Durchbildung und Beanspruchbarkeit von in Holz und Brettschichtholz mittels Laserstrahlung vorgebohrten Schraubenverbindungen

Abstract

Das nachhaltige Bauen mit Holz gewinnt zunehmend an Bedeutung, insbesondere im mehrgeschossigen Bauen, da Holz einen wesentlichen Beitrag zum Klimaschutz leistet. Ein zentrales Problem bei der Verwendung von Vollgewindeschrauben zur Verstärkung von Fügepunkten und Bauteilstößen ist das Verlaufen der Schrauben aufgrund der inhomogenen Holzstruktur und der hohen Einbindelängen von bis zu 600 mm und mehr. Dies führt zu Ungenauigkeiten bei der Positionierung, was die Tragfähigkeit und Stabilität der Verbindungen beeinträchtigen kann. Der Eurocode 5, der 2022 in Kraft trat, berücksichtigt zwar den Einsatz von Vollgewindeschrauben, doch bleibt die Herausforderung der präzisen Po-sitionierung bestehen. Ein vielversprechender Ansatz zur Lösung dieses Problems ist das pyrolytische Vorbohren mittels Laserstrahlung. Im Gegensatz zum mechanischen Bohren, bei dem die Bohrer durch die Holzstruktur abgelenkt werden können, ermöglicht das Laserbohren einen thermischen Abtrag, der präziser und geradliniger verläuft. Durch den Einsatz von Inertgas im Bohrkanal wird der Abtrag durch Pyrolyse erreicht. Die geradlinigkeit dieses Prozess ist weitgehend unabhängig von der Holzstruktur,reduziert das Verlaufen der Schrauben deutlich und erhöht dadurch die Positionierungsgenauigkeit. Im Rahmen des DFG-geförderten Projekts, das sich aus zwei Projektphasen (Erstprojekt und einem Folgeprojekt) zusammensetzt, wurden die Prozessparameter für das Laserbohren tiefer Löcher in Brettschichtholz systematisch untersucht. Dabei zeigte sich, dass ein IR-QCW-Faserlaser aufgrund seiner hohen mittleren Leistung besonders gut geeignet ist. Mit einer speziell entwickelten Sondenbohroptik, die in den Bohrkanal nachgeschoben wird, gelingt es, den Bohrgrund auch bei großen Bohrtiefen inert zu halten und den Laserstrahl verlustarm bis dorthin zu führen. Dies ermöglicht das Bohren von Löchern mit hohen Aspektverhältnissen. In den Versuchen wurden Vorbohrungen mit bis zu 300 mm Tiefe und einem Durchmesser von etwa 6 mm erreicht. Allerdings zeigte sich, dass die Gasentwicklung am Abtragspunkt in größerer Tiefe zu einem stärker karbonisierenden Abbrand im Bohrkanal führt, was die Verbundfestigkeit zwischen Schraubengewinde und Holzmatrix negativ beeinflussen kann. Ursache hierfür ist die längere Wechselwirkung der Abtragprodukte mit der Laserstrahlung, die zu einer stärkeren Aufheizung führt. Um diese Herausforderung zu adressieren, wurde im Fortsetzungsprojekt die Entwicklung einer Sonde vorgesehen. Dadurch sollte die Versorgung des Laserbohrpunktes mit Schutzgas verbessert und der Abbrand minimiert werden. Ziel war es, die Bohrtiefe auf über 300 mm zu vergrößern und gleichzeitig die Verbundfestigkeit der eingebrachten Vollgewindeschrauben zu optimieren. In den Ergebnissen des Folgeprojekt zeigte sich, dass die entwickelte Sondenbohroptik nicht nur präzisere Bohrungen, sondern auch die Herstellung von Löchern mit extremen Aspektverhältnissen ermöglicht. Das pyrolytische Laserbohren bietet also eine innovative Lösung für die präzise Einbringung von Vollgewindeschrauben in Holz, insbesondere bei hohen Einbindelängen. Durch die Kombination von Laserstrahlung und Inertgas wird das Verlaufen der Schrauben minimiert, ohne einen Verlust der Verbundfestigkeit. Die Weiterentwicklung der Sondenbohrtechnik könnte durch die Sicherstellung einer exakten Positionierung das Potenzial der Anwendung von Vollgewindeschrauben zur Fügung von Holzbauteilen vorantreiben und damit einen wichtigen Beitrag zur Nachhaltigkeit im Bauwesen leisten. Eine Patentanmeldung für die Sondenoptik sowie ein DFG Transferprojekt in die holzverarbeitende Industrie wurden bereits eingereicht. Dort soll die Technologie weiterentwickelt werden, um Bohrungen mit bis zu 1000 mm Tiefe bei einem Durchmesser von weniger als 8 mm zu realisieren.