Formholztechno­logie

Idee

Dass Holz ein leicht zu bearbeitendes Material sei, ist eine weit verbreitete Meinung. Das Gegenteil trifft jedoch zu! In der Tat kann man Holz mit wenig Kraft und Energie leicht sägen, hobeln und fräsen. Die spanende Materialbearbeitung ist aber im Vergleich zu spanlosen Herstelltechnologien wie Walzen, Gießen, Formen, Tiefziehen, Strangpressen und dergleichen weit weniger wirtschaftlich. Voraussetzung für diese Verfahren ist eine hohe Bruchdehnung, die mit Hilfe von Wärme noch gesteigert werden kann. Holz ist mit einer Bruchdehnung von nur etwa einen Prozent dazu zu spröde.
Die Formholztechnologie basiert auf einem neuen Materialverständnis, das Holz als zellulären Stoff begreift, der sich unter Wärme (140°C) und Druck (5 MPa) stauchen lässt, wobei sich die Zellwände zusammenfalten. Von nicht geringerer Bedeutung, aber derzeit ohne technische Nutzung, ist die Tatsache, dass sich die Zellstruktur bei geeignetem Prozessregime wieder vollständig auseinander ziehen und fixieren lässt. Damit lässt sich eine Bruchdehnung von 100% erreichen, was eine Erhöhung um zwei Zehnerpotenzen darstellt.
Die Zellstruktur des Holzes lässt eine neue Betrachtungsweise als "schaumstoffartiges" Material zu, das nun leicht bearbeitet werden kann. Nadel- und Laubholz sind gleichermaßen geeignet. Das Verfahren wurde vom Institut für Stahl- und Holzbau entwickelt und patentiert. Es genießt weltweit ein Alleinstellungsmerkmal.

Herstellungsprozess

Image-Video IKU-Preis 2009 © Fraunhofer

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Ausgehend von diesen Überlegungen, werden am Lehrstuhl für Ingenieurholzbau und baukonstruktives Entwerfen massive Platten aus verdichteter Fichte hergestellt, die danach wiederum unter Wärme und Feuchtigkeit zu Profilen geformt werden. Dabei wird die Faltung der Zellwände wieder rückgängig gemacht. Der Krümmungsradius des Profils hängt von der vorherigen Verdichtung ab. So darf bei einer Verdichtung von 50% das Maß des inneren Krümmungsradius die Wanddicke des Profils nicht unterschreiten. Im Prinzip sind auf diese Weise alle abwickelbaren Formen in beliebiger Längs- und Querabmessung herstellbar.
Formholzrohre können nachträglich mit Hochleistungsfasern verstärkt werden. Dieser Verbund öffnet dem Holz neue Anwendungsgebiete in Bauwesen und Architektur aber auch im Leicht- und Anlagenbau. Zur Verbesserung der Umwelteigenschaften können synthetische Fasern aber auch durch Naturfasern ersetzt werden. Die Zugfestigkeit der holzeigenen Zellulosefaser reicht nahe an jene der Glasfaser heran. In weiteren Verfahrensschritten kann sie sogar in eine Kohlefaser überführt werden.

Anwendungsbereiche

Projektentwurf Solardach Freiburg mit Formholz-Verbundrohren vom Architekten Rolf Disch © Rolf Disch

Project outline solar roof Freiburg with moulded wood composite tubes

Die Formholzrohre können nicht nur tragend, sondern auch führend insbesondere zum Transport aggressiver Medien eingesetzt werden. Angesichts der hohen Festigkeit der Fasern können Bauaufgaben realisiert werden, die heute energieintensiven Materialien vorbehalten sind. Synthetische Fasern wie etwa Kohlefasern weisen höhere Festigkeiten auf als Metalle: Bei nur einem Fünftel des Gewichtes erzielen sie die 20-fache Materialfestigkeit! In Kombination mit dem preiswerten, aber dennoch festen Holz, entstehen Bauteile, deren Preis und funktionelle Eigenschaften sich allen Bauaufgaben gewachsen zeigen. Neben der Verstärkung stellen textile Bewehrungen einen wirksamen Schutz gegenüber der Witterung dar, so dass bei Außenanwendungen eine signifikante Verbesserung der Dauerhaftigkeit vorliegt und die Lebenszyklusanalyse noch günstiger ausfällt. Zur besseren Einschätzung des Tragvermögens sei folgendes Beispiel angeführt: Die Tragfähigkeit einer Rohrstütze aus Formholz (260 cm lang, 30 cm Durchmesser bei 2 cm Wandstärke) beträgt etwa 600 kN (was einem Gewicht von 60 Tonnen entspricht). Eine zusätzliche Glasfaserbewehrung von nur 750 Gramm (!) steigert die Tragfähigkeit auf 1200 kN, also auf das Doppelte! Der Materialwert des Formholzrohres beträgt etwa 15 Euro bei einem Eigengewicht von 30 Kilogramm. Diese Zahlen unterstreichen das technische Potenzial, aber auch die Wirtschaftlichkeit, welche die Ressource Holz im Verbund mit der Hochtechnologie an den Tag legt. Für eine nachhaltige Entwicklung ist es unerlässlich, die technische Verwendung des Holzes wieder über die Grenzen von Architektur und Bauwesen hinaus auf andere Gebiete auszudehnen. Als Beispiele können genannt werden: Leicht- und Innenausbauten, Möbel, Anlagen, Masten, Türme, Maschinen, Behälter, Verpackungen, Trommeln, Transport und Automobil- und Yachtbau uvm.

Ökologie und Umwelt

Formholzrohre im Wald © Lothar Sprenger

Moulded wood tubes with textile reinforcement

Die "Eindimensionalität" der Sägetechnologie favorisiert mit Blick auf die Ausbeute "eindimensionale" Baumarten. Dies hat Nadelhölzern im Zuge von Wiederaufforstungen den Vorzug gegenüber standorttypischen Laubholzarten gegeben, deren mächtige Kronen zu minderwertigem Industrie- und Brennholz verarbeitet werden. Formholz stellt geringe Anforderungen an die Waldmaße und unterstützt somit den naturnahen Waldbau. Es können alle heimischen  Baumarten und selbst Bestandteile der Kronen verwertet werden. Auch profitieren waldreiche Entwicklungsländer, da der Laubwald dort vielerorts naturnah geblieben ist und krumme Stämme aufweist, die als tragende Teile aus Formholz energieintensive Materialien substituieren können.
Schnellwüchsige Baumarten wie etwa Pappel, welche nach nur zehn Jahren in Kurzumtriebsplantagen geerntet werden, eigenen sich bestens zur Herstellung großformatiger Formholzrohre. Wirtschaftliche und ökologische Gesichtspunkte der Agroforstplantage sind derzeit Gegenstand vielschichtiger Untersuchungen. Die Verarbeitung des Holzes zu Formholzrohren erschließt den Landwirten neue Einnahmequellen.
Der Energieeinsatz bei der Formholzherstellung ist verglichen mit anderen Materialien so gering, dass die dafür erforderlichen Kosten nicht ins Gewicht fallen. Der Heizwert des eingesparten Holzes und die Prozessenergie sprechen hier eine deutliche Sprache. Im Gegensatz zur irreversiblen mechanischen Zerfaserung bei der Herstellung von Holzwerkstoffen, für welche elektrische Energie geringen Wirkungsgrades aus Primärenergie bereitgestellt werden muss, lässt sich beim Formholz die Prozesswärme über Wärmetauscher wieder zurückgewinnen. Gebrauchtes Formholz kann bei der Entsorgung stofflich und thermisch verwertet werden.
Allein die Einsparungen hinsichtlich Verschnitt und Profilbildung belaufen sich auf bis zu 80 % bezogen auf das Rohholz. Bilanziert man die Effizienzsteigerungen des Formholzes ergibt sich folgendes Bild: Vermeidung des Verschnitts im Sägewerk - Faktor 2; Profilbildung - Faktor >4; Verwendung von verdichtetem Holz - Faktor >2; Verwendung von fehlerfreiem Holz - Faktor >2. Fasst man diese Faktoren zusammen, ergibt sich bereits ohne Bewehrung die vierfache Tragfähigkeit bei einem Achtel des Materialeinsatzes!
Die Umweltleistung eines textilbewehrten Formholzrohres ist wegen der wesentlich geringeren Masse besser als ein verleimtes Schichtholz gleicher Tragfähigkeit; das Formholzrohr ist jedoch wesentlich vielfältiger einsetzbar. Ein entsprechendes Stahlprofil verursacht ein Vielfaches an Umweltbelastung.

Auszeichnungen und Preise

Preisträger IKU-Preises 2009 des BMU © IKU-Preis

Innovationspreis für Klima und Umwelt - Preisträger 2009

Die Formholztechnologie wurde bereits mehrfach mit renommierten Preisen ausgezeichnet. Hier eine Auswahl:

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Letzte Änderung: 13.04.2017