Entscheidende Schritte in die Zukunft
Bild: BFH
Neuentwicklungen. Bedürfnisse sind die treibende Kraft, wenn es darum geht, neue Wege zu erforschen. Die Forschungsresultate überraschen auch in ihren Zwischenschritten immer wieder mit unkonventionell wirkenden und sehr oft nachhaltigen Lösungen.
Nicht jedem Menschen dürfte es auf Anhieb klar sein, warum in der Wissenschaft mit derart unendlicher Geduld an der Erforschung und Umsetzung von Stoffen und Verfahren gearbeitet wird. Erste Resultate wirken oft etwas schlicht und zeigen nur dem Insider, was für ein Potenzial dahinterstecken könnte.
Der Weg einer Entwicklung
Vieles wird patentiert und nur weniges später auch wirklich industriell umgesetzt. Denn nicht alles, was im Labor funktioniert, lässt sich dann in grossen Mengen und konstant funktionstauglich realisieren. Manchmal ist der geeignete Rohstoff noch gar nicht in der notwendigen Qualität und Menge verfügbar, und manchmal fehlen die technischen Möglichkeiten zur Umsetzung. Immer muss aber auch das notwendige Kapital vorhanden sein, was logischerweise mit wirtschaftlichen Interessen zusammenhängt. Grundlegende Ideen können in der ersten Entwicklungsstufe in einem Institut oder an einer Hochschule erst mal intern angegangen werden – beispielsweise, wenn neue Materialien zur Verfügung stehen, die es so vorher nicht gab. Ist ein Potenzial erkannt und die mögliche Anwendung erahnbar, geht es um konkrete Zielrichtungen, die erarbeitet werden sollen – meist auch mit einem wirtschaftlichen Rahmen an Möglichkeiten.
Sind dann die grundlegenden Forschungsarbeiten gemacht, können Projekte für die zweite Stufe bei der Kommission für Technologie und Innovation (KTI) angemeldet werden und erhalten allenfalls eine Unterstützung. Damit wird die Übergangsphase aus dem Labor heraus zur industriellen Fertigung oft überhaupt erst ermöglicht. Geht es danach um die wirkliche Umsetzung, die serielle Produktion, braucht es in der dritten Stufe Wirtschaftspartner. Es geht aber auch umgekehrt. Beispielsweise kommen bei der Berner Fachhochschule Architektur, Holz und Bau in Biel (BFH) viele Forschungsanfragen direkt von Wirtschaftsbetrieben, die so ein Problem gelöst haben wollen.
Der Innovationsfilter
Vor jeder der drei Stufen muss die Entscheidung zum Einstieg getroffen werden. Und bei jeder Stufe kann somit ein Projekt, etwa aufgrund gering erachteter Marktchancen, zurückgestellt oder versenkt werden.
Einige Projekte der BFH, die sicher in der näheren Zukunft in der Schreinerbranche auftauchen, werden auf den kommenden Seiten vorgestellt. Gemeinsam haben alle, dass es noch viel Feinarbeit braucht, bis sie selbstverständlich angewendet werden.
Abfall wird zum Material der Zukunft
Auf der südlichen Erdhälfte werden schon länger aus Mimosarinde oder Quebracho-holz Tannine gewonnen. Diese sind kommerziell erhältlich und werden beispielsweise als biobasierte, formaldehydfreie Klebstoffe eingesetzt. Wie wäre es denn, wenn man die Rindenabfälle aus den Schweizer Sägewerken verwenden könnte? Liesse sich daraus dann eine neue Quelle für die Holzindustrie erschliessen?
Der Weg zu neuen Produkten
Forscher der BFH haben sich intensiv mit dem Thema befasst. Die Ergebnisse sind vielversprechend, denn aus allen europäischen Nadelholzrinden lassen sich Tannine isolieren. Unterschiede gibt es vor allem bei der Ergiebigkeit. So ist die mögliche Menge bei der Lärche und der Tanne dreimal höher als bei der Föhre. Im Labor wurde nach Extraktionsmethoden gesucht, die technisch einfach und ressourcenschonend eine möglichst hohe Ausbeute bringen. Das hat zu einem zweistufigen wässrigen Extraktionsprozess geführt, womit Tannin- extrakte mit einem erhöhten Reinheitsgrad gewonnen werden. Die Ausbeute ist mit möglichst frischem Material höher, was dafür spricht, dass die Verarbeitung gleich in den Sägereien geschieht.
Wasser und Tanninextrakte bilden die wesentlichen Grundlagen für Klebstoffe, die sich für die Herstellung plattenförmiger Holzwerkstoffe eignen. In einer Machbarkeitsstudie haben dies schon Plattenmuster bewiesen. Aber auch tanninbasierte Schäume dürften gerade im Leichtbau interessant sein, weil sie einen hohen Brandwiderstand aufweisen. Gearbeitet wird auch an Basisstoffen für den 3D-Druck.
Drei neue Stoffe bieten Zukunftschancen
Die Zellstoffindustrie, die ja für die Papierherstellung zuständig ist, kann jetzt Lignin so reinigen, dass sehr reines, technisches Lignin als Polyphenolkomponente zur Verfügung steht. Damit gibt es einen neuen Baustein für Bindemittel oder Stoffe, die geschäumt werden können. In der Schweiz ist auch die Herstellung von mikrofibrillärer Cellulose neu, einer mikroskopisch kleinen, dreidimensionalen Netzstruktur, die enorm viel Wasser aufnehmen kann. Verwendung findet sie beispielsweise bei Lacken, die auf stehende Flächen aufgetragen werden sollen und so weniger laufen.
Extraktstoffe aus der Waldwirtschaft und der Sägeindustrie, wie das oben beschriebene Tannin, bilden die dritte, neu zur Verfügung stehende Komponente, mit der auf einmal Dinge hergestellt werden können, die es so vorher nicht gab. Neben diesen neuen Produktmöglichkeiten ist der Blick der Forscher auch stark auf ein regionales Wertschöpfungsnetz gerichtet.
Formteile der Zukunft
Ein Kompositwerkstoff auf der Basis solcher Produkte könnte vielleicht langfristig den Kompositbereich revolutionieren. Bisherige Komposite arbeiten mit Karbon- oder Glasfasern und einem Harzsystem wie Epoxid-harz oder Polyurethanharz. Das ist nicht unbedingt nachhaltig und gibt beim Brandschutz Probleme auf. Gemeinsam mit der Hochschule für Technik in Rapperswil SG hat die BFH ein Biokomposit entwickelt, das ein Flachsfasergewebe aus Schweizer Produktion als Faserkomponente und Bindemittel aus Extraktstoffen verwendet. Letztere werden zu einem brandresistenten Harz verarbeitet, wodurch auch der Einsatzbereich dieser Komposite weiter reicht.
Dauerhaft durch mineralische Kristalle
Sensationell sind die Baueigenschaften, die Holz mit sich bringt. Dennoch gibt es noch einige Verbesserungswünsche, an denen verschiedenste Institute intensiv forschen: Holz brennt, verfärbt sich bei Sonnenlicht und ist anfällig gegenüber Pilzen. Ein BFH-Forschungsteam kann dazu auf Laborebene Erfolge vorweisen. Der Fokus bei der Arbeit lag dabei bisher auf den einheimischen Hölzern Buche, Tanne und Föhre sowie auf der Imprägnierung von getrocknetem Holz. Gerade Buche und Tanne eignen sich hervorragend, weil ihre Zellen auch nach dem Trocknen noch offen und aufnahmefähig sind. Bei der Fichte verschliessen sich beispielsweise die Zellen.
Fremdes Wachstum im Inneren
In zwei Schritten werden im Vakuumdruck-verfahren zwei wasserbasierte Substanzen in das Holz eingebracht, die miteinander so reagieren, dass mineralische Kristalle wachsen. Schwierig ist dabei besonders die homogene Verteilung der Substanzen.
Werden diese mineralisiert, ändert sich das Brandverhalten: Feuer kann sich nur viel langsamer ausbreiten, und es kommt zu einem kürzeren Nachbrennen und einer geringeren Rauchentwicklung, was ein SBI-Test (Single Burning Item) belegt. Positiv ist auch das Verhalten bei UV-Strahlen und betreffend Resistenz gegenüber Pilzen. Durch Auswaschungen wie Regen auf Fassaden kann sich das aber wieder reduzieren. Aktuell geht es um die industrielle Umsetzung und den Sonderfall Eiche. Diese ist sehr gefragt und reagiert wegen ihrer Inhaltsstoffe völlig anders. Weiter werden Fragen wie das maschinelle Bearbeiten, Leimen oder Beschichten noch zu klären sein.
Zurück zu leichteren Fenstern
Die Flachglas Schweiz AG in Wikon LU bietet mit dem Vakuumisolierglas «Pilkington Spacia» eine Verglasungskonstruktion mit 6,2 mm Glaselementdicke. Transparente Mikroabstandhalter sorgen für 0,2 mm Abstand beider Glasscheiben zueinander, und das Absaugloch wird durch eine Schutzkappe mit 12 mm Durchmesser verschlossen.
Allein dadurch wird schon der Ug-Wert von einem herkömmlichen 23 mm dicken Isolierglas erreicht. Produziert werden solche Elemente nur in Asien mit einer Lieferzeit bei Flachglas von acht bis zehn Wochen.
Im Projekt «Superfenster» des Gewerbeverbands Basel-Stadt forscht ein Team aus fünf Unternehmen unter der Leitung der HFB an Fenstersystemen mit Vakuumelementen, die einen U-Wert von gerade noch 0,35 W/m2K erreichen sollen. Vakuumgläser benötigen einen ausserordentlich guten Randverbund, damit sich der Innendruck auch nach 20 Jahren nicht verändert. Dieser reagiert empfindlich auf starke Erwärmungen, wie sie beispielsweise bei der Beschichtung entstehen. Notwendig sind auch Abstandhalter, die möglichst unsichtbar bleiben und nicht unter dem enormen Aussendruck nachgeben. Dazu braucht es noch Grundlagen, die eine klar definierte Qualität sicherstellen.
Ein komplettes System
Die leichteren Glaselemente, als sie derzeit mit Isolierverglasungen möglich sind, erlauben auch feinere Rahmensysteme, die den ästhetischen Ansprüchen aktueller Architektur sehr entgegenkommen. Zum Projekt gehören zudem undurchsichtige, aber lichtdurchlässige, ultradünne, aerogelgedämmte Rahmenverbreiterungen.
www.flachglas.chwww.gewerbe-basel.chwww.ahb.bfh.ch
Flüssige Verklotzung von Isolierglas
Die traditionelle Verklotzung von Fenstern positioniert und fixiert das Isolierglas im Rahmen und sorgt zudem für eine gezielte Lastabtragung in Richtung Bänder, damit der Flügelrahmen nicht durch das Glasgewicht verzogen wird. Diese Arbeit kann nur von Hand ausgeführt werden, wobei die Qualität vom Mitarbeiter stark abhängig ist. Verschobene Scheiben bei Mehrscheiben-Isolierglas führen dazu, dass die Belastung im Randverbund grösser wird – bei den aktuell immer grösseren Elementen noch mehr. Die Klötze sind eingeklemmt und steifen nur aus, tragen aber nicht mit.
Zusammen mit dem Industriepartner Nolax AG aus Sempach Station LU arbeitet die BFH an einem neuen automatisierbaren Klotzungssystem für die Fensterbranche. Ziel ist es, die fixen Klötze durch einen schnell härtenden 2-K-Klebstoff zu ersetzen, der gleichmässig trägt und klebt.
Die ausgleichende Rahmenverbindung
Das Einspritzen erfordert einen äusserst schnell härtenden Klebstoff, der neben der punktuellen Verklebung sehr gut füllt, nur auf Klotzgrösse verläuft und beim Aushärten nicht schrumpft. Erkenntnisse zeigen, dass mit dieser Technologie Standardfenster leistungsfähiger und wirtschaftlicher gemacht werden. Neben der Technik, einen so schnell härtenden Klebstoff einzuspritzen, ist die Verträglichkeit mit dem Rahmenverbund wichtig. Zudem braucht es Lösungen für die verschiedenen Rahmenmaterialien. Bearbeitet werden auch die statische Bemessung bei flüssig verklotzten Isoliergläsern und die industrielle Umsetzung.
Fenster, die selbstständig und leise schliessen
Änderungen der Lärmschutzverordnung bezüglich der Bebauung von Parzellen mit Fluglärm gaben den Anstoss zu dieser Entwicklung. Das vollautomatische Regulieren der Fensteröffnung bei Lärm bildete den Start zu einem Projekt, das dann noch einiges mehr hervorbrachte. Eine Machbarkeitsstudie der BFH im Auftrag des Bundesamtes für Umwelt zeigt nun, dass weder marktübliche Fensterantriebe noch Beschläge mit ihren Verriegelungen in einem Schlafraum betrieben werden können, ohne dass die Menschen geweckt werden.
Die aktuelle Beschlägemechanik und die immer dünner werdenden Flügelrahmenquerschnitte bieten kaum noch Entwicklungsspielraum – schon gar nicht, wenn dann noch die Einbruchsicherheit mit ins Spiel kommt. Projektziel ist die Entwicklung einer neuen Beschlaggeneration für das automatische Entriegeln und Verriegeln sowie das manuelle Bewegen des Fensterflügels. Gleichzeitig sollen die Rahmenquerschnitte optimiert und alle bisherigen Anforderungen erfüllt werden.
Punkten bezüglich Einbruchsicherheit
Durch das Verlegen der Beschlagmechanik in den Blendrahmen kann die Verriegelungs- von der Drehbewegungsmechanik getrennt und die Anzahl der Beschlagteile markant reduziert werden. Konkrete Prototypen zeigen schon jetzt, dass ausbaufähige Systeme geschaffen werden können, die selbst bei der Einbruchsicherheit punkten dürften. Die Reduktion der Teilevielfalt erleichtert ausserdem die gesamte Produktion und Lagerhaltung. Nur die elektronische Versorgung der Fenster erfordert erweiterte Kompetenzen der Fensterbetriebe. Ziel der Forschung sind jetzt noch die serientauglichen Komponenten für das smarte Fenster von morgen.
Veröffentlichung: 30. August 2018 / Ausgabe 35/2018
Bildstrecken
Artikel zum Thema
31. März 2025
Kontrollen zeigen Verschlechterung
Holzdeklaration. Die Anzahl der Unternehmen, die Holz und Holzprodukte richtig deklarieren, ist im Vergleich zum Vorjahr gesunken, und die Qualität der Holzdeklarationen variiert je nach Branche. Dies zeigt der Rückblick auf die Kontrollen des Eidgenössischen Büros für Konsumentenfragen (BFK) im Jahr 2024.
mehr
27. März 2025
Gebogen, um zu bleiben
Dampfgebogenes Holz. Mit der Kraft von Dampf und jahrhundertealtem Handwerk verwandelt sich massives Holz in geschwungene Formen. Die Technik ermöglicht es, Holz ohne Bruch oder Verleimung zu biegen und so nachhaltige, langlebige Meisterwerke zu erschaffen.
mehr
27. Dezember 2021
Grossflächig fugenlose Wandgestaltung im Bad
PaidPost. Der erste Argolite Montage-Leitfaden ist da. Mit dessen Hilfe können Schreinerinnen und Schreiner individuelle Wandverkleidungen im Badezimmer spielend leicht realisieren.
mehr
