Einflussfaktoren auf die Oberflächentemperaturen pneumatisch eingeschossener Holznägel
Masterarbeit von Arne Fey
Nägel gehören zu den meistgenutzten Verbindungsmitteln vieler Holzkonstruktionen. Sie sind einfach zu verarbeiten und zeitsparend im Gebrauch. Das heute vorwiegend eingesetzte Nagelmaterial ist Stahl. Ihr Einsatz hat sich stetig weiterentwickelt. Seit den 1920er Jahren entstand eine Vielzahl von mechanischen Nageleintriebsgeräten, welche den Hammer als klassisches Werkzeug häufig abgelöst haben. Nägel können so mit viel höheren Eintriebsenergien eingesetzt werden. Die Verbindung ist dabei rein mechanisch, ein Nagel hält durch die Einspannung in seinem ihn umgebenden Substrat. Stahlnägel sind in ihren Möglichkeiten häufig limitiert. Die Weiterverarbeitbarkeit genagelter Werkstücke, mögliche Korrosion oder ästhetische Aspekte können zu Entscheidungen gegen einen Einsatz von Stahlnägeln führen.
Analogie zum Holzschweißen?
Eine Weiterentwicklung maschinell verschossener Metallnägel ist der laminierte und vorverdichtete Holznagel aus Buchenholz, welcher pneumatisch eingetrieben wird. Der in dieser Arbeit untersuchte Ligno Loc® der Firma BECK Fastener Group wird wie ein Metallnagel ohne Vorbohren eingesetzt. Durch die Reibung der Oberflächen zwischen Nagel und Matrix entsteht beim Einschuss genug Wärme, um das Lignin temporär aufzuweichen und eine Verklebung zu bewirken. Trotz der geringeren Wirkungsdauer scheint es eine Analogie zum linearen und rotierenden Holzschweißen zu geben.
In der Arbeit von Arne Fey wurden die in der Literatur beschriebenen Einflussfaktoren auf den Holzschweißeffekt hinsichtlich ihrer Wirksamkeit beim maschinellen Nageleintrieb untersucht. Dazu wurden Holznägel bei variablen Parametern in Probenkörper eingetrieben und hinsichtlich der dabei auftretenden Temperaturen verglichen. Die Temperatur während des Einschusses wurde mit einem Highspeed-Pyrometer ermittelt. Zusätzlich wurde durch einen quasistatischen Eintriebsversuch ein Vergleich der Eintriebsenergien möglich. Zwei Berechnungsmodelle der Reibungstemperatur werden vorgestellt.
Die Arbeit zeigt einen signifikanten Zusammenhang der Holzfeuchte der Nageleinschussmatrix, sowie der Reibstrecke des Nagels auf die Temperaturentwicklung beim Nageleintrieb auf. Die zur Plastifizierung des Lignins nötige Temperatur von ca. 150 °C wird bei jeder Konfiguration erreicht. Es wird vermutet, dass das Lignin mit zunehmender Viskosität die Reibungskoeffizienten der Oberflächen senkt, weshalb die Temperaturen in einem Bereich von 170 - 210 °C stagnieren.
Fotos zu den Versuchen
