Doktoratsinitiative "DokIn'Holz"

Holz - Mehrwertstoff mit Zukunft

H3: Grundlagen für einen neuen mechanischen Holzaufschluss als Basis für verbesserte bzw. neue Holzwerkstoffe und Engineered Wood-Products

Dissertant:Alejandro MARTINEZ-CONDE (BOKU)
Betreuer:Ulrich MÜLLER (BOKU)
Ko-Betreuer:

Johannes KONNERTH (BOKU)

Alfred TEISCHINGER (BOKU)

Wirtschaftspartner:

DOKA Industrie GmbH

Fritz Egger GmbH & Co. OG

Kooperationsplattform FHP

Springer Maschinenfabrik AG

Hintergrund und Zielsetzung

Für praktisch alle Verarbeitungs- und Prozessketten muss der Rohstoff Holz mechanisch aufgeschlossen (zerkleinert bzw. zerlegt) werden. Dafür haben sich in der Maschinen-, Werkzeug- und Anlagentechnik etablierte Technologien entwickelt, wobei die spanabhebende Technologie (Sägen) zu den wichtigsten zählt. Bei den verschiedenen Technologien wie Sägen, Spanen, Hacken, Messern, Schälen etc. entstehen einerseits wertgeminderte Koppelprodukte bzw. wird die natürlich optimierte mechanische Struktur des Baumstammes durch Schnitte quer zu Faser empfindlich gestört bzw. zerstört. Mit dem Projekt sollen Grundlagen für neue mechanische Zerlegungs- bzw. Aufschlussmethoden geschaffen werden, die zumindest für Teilfraktionen des Stammes die hohe mechanische Syntheseleistung der Natur weitgehend erhält und den Anfall wertgeminderter Koppelprodukte vermeidet. Neue Zerteilungs- und Aufschlussmethoden müssen hinsichtlich ihrer Umsetzungsfähigkeit eingehend untersucht werden. Dafür wird es teilweise notwendig sein auch Wissenslücken bei bestehenden Verfahren zu schließen. Optimierte Fraktionen aus neuen oder optimierten Verfahren können in weiterer Folge Ausgangspunkt für hochleistungsfähige Engineered Wood Products genutzt werden.

Stand des Wissens

Trotz der extrem hohen Bedeutung der mechanischen Bearbeitung von Holz durch spanabhebende Formgebung sind die praxisrelevanten theoretischen Kenntnisse über die ablaufenden Vorgänge beim mechanischen Holzaufschluss und Zerteilung nicht vollständig erforscht. Für die Erforschung neuer Möglichkeiten der Holzzerteilung wird derzeit ein Forschungsprojekt vom Kompetenzzentrum Holz (Wood K plus) in Kooperation mit der Boku durchgeführt. Durch Einsatz von Innovationstechniken wie TRIZ wird dabei systematisch in anderen Branchen und Wissensbereichen nach neuen Lösungsansätzen für die Holzzerteilung gesucht. Weiters wurde im Rahmen eines Forschungsprojekts von Wood K plus eine neue spanlose Zerteilungsmethode entwickelt. Für eine Umsetzung bestehender und neuer Zerteilungstechnologien müssen diese technisch bewertet und materialwissenschaftlich untersucht werden. Dafür ist es notwendig Trennvorgänge bei der mechanischen Zerteilung von Holz grundlegend zu verstehen. 

Literatur

Atkins T (2009). The science and engineering of cutting. The Mechanics and Processes of Separating, scratching and Puncturing Biomaterials, Metals and Non-Metals. Butterworth-Heinemann. © 2009 Elsevier Ltd.

Joscak T, Teischinger A, Müller U, Mauritz R (2006) Production and material performance of long-strand wood composites - Review. WOOD RES. 51(3): 37-49.

Martynenko S, et al. (2006) Modellierung der Kräfte am Schneidkeil. Holztechnologie 47 (2): 32-38.

Kivimaa E (1950). Cutting force in wood working. Helsinki-Finland. Doctoral Thesis, The State Institute for Technical Research, Finland.

Arbeitshypothese und methodischer Ansatz

Die Vorgänge bei der mechanischen Zerlegung eines anisotropen, inhomogenen viskoelastischen Materials wie Holz sollen im Hinblick auf das Einbringen und die Fortpflanzung von Energie für die Trennung des Materialverbundes grundlegend untersucht werden. Bruch- und Trennvorgänge werden dabei statisch (Bruchenergiemessungen) und dynamisch mit entsprechenden Versuchsaufbauten (z.B. spezielles Schlagpendel, Hopkinson bar, Maschinen, etc.) durchgeführt. Erkenntnisse aus einem laufenden FFG Innovations-Projekt „Alternative Holzzerteilung“ bei dem mit einem systematischen „Cross Innovation“ Ansatz bestehende Trenntechnologien (primär aus branchenfernen Industrien) analysiert werden, sollen für eine weitere technologische und wissenschaftliche Untersuchung genutzt werden. Zusätzlich werden die Arbeiten von einem derzeit laufenden Grundlagenprojekt von Wood K plus (gefördert durch Land NÖ) methodisch unterstützt. Dabei werden mittels AFM, Schnittkraftmessungen und Beobachtungen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera die Interaktion von Schneidkeil und dem Werkstoff Holz mikro- und makroskopisch analysiert.  

 

Spanmaterial das mittels spanloser Trennvorgänge gewonnen wurde: A – Makrofasern (Forschungsprojekt Wood K plus seit 2004, siehe Joscak et al. 2006, oben); B – Späne nach Spanaufbereitung mittels Schallimpulsen (Forschungsprojekt FFG – neue Zerspanungstechnologie). 

Bei den geplanten Untersuchungen sollen die verschiedenen Trennvorgänge (längs und quer zur Faserrichtung) beschrieben werden. Damit sollen mögliche neue Trenntechnologien hinsichtlich ihrer Umsetzbarkeit überprüft werden. Andererseits sollen die gewonnenen Daten als zentraler Input für mathematische Modelle von Trennvorgängen dienen. Erwartete Ergebnisse:Modellbildung für neue Zerlegungsverfahren auf Basis theoretischer Grundlagen und experimenteller Untersuchungen. Technologische Grundlagen für neue und innovative mechanische Aufschluss-verfahren von Rohholz unter Wahrung der hohen mechanischen Syntheseleistung der Natur, primär für Teilfraktionen aus dem Sägeprozess (z.B. Schwarte) bzw. von Stammteilen, die nicht sägefähig sind.

Beitrag zu den Programmzielen

Ressourceneffizienz und deutlich verbesserte Wettbewerbsfähigkeit in technischer und wirtschaftlicher Hinsicht von innovativen Holzwerkstoffen und Engineered Wood Products, die auf Basis der neuen Aufschlusstechniken entwickelt werden können.

dokinholz.tuwien.ac.at