Das Prinzip

Grundlage für die kraftschlüssige Fügung zweier Holzstücke ist das Prinzip des Reibschweißens, das ursprünglich aus der Metall- und Kunststoffindustrie stammt.² Unter Druck werden die beiden Teile zueinander bewegt, an der Kontaktfläche entsteht hierdurch Reibwärme.³ Untersuchungen haben gezeigt, dass eine lineare Reibbewegung im Gegensatz zu einer zirkulierenden, bei üblichen Holzarten infolge der Längsmaserung, zu besseren Festigkeitswerten führt.⁴ Holzkomponenten, hauptsächlich das Lignin, erweichen und fungieren dabei als Klebstoff.⁵ Anschließend wird die Reibung eingestellt, die Werkstücke liegen weiterhin mit Druck aneinander.⁶ Während dieser Haltezeit erstarrt die erweichte Matrix wieder.⁷ Die Festigkeit der Schweißfuge, für die Gesamtfestigkeit der Verbindung ausschlaggebend, basiert auf der Vernetzung einzelner Holzfasern in der Polymermatrix.⁸ Denkbar ist, dass weitere adhäsive Bindungskräfte, die zum Verbund beitragen, Wasserstoffbrückenbindungen und Van-der-Waals-Kräfte sind.⁹ Als Resultat des thermischen Prozesses bleibt eine Schweißfuge übrig.

Kurze Prozesszeiten

1-komponentige PUR-Klebstoffe benötigen ca. 1–3 Tage bis zum Erreichen der Endfestigkeit. Anders verhalten sich Verklebungen mit Weißleim: Holz nimmt die Feuchtigkeit aus der Leimfuge auf und gibt sie zeitlich verzögert an die Umgebung wieder ab. Diese Rekonditionierung muss beachtet werden und beträgt ca. 7 Tage nach Beendigung des Pressvorgangs.¹⁰ Beim Reibschweißverfahren von Holz hingegen liegt die Prozessdauer deutlich unter 1 Minute, Aushärten inklusive.¹¹

Entwicklung

Bereits 2006 entwickelte und baute die Firma Fischer Kunststoff-Schweißtechnik aus Berkatal eine Holzschweißmaschine.¹² Diese Hochleistungsmaschine erlaubt es, Naturholzbretter übereinander in Schichten zu schweißen. Die Maschine kann für beide Reibkinematiken – zirkular oder linear – umgestellt werden. Holzteile können damit in Flächen von bis 500 cm² bearbeitet werden, zuvor nur in kleinerem Format möglich.¹³ Der verbundene Werkstoff erreicht eine geringere Scherfestigkeit als eine Massivholzprobe.¹⁴ Im Hinblick auf geschraubte und genagelte Verbindungen werden diese jedoch von der Schweißtechnologie überboten.¹⁵ Bei verleimten Holzteilen geben zuerst die Fasern nach, bevor der ausgehärtete Klebstoff bricht.

1 & 2 Fischer Holzschweißmaschine im Einsatz

Emission

Während dem Reibschweißen entsteht Rauch. Dieser besteht aus Wasserdampf, CO₂, Abbauprodukten von Polysacchariden und amorphem Lignin. Zahlreiche Verbindungen stammen von Additions- und Abbaureaktionen des Lignins und kommen in geringen Mengen vor. Je nach Holzart können zudem flüchtige Terpene auftreten. Beim Schweißvorgang wird verhältnismäßig wenig CO₂ emittiert. Aufgrund der relativ niedrigen Temperatur (max. 230 °C) wird weder Kohlenstoffmonoxid, noch Methan freigesetzt.¹⁶

Zur Bewertung für den Innenbereich untersucht man geschweißtes Buchenholz in der Emissionskammer. Die Proben besitzen die gleiche Dimension (20mm/20mm/20mm), jedoch unterschiedliche Holzfeuchte (12 %, sowie 24 h in Wasser gelagert). In den ersten 24 Stunden produzieren die Holzstücke im Vergleich zu nicht geschweißtem Buchenholz eine höhere Menge an Furfural und Formaldehyd. Ursache dafür ist die Schweißfuge. Nach 6 Tagen nehmen die VOC Emissionen ab. Proben mit höherem Feuchtegehalt emittieren weniger Formaldehyd und Aceton/Acrolein als trockeneres Holz.¹⁷

3 & 4 In Schichten geschweißtes Holz / Das fertige Holzprodukt

Anwendungsbereiche

Das Material kann überwiegend im Innenbereich zum Einsatz kommen,¹⁸ da die Stabilität der Schweißfuge stark von der Umgebungsfeuchte abhängig ist. Schweißt man beispielsweise Holz mit niedrigem Feuchtegehalt, quillt es im Gebrauchszustand. Die Verformung kann dann zu Rissen an der spröden Schweißfuge führen.¹⁹ Mögliche Anwendungsbereiche sind Decken- und Wandtafeln, Parkettelemente²⁰, sowie Teile für den Möbelbau. Dennoch stellt sich für diese leimfreien und damit ökologisch wertvollen Produkte eine Marktakzeptanz als schwierig heraus. Die hohen Anschaffungskosten der erforderlichen Maschine setzt eine Produktion im industriellen Stil voraus, erscheint damit noch wenig rentabel für kleinere Unternehmen und mag die Etablierung des Produkts auf dem Markt beeinflussen. Die Maschinentechnik ist im Gegensatz zu Pressvorrichtungen stabiler, weil beim Reibfügen ein Querhub den Reibweg erzeugt und mit der Reibfrequenz zwischen 80 und 150 Hertz, zusammen mit dem spezifischen Reibdruck von 1–2 MPa, die Energie eingebracht wird.

Im Jahr werden in Europa einige Millionen Tonnen an synthetischen Holzklebstoffen verbraucht.²¹

Der Beitrag entstand im Rahmen eines Praktikums im Institut für Baubiologie + Nachhaltigkeit IBN.