Gezielte Nähte aus Nylon können die Schwächen von Holzlaminaten ausgleichen. Das Verfahren erhöht die Belastbarkeit deutlich und eröffnet neue Möglichkeiten im Fahrzeug-, Sportgeräte- und Holzbau.
Holzlaminate kommen vielfältig zum Einsatz, etwa bei der Ski- und Snowboard-Herstellung oder bei Bauteilen für den Fahrzeuginnenraum. Ihre Gewichtsvorteile für den Leichtbau bringen aber auch Nachteile mit sich: Quer zur Faser sind sie deutlich weniger belastbar und bei Krafteinwirkungen senkrecht zur Oberfläche (Schälbelastung) kommt es leicht zur Ablösung einzelner Holzschichten (Delamination). Ein Team um Florian Feist am Institut für Fahrzeugsicherheit der TU Graz hat nun gemeinsam mit dem Innovationszentrum W.E.I.Z. und Partnern aus der Wirtschaft mit dem Vernähen von Holzfurnieren eine Methode entwickelt, die insbesondere der Delamination entgegenwirkt. Bei Tests hielten die genähten Furniere bei Schälbelastungen der vierfachen Krafteinwirkung stand und die absorbierte Bruchenergie war vierzehn Mal größer als bei unvernähten Furnier-Laminaten. Neben der Anwendung im Fahrzeugbau und in der Sport- und Freizeitindustrie ist auch die Nutzung im Bereich des Möbelbaus und Bauwesens möglich – wie zum Beispiel zur Herstellung faltbarer Brückenelemente oder zusammenlegbarer Bänke.
Potenzieller Klebstoff-Ersatz
„Wir wollen Holz dort verstärken, wo es wirklich nötig ist“, sagt Florian Feist. „Mit dem gezielten Vernähen können wir Klebstoffe oder Laminierharze ergänzen oder teilweise sogar ersetzen. Das Prinzip orientiert sich an Stahlbewehrungen, die aus dem Bauingenieurwesen bekannt sind. So wie die Bewehrungen im Beton Zugkräfte aufnehmen, können die Nähte im Holz kritische Kräfte abtragen, was sich besonders bei Schälbelastungen positiv auswirkt und die Ablösung der Holzschichten wesentlich hinauszögert.“
Die Forschenden untersuchten systematisch die Wechselwirkung zwischen Holz, Garn, Nadelgeometrie und der Konditionierung der Werkstoffe. So mussten sie Nadeln finden, die die Holzfasern eher verdrängen statt sie durchzutrennen, wobei sich eine dreieckige Nadelspitze als beste Lösung herausstellte. Beim Garn fiel die Wahl letztendlich auf Nylon, da es bei ausreichend hoher Steifigkeit und Festigkeit große Verformungen aufnehmen kann, ohne zu reißen. Genäht wird mit gängigen, industriellen Nähmaschinen, wobei eine Standard-Nähgeschwindigkeit von einem und Spitzengeschwindigkeiten von bis zu 2,5 Metern pro Minute erreicht wurden. Bis zu 20 mm dick konnten die vernähten Laminate sein, wobei Verbindungen mit anderen Werkstoffen ebenfalls möglich sind. So ließen sich etwa auch metallische Bleche mit Holz über Nähte verbinden. Vor allem bei kleineren Werkstücken aus dem Bereich der Sport- und Freizeitindustrie bietet die Nähtechnik einen Zeitvorteil gegenüber dem Kleben oder Laminieren, da hier Aushärtungszeiten viel von der Produktionsdauer ausmachen.
Einsatz als Falz oder Gelenk
In mechanischen Tests hat sich die Vernähtechnik bewährt. Wie erwähnt, erhöhte sich die maximale Tragkraft bei Schälbelastungen – also Krafteinwirkungen senkrecht zur Oberfläche – um das Vierfache und die absorbierte Bruchenergie bis zum Versagen des Bauteils war vierzehn Mal so hoch. Nur bei Schubbelastungen, die ein relatives Gleiten der Einzellagen verursachen, gab es keine maßgeblichen Verbesserungen. Hier brächte ein schräges Einbringen sehr steifer Fäden Vorteile, dies würde aber den gesamten Produktionsprozess sehr aufwändig machen.
Die Technologie eröffnet auch neue Möglichkeiten in der baulichen Gestaltung. So lassen sich durch das gezielte Aufnähen von Geweben flexible Holzverbindungen realisieren, die als Falz oder Gelenk dienen. Gemeinsam mit der Universität Innsbruck wurden solche Konzepte bereits in Demonstratoren umgesetzt, etwa in einer faltbaren und damit transportablen Brücke oder einer faltbaren Sitzbank, die Stabilität und Beweglichkeit kombiniert.
Große Vorteile auf kleinen Flächen
„Die Möglichkeiten, die unsere Technologie etwa für die Konstruktion von Sportgeräten oder Komponenten im Interieur von Fahrzeugen bietet, sind äußerst spannend“, sagt Florian Feist. „Man muss aber verstehen, dass das Vernähen für eine großflächige Verstärkung weniger geeignet ist, sondern gezielt auf kleinen Flächen mit hoher Schäl-Beanspruchung eingesetzt werden sollte. Dort überwiegen die Vorteile sehr deutlich.“
Partner in diesem Forschungsprojekt waren der Nadelhersteller Groz-Beckert, Fill Maschinenbau, Weitzer Woodsolutions und das Innovationszentrum W.E.I.Z, dessen fortführende Forschungsprojekte künftig im Wood Vision Lab gebündelt werden. Gefördert wurde das Projekt im Zuge der von der Forschungsförderungsgesellschaft FFG ausgeschriebenen Programmschiene Think.Wood, welche vom Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft, Klima- und Umweltschutz, Regionen und Wasserwirtschaft im Rahmen des Waldfonds umgesetzt wird.