Forschende am Fraunhofer WKI untersuchen derzeit, wie sich der »Zukunftsbaum« Kiefer für den Bausektor verwerten lässt. Auf der Messe LIGNA 2023 präsentierten sie eine Wand und einen Deckenbalken, die aus einem Kiefernholz-basierten Mehrlagenverbundwerkstoff gefertigt wurden.
Die Kiefer ist flächenmäßig eine der bedeutendsten Baumarten in Norddeutschland und kommt mit dem Klimawandel relativ gut zurecht. Deshalb gilt die Waldkiefer auch als »Zukunftsbaum«.
Nach dem zweiten Weltkrieg wurden Kiefern vor allem in Norddeutschland gepflanzt und werden nun relativ gleichzeitig hiebsreif. Da Kiefernholz künftig also verstärkt zur Verfügung stehen wird, arbeiten die Forschenden daran, neue Anwendungsmöglichkeiten mit großem wirtschaftlichem Potenzial für die Bau- und Fahrzeugindustrie zu entwickeln.
Wie sich Kiefernholz sowie Kiefernstarkholz optimal einsetzten lassen, das untersuchen die Forschenden am Fraunhofer WKI derzeit in zwei Forschungsvorhaben: »DiKieHo« und »KiefernStolz«.
Emissionsfreie Klebstoffe auf Biobasis für tragende Holzwerkstoffe
Digitale Wertschöpfungskette für den kieferbasierten Holzbau – »DiKieHo«
Im Projekt »DiKieHo« arbeitet das Fraunhofer WKI gemeinsam mit der Technischen Universität Berlin und dem Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik daran, das Wertschöpfungssystem für den mehrgeschossigen Holzbau mit Kiefernholz in der Region Berlin-Brandenburg zu verbessern und nachhaltiger zu gestalten.
Dr. Dirk Berthold, Fachbereichsleiter am Fraunhofer WKI, erklärt: „Ziel der Forschung in unserem Technikum ist die Entwicklung von neuen Holzwerkstoffen aus regionalem Kiefernholz. Für die Analysen im Projekt wurde die Region Berlin-Brandenburg ausgewählt, da sie modellhaft ist, was das Vorkommen und die Verwendung von Kiefernholz betrifft.“
Die Forschenden untersuchen in einem umfassenden Ansatz die Zusammenarbeit zwischen den einzelnen Akteuren in Bezug auf Material- und Informationsflüsse. Dabei identifizieren sie Potenziale für Kooperationen und deren Auswirkungen im industriellen Kontext des mehrgeschossigen Holzbaus. Die Forschungsergebnisse sollen zukünftig auf weitere Zielregionen angepasst und in größerem Maßstab umgesetzt werden.
In der Wertschöpfungskette betrachten die Forschenden Aspekte wie die Nutzung regionaler Rohstoffe, die optimale Ausnutzung verschiedener Holzsortimente und die Herstellung hochwertiger Holzbauelemente. Darüber hinaus werden die Errichtung klimafreundlicher Gebäude, die Stärkung einer klimaneutralen Metropolregion und die Schaffung effizienter geschlossener Ressourcenkreisläufe analysiert.
Mehrlagenverbundwerkstoffe aus Kiefernstarkholz – »KiefernStolz«
„In unserem Projekt ›KiefernStolz‹ geht es um eine hochwertige Verwertung von Kiefernstarkholz. Dieses wird künftig in großen Mengen zur Verfügung stehen, die Erfahrungen für den Einsatz sind allerdings gering“, erläutert Dr. Berthold. „Daher wollen wir im Projekt erproben, wie sich dieses Sortiment wertschöpfungsoptimiert verarbeiten lässt.“
Die Nordwestdeutsche Forstliche Versuchsanstalt untersucht, wie man Kiefernstarkholz optimal nutzen und die Waldbewirtschaftung darauf ausrichten kann. An der Georg-August-Universität Göttingen analysieren Forschende die wirtschaftlichen Potenziale von Kiefernstarkholz in Nordwestdeutschland und untersuchen sichere und umweltfreundliche Methoden zur Ernte von Starkholz entlang der gesamten Prozesskette. Zudem werden dort Produkte aus Kiefernstarkholz identifiziert und entwickelt.
Im Technikum des Fraunhofer WKI entwickeln die Forschenden Mehrlagenverbundwerkstoffe aus den Kiefernstarkholz-Sortimenten, die aus den Untersuchungen der Projektpartner resultieren. Diese Sortimente umfassen typische Stärken- und Qualitätsklassen.
Effiziente Nutzung von Kiefernholz
Um das anfallende Kiefernholz möglichst effizient zu nutzen, erprobt das Projektteam die Herstellung und Verarbeitung von Splint- und Kernholzfurnieren. Splint- und Kernholzfurniere haben unterschiedliche Eigenschaften und können daher bei der Herstellung von Holzwerkstoffen unterschiedliche Herausforderungen mit sich bringen.
Das Problem mit Splintfurnieren besteht darin, dass sie aufgrund ihres höheren Gehalts an lebendem Holz und geringerer Dichte im Vergleich zum Kernholz tendenziell weniger stabil sind. Splintholz enthält auch mehr Harz und andere Inhaltsstoffe, die die Klebeverbindung beeinträchtigen können. Kernholzfurniere hingegen sind in der Regel fester und dichter, was sie stabiler macht. Allerdings können Kernholzfurniere aufgrund ihrer höheren Dichte und möglicherweise vorhandener Harzkanäle auch zu Problemen bei der Verleimung führen.
Um diese Probleme zu lösen, müssen geeignete Klebstoffe und Verarbeitungstechniken verwendet werden, die sowohl die spezifischen Eigenschaften von Splint- als auch von Kernholzfurnieren berücksichtigen. Dies ermöglicht die Herstellung hochwertiger Holzwerkstoffe mit optimaler Leistung und Haltbarkeit.
Ideal angepasste Klebstoffe
Dr. Nina Ritter, Gruppenleiterin am Fraunhofer WKI, erklärt: „Entscheidend für den Erfolg unseres Vorhabens ist es, die spezifischen Eigenschaften der Kiefer sowie deren Qualitätsklassen zu erfassen und die Prozessführung entsprechend anzupassen. Die Holzart und Qualität haben Einfluss auf die verfahrenstechnische Verarbeitung. Bei verklebtem Kiefernholz können aufgrund des hohen Harzgehaltes Probleme in der Leimfuge oder Oberfläche durch Ausharzungen und Delaminierung auftreten. Daher werden wir unterschiedliche, industriell gebräuchliche Klebstoffsysteme für die Verklebung der Kiefernholzfurniere erproben.“
Dr. Berthold ergänzt: „Wir nutzen außerdem Klebstoffe auf Basis von MDI-Präpolymeren und Urethanpolymeren, die im Rahmen des Gesamtvorhabens an der Universität Göttingen untersucht und modifiziert werden. Sie könnten sich als technisch vorteilhaft erweisen und sind formaldehydfrei. Ziel ist es, den Holzwerkstoffherstellern eine Umstellung ihrer Produktionslinien von Fichte auf Kiefer ohne große Prozessanpassungen zu ermöglichen.“
Die Forschenden stellen plattenförmige Werkstoffe und Bauteile im Heißpressverfahren her. Eine Wand aus einem Furnierschichtholzstoff (Laminated Veneer Lumber – LVL), bei dem die Furniere parallel liegend verleimt werden, wurde bereits erfolgreich produziert.
Im weiteren Verlauf des Projekts werden die erzielbaren Werkstoffeigenschaften der verschiedenen Produkttypen hinsichtlich Feuchtigkeit und mechanischer Belastung durch standardisierte Prüfungen analysiert und optimiert.
Über das Fraunhofer WKI
Seit mehr als 75 Jahren erforscht das Fraunhofer WKI, wie sich nachwachsende Rohstoffe zugunsten von mehr Nachhaltigkeit nutzen lassen. Das Institut mit Standorten in Braunschweig, Hannover und Wolfsburg ist spezialisiert auf Verfahrenstechnik, Naturfaser-Verbundkunststoffe, Bindemittel und Beschichtungen, Holz- und Emissionsschutz, Qualitätssicherung von Holzprodukten, Werkstoff- und Produktprüfungen, Recyclingverfahren sowie den Einsatz von organischen Baustoffen und Holz im Bau. Nahezu alle Verfahren und Werkstoffe, die aus der Forschungstätigkeit hervorgehen, werden industriell genutzt.
