühlt.
- Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmeenergie a) mittels Heißluft zugeführt wird. b) mittels Wärmestrahler zugeführt wird. c) mittels beheizter Platten zugeführt wird. d) mittels beheizter Werkzeuge oder beheizter Formen zugeführt wird. e) mittels Infrarotstrahlung zugeführt wird. f) mittels einer erhitzte Flüssigkeit zugeführt wird. g) mittels einer offene Flamme zugeführt wird.
- Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff a) über eine Walze umgeformt wird. b) in eine Vorrichtung eingespannt und längs verdreht wird. c) händisch mittels Muskelkraft umgeformt wird. d) durch Vakuum oder Druckluft verformt wird. e) mittels einer mechanischen Presse und einer Form umgeformt wird. f) mittels einer hydraulischen Presse und einer Form umgeformt wird. g) mittels Biegeschablone umgeformt wird. h) mittels über eine zylindrische Form (z.B. Ziehstempel) herübergeformt wird. i) im Umformprozess gestreckt wir.
- Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück a) durch einen natürlichen Luftstrom auskühlt. b) durch einen künstlichen Luftstrom auskühlt. c) durch eine zerstäubte Flüssigkeit gekühlt wird. d) durch eine Flüssigkeit gekühlt wird. e) durch eine kühle Form abgekühlt wird.
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