Neben der nachwachsenden Rohstoffquelle zeichnet sich der Holzbau insbesondere durch den hohe Vorfertigungsgrad sowie die damit verbundenen kurzen Bauzeiten und die Planungssicherheit aus. Wie bei anderen Baustoffen auch ist allerdings hohe Feuchtigkeit über längere Zeiträume zu vermeiden. Im Fall von Holz kann diese zu einem Befall mit holzzerstörenden Pilzen führen. Solche Feuchteeintritte können lange Zeit unbemerkt bleiben und erst zu einem sehr späten Zeitpunkt sichtbar werden, wenn bereits eine größere Sanierung notwendig wird. Um dem präventiv entgegenzuwirken wird im Projekt MINDWOOD ein digitales Feuchtemonitoringkonzept entwickelt. Im Gegensatz zur lediglich lokalen Holzfeuchtemessung mit dem klassischen Widerstandsverfahren werden hier gedruckte Feuchtesensoren verwendet, die ein großflächiges Holzfeuchtemonitoring erlauben.
Elektronisches Feuchtemonitoring für den Holzbau
Der Holzbau gilt als großer Zukunftsträger im Bauwesen, basiert er doch auf einer nachwachsenden Rohstoffquelle, die in Europa und insbesondere in Österreich in großen Mengen verfügbar ist. Wie bei anderen Baustoffen auch, ist im Holzbau eine hohe Feuchtigkeit in den Bauteilen über längere Zeiträume zu vermeiden. Im Projekt MINDWOOD wird ein gedrucktes Feuchtemonitoringkonzept entwickelt, in dem mittels leitfähiger Schichten die Holzfeuchtigkeit im Bauteil laufend gemessen wird. Das hilft, künftige Schäden frühzeitig zu verhindern.
Institut
HFA – Holzforschung Austria
Projektpartner
Profactor GmbH
Österreichischer Ingenieurholzbauverband
Stora Enso GmbH
Wolf Systembau GmbH
Scheucher Holzindustrie GmbH
Adler-Werk Lackfabrik Johann Berghofer GmbH & Co KG
Tagtron GmbH
Almendo Technologies GmbH
Projekt
Mindwood
Förderung
FFG
Verschiedene Druckverfahren
Dafür werden verschiedene Druckmethoden von leitfähigen Schichten auf Holz entwickelt. Ein großer Fokus liegt dabei auf dem Inkjet-Druck, zumal dieses Verfahren eine Vielzahl an Vorteilen aufweist. Allgemein ist der Inkjet- bzw. Tintenstrahldruck bereits aus dem Büroalltag bekannt und zeichnet sich besonders durch seine herausragende Bildqualität im Vergleich zu z.B. Laserdruckern aus. Weiterere Vorteile des Inkjet-Drucks sind die Flexibilität und die hohen möglichen Durchlaufgeschwindigkeiten, wodurch große Flächen in kurzer Zeit bedruckt werden können.
Für den Druck von leitfähigen Schichten sind leitfähige Tinten erforderlich. Um beim Recycling bzw. der Entsorgung der Holzbauelemente mit den gedruckten Schichten keine umweltschädlichen Fremdstoffe einzubringen, werden im Projekt ausschließlich Grafit-basierte Tinten verwendet. Da Grafit im Vergleich zu anderen leitfähigen Tintenmaterialien, wie beispielsweise Silber, jedoch eine geringere Leitfähigkeit aufweist, müssen für längere Messstrecken dickere Schichten aufgetragen werden, was die Leitfähigkeit entsprechend erhöht. Dies gelingt durch das Auftragen von mehreren leitfähigen Schichten, idealerweise in einem Arbeitsgang. Auch hierfür bietet der Inkjet-Druck Vorteile, da unmittelbar hintereinander mehrere Schichten (z.B. durch hintereinander angeordnete Inkjet-Drucker) aufgetragen werden können, bis die erforderliche Mindestschichtdicke erreicht ist.
Aufgrund der geringen Viskosität der Tinte ist eine Vorbehandlung des Holzes notwendig. Dafür wurden verschiedene Beschichtungssysteme untersucht. Neben UV-Walzlackierungen wurden auch wasserbasierte Lasuren und Grundierungen verwendet. Als erfolgsversprechend hat sich insbesondere eine auch mittels Inkjet-Druck applizierbare Grundierung herausgestellt. Mit dieser ist es möglich, lediglich diejenigen Stellen zu grundieren, die später auch bedruckt werden sollen.
Neben dem Inkjet-Druck werden auch andere alternative Druckverfahren untersucht. Als besonders vielversprechend hat sich hierbei der Siebdruck herausgestellt. Hier ist es möglich, in einem Schritt vergleichsweise dicke Schichten auf die Holzoberfläche aufzutragen. Da die verwendete Siebdrucktinte eine hohe Viskosität aufweist, ist auch keine Grundierung des Holzuntergrundes notwendig. Somit wäre die Applikation der Feuchtesensoren vor Ort an der Baustelle mit diesem Verfahren denkbar. Nachteilig am Siebdruckverfahren ist allerdings, dass für jedes Motiv ein eigenes Sieb angefertigt werden muss. Ein flexibler Wechsel des Motivs, z.B. in Abhängigkeit des Untergrundes, ist nicht möglich. Für eine Serienfertigung ist dieses Verfahren aber sehr gut geeignet.
Zum Erreichen der Leitfähigkeit ist bei beiden Druckverfahren ein sogenannter Sintering-Schritt notwendig. In flüssiger Phase werden die einzelnen Grafitpartikel durch z.B. Tenside dispergiert. Diese wirken jedoch im getrockneten Zustand als Isolator und müssen daher entfernt werden. Dies wird etwa durch das Aufheizen auf Temperaturen von z.B. 120°C für 15 Minuten erreicht. Noch höhere Temperaturen führen dabei oft zu noch besseren Leitfähigkeiten. Da diese hohen Temperaturen für Holzoberflächen jedoch eher unvorteilhaft sind, werden aktuell im Forschungsprojekt alternative Methoden, wie z.B. Mikrowellen- oder Infrarotsintering untersucht.
Elektronisches Feuchtemonitoring
Ausgehend von einem einfachen Muster wurden basierend auf Vorarbeiten eines Projektpartners systematisch die Sensorgeometrien variiert. Mit diesen Varianten wurde ein Versuch in einem Klimaschrank durchgeführt, bei dem die relative Luftfeuchtigkeit schrittweise bis zum Erreichen einer bestimmten Holzfeuchtigkeit erhöht wurde. Während dieses Versuchs wurden verschiedene Messgrößen der gedruckten Sensoren, wie Kapazität, Widerstand oder die Impedanz gemessen und die tatsächliche Holzfeuchtigkeit gravimetrisch bestimmt. Die Ergebnisse zeigten einen klaren Zusammenhang der gemessenen Größen Impedanz, Phasenwinkel und Kapazität mit der Holzfeuchtigkeit. Zwar ist aus der Praxis bekannt, dass die Messung der Holzfeuchtigkeit nach der Widerstandsmethode der kapazitiven Messung in Punkto Genauigkeit klar überlegen ist. Für ein laufendes Monitoring ist die Genauigkeit jedoch ausreichend. Zudem ist der Strombedarf bei der kapazitiven Messung im Vergleich zur Widerstandsmessung deutlich geringer.
Die ersten Ergebnisse aus den bisherigen Forschungsarbeiten sind gedruckte Messsysteme auf Holzbauteilen, die ein laufendes Monitoring von Feuchtigkeit erlauben und damit die Grundlagen für digitalisierte „smarte“ Holzbauteile schaffen.
Zukunftsweisende Entwicklung
Die Kombination von großflächigem Feuchte- und Dehnungsmonitoring mit hinterlegten Grenzzuständen im Zeitverlauf bzw. mit Machine Learning Algorithmen erlaubt die Herstellung von digitalen „smarten“ Holzbauteilen mit integrierter Predictive Maintenance- bzw. Zustandsüberwachungsfunktion. Dies ermöglicht die Herstellung von Holzbauteilen, die selbständig auf einen beginnenden Schaden hinweisen. Damit leistet dieses Projekt einen wesentlichen Beitrag, um die Wettbewerbsfähigkeit der österreichischen Holzbauindustrie auf europäischer und insbesondere internationaler Ebene sicher zu stellen.