Auf der derzeit stattfindenden LIGNA 2023 zeigt das Fraunhofer WKI das »Multimaterialmodell Wand I Decke I Dach«, bei dem eine Wand und ein Deckenbalken aus Kiefern-Furnierschichtholz besteht. Vor dem Hintergrund der klimatischen Veränderungen gilt die Waldkiefer als »Zukunftsbaum«. Kiefern wurden nach dem zweiten Weltkrieg vor allem in Norddeutschland gepflanzt und werden nun relativ gleichzeitig hiebsreif. Da nicht alle Bäume zur selben Zeit gefällt und verarbeitet werden können, wird in Zukunft auch Kiefernstarkholz zur Verfügung stehen. Die optimalen Einsatzmöglichkeiten von Kiefernholz sowie Kiefernstarkholz untersuchen die Forschenden am Fraunhofer WKI derzeit in zwei Forschungsvorhaben mit Projektpartnern.

Digitale Wertschöpfungskette für den kieferbasierten Holzbau (Projekt »DiKieHo«)

Das Fraunhofer WKI arbeitet mit der Technischen Universität Berlin und dem Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik an einem optimierten zukunftsfähigen Wertschöpfungssystem für den mehrgeschossigen Holzbau aus Kiefernholz in der Region Berlin-Brandenburg. »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«, erläutert Dr. Dirk Berthold, Fachbereichsleiter am Fraunhofer WKI.

In einem systemischen Ansatz untersuchen die Forschenden das Zusammenwirken der Material- und Informationsflüsse zwischen den Akteuren. Dabei ermitteln sie Potenziale zur Kooperation und deren Wirkung im industriellen Kontext des mehrgeschossigen Holzbaus. Die Forschungsergebnisse sollen perspektivisch an weitere Zielregionen angepasst und hochskaliert werden.

In der Wertschöpfungskette betrachten die Forschenden Aspekte wie die Nutzung regionaler Rohstoffe, die optimale Ausnutzung der Sortimente sowie die Erzeugung hochqualitativer Holzbauelemente. Des Weiteren werden die Errichtung klimafreundlicher Gebäude, die Stärkung einer klimaneutralen Metropolregion und die Schaffung effektiver geschlossener Ressourcenkreisläufe analysiert.

Mehrlagenverbundwerkstoffe aus Kiefernstarkholz-Sortimenten (Projekt »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. Daher wollen wir im Projekt erproben, wie sich dieses Sortiment wertschöpfungsoptimiert verarbeiten lässt«, erläutert Dr. Berthold.

Der Projektpartner Nordwestdeutsche Forstliche Versuchsanstalt untersucht die Nutzungspotenziale und waldbaulichen Strategien zur optimalen Ausnutzung von Kiefernstarkholz. An der Georg-August-Universität Göttingen werden Analysen der Wertschöpfungspotenziale von Kiefernstarkholz in Nordwestdeutschland durchgeführt sowie eine sichere sowie umwelt- und bestandsschonende Starkholzernte unter Abbildung der gesamten Prozesskette untersucht. Ebenfalls werden dort Produkte aus Kiefernstarkholz identifiziert und entwickelt.

Im Technikum des Fraunhofer WKI entwickeln die Forschenden Mehrlagenverbundwerkstoffe aus Kiefernstarkholz-Sortimenten, die sich aus den Untersuchungen der Projektpartner ergeben. Diese umfassen typische, zu erwartende Stärken- und Qualitätsklassen.

»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«, beschreibt Dr. Nina Ritter, Gruppenleiterin am Fraunhofer WKI, das Vorgehen.

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«.

Um das anfallende Kiefernholz möglichst effizient zu nutzen, wird im Projektteam die Herstellung und Verarbeitung von Splint- und Kernholzfurnieren erprobt. Plattenförmige Werkstoffe bzw. Bauteile stellen die Forschenden im Heißpressverfahren her. Eine Wand aus einem Furnierschichtholzstoff (Laminated Veneer Lumber – LVL), bei dem die Furniere parallel liegend verleimt werden, konnte bereits erfolgreich hergestellt werden und ist derzeit auf der LIGNA 2023 zu sehen.

Die erzielbaren Werkstoffeigenschaften der verschiedenen Produkttypen hinsichtlich hygrischer und mechanischer Beanspruchung werden im weiteren Projektverlauf mittels standardisierter Prüfungen analysiert und optimiert.