Text: ÖIAV Redaktion | Abbildungen: Finja Dyson

Holzspäne als Ausgangsmaterial

Die Druckmischung beruht auf Holzspänen und Biomix, einem Bindemittel aus nativer Stärke und Natriumlignosulfonat.

Ausgangspunkt der Versuche sind frische Fichtenspäne, ein Nebenprodukt der Holzindustrie. Bevor sie in den Versuchsaufbau gelangen, werden sie gesiebt, mit dem Bindemittel Biomix vermischt, getrocknet, zerkleinert und nach Korngrößen sortiert.

Das Ziel: eine möglichst gleichmäßige Druckmischung.

Biomix ist ein biobasiertes Bindemittel. Es besteht unter anderem aus Stärke und einem Stoff, der bei der Zellstoffherstellung entsteht. Während der Granulatherstellung legt sich das Pulver um die Holzpartikel. Nach dem Trocknen bleibt eine vorbereitete Mischung zurück, deren Klebewirkung später durch Wasser wieder aktiviert werden kann.

Die Arbeit untersucht damit keinen fertigen Baustoff und auch kein serienreifes Drucksystem. Sie fragt zunächst grundsätzlicher: Lässt sich ein Partikelbettverfahren mit Holzspänen und einem vollständig biobasierten Bindemittel so steuern, dass daraus zusammenhängende Körper entstehen?

Kein fertiger Drucker, sondern ein Laboraufbau

Der Versuchsaufbau ist kein automatisierter 3D-Drucker im herkömmlichen Sinn. Die Versuchskörper entstanden in einer eigens adaptierten hydraulischen Presse.

Das Granulat wurde schichtweise in eine Stahlmulde eingebracht. Mit einer Schablone wurde jene Fläche abgegrenzt, die verbunden werden sollte. Eine Airbrush brachte Wasser gezielt auf diesen Bereich auf. Anschließend presste ein beheizter Stempel die Schicht unter Wärme und Druck.

Dann begann der Ablauf von vorn.

Die Bindung entsteht, weil die Stärke im Biomix unter Wärme verkleistert. Die Holzpartikel werden dabei verdichtet und miteinander verbunden. Das nicht aktivierte Granulat außerhalb des Querschnitts bleibt locker und stabilisiert den Körper während des Herstellungsprozesses.

Diese Logik ist für das Partikelbettverfahren zentral: Das umliegende Material übernimmt während des Aufbaus eine stützende Funktion, ohne dauerhaft Teil des Bauteils zu werden.

Wenn ein bisschen zu viel schon zu viel ist

Der gewünschte Bereich muss ausreichend fest werden. Das umgebende Material darf sich nicht mitverfestigen.

In den frühen Versuchen zeigte sich: Zu wenig Wasser reichte nicht für eine stabile Verbindung. Zu viel Hitze, eine zu lange Presszeit oder ungünstige Restfeuchte konnten dagegen dazu führen, dass sich auch das umliegende Granulat verfestigte. Der Körper ließ sich dann nicht mehr aus dem Partikelbett lösen.

Mehrere Methoden für den Wasserauftrag wurden getestet. Handelsübliche Sprühflaschen, Spritzen und Pinsel lieferten keine ausreichend gleichmäßigen Ergebnisse. Erst die Airbrush ermöglichte einen feinen und gezielten Wasserauftrag innerhalb der vorgesehenen Fläche.

Auch der Pressdruck erwies sich als entscheidend. Die hydraulische Presse reagierte vergleichsweise träge. Dadurch konnten die gewünschten Anpressdrücke nicht in jeder Schicht exakt erreicht werden. Schon kleine Abweichungen wirkten sich auf den Verbund und die späteren Messergebnisse aus.

Die Untersuchung macht damit sichtbar, dass additive Fertigung nicht allein eine Frage der Form ist. Sie hängt ebenso von Materialfeuchte, Temperaturführung, Verdichtung und Prozesskontrolle ab.

Ein Rahmen statt eines massiven Blocks

In den Vorversuchen wurde zunächst mit massiven Prüfkörpern gearbeitet. Später entstand auch ein rahmenförmiger Querschnitt.

Dabei konnte das innere, nicht gebundene Granulat nach dem Pressen entfernt werden. Der Rahmen blieb bestehen.

Das ist noch kein Nachweis für frei geformte Bauteile oder komplexe Architekturelemente. Er zeigt aber, dass sich die Bindung im Versuchsaufbau auf einen begrenzten Querschnitt konzentrieren ließ. Formen mit Hohlräumen oder stärker differenzierte Geometrien bleiben damit ein mögliches Anwendungsfeld des Partikelbettverfahrens, das in weiteren Versuchen genauer untersucht werden müsste.

Was der Versuch zeigt – und was noch offen bleibt

Am Ende der Vorversuche standen konkrete Einstellungen fest: Korngröße, Wassermenge, Temperatur, Pressdruck und Presszeit mussten genau zusammenpassen. Mit diesen Einstellungen entstanden Versuchskörper, bei denen die einzelnen Schichten zusammenwuchsen und sich das umliegende Material lösen ließ.

In den Hauptversuchen zeigte sich jedoch auch die Grenze des Systems. Nicht alle Körper erreichten dieselbe Qualität. Bei einzelnen Proben führten Wasserdampfblasen, abweichende Pressdrücke oder möglicherweise veränderte Restfeuchte zu sichtbaren Schichtgrenzen oder einer ungewollten Verfestigung des Partikelbetts.

Die Druckversuche zeigen, dass die hergestellten Körper im Labormaßstab belastbar sind. Sie erlauben aber noch keine Aussagen über konkrete Bauteile oder Anwendungen im Bauwesen. Unterschiede in der Höhe der Prüfkörper und im tatsächlich erreichten Pressdruck beeinflussten die Ergebnisse zu stark, um alle Werte direkt miteinander vergleichen zu können.

Das ist kein Nebenbefund. Es ist eine der zentralen Erkenntnisse der Arbeit.

Der nächste Schritt ist Prozesssicherheit

Finja Dysons Arbeit zeigt, dass sich Holzspäne mit Biomix im Partikelbettverfahren grundsätzlich zu festen, schichtweise aufgebauten Körpern verbinden lassen.

Der Machbarkeitsnachweis gelingt.

Für eine weitere Entwicklung braucht es jedoch eine präzisere Steuerung des Pressdrucks, eine verlässliche Kontrolle der Restfeuchte und möglichst gleichmäßige Probenabmessungen. Erst dann lässt sich genauer beurteilen, welche mechanischen Eigenschaften mit dem Verfahren reproduzierbar erreichbar sind.

Der Wert der Arbeit liegt daher nicht in einem fertigen Bauteil. Sie schafft eine Grundlage für weitere Forschung: Holzspäne und Nebenprodukte der Papier- und Holzindustrie werden nicht nur als Reststoff betrachtet, sondern als Ausgangsmaterial für eine additive, biobasierte Fertigung.