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Stabilisieren von Holz: ein Überblick

Um die enzelnen Einflußfaktoren beim Stabilisieren von Holz zum Drechseln besser einschätzen zu können, habe ich mit Musterstücken etliche Testreihen gemacht, hier im Anschluß die Kurzfassung der Ergebnisse.

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Als „Testhölzer“ habe ich kleine Buchenkantel verwendet, sauber gewachsen, ohne Äste, einigermaßen gleichmäßig breite Jahresringe, damit ich die Testreihen miteinander möglichst gut vergleichen kann. Um bei den Versuchen den Überblick zu behalten, habe ich die Kantel jeweils numeriert und das Holzgewicht darauf vermerkt.

Es ist mir natürlich klar, dass hier keine wirklich exakten Ergebnisse zu erwarten sind. Nicht nur die Holzrohlinge sind doch unterschiedlich, auch die Temperatur ist nicht wirklich konstant zu halten, die Viskosität des Harzes kann ich eigentlich gar nicht messen, das Vakuum hat keinen konstanten Wert, sondern pendelt etliche Millibar nach oben und unten.

Alle Messergebnisse hier beziehen sich auf diese Testhölzer, bei anderen Hölzern werden die Ergebnisse natürlich anders sein, die Grundaussagen werden aber bleiben.

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Dazu habe ich die Vakuumanlage und das Harz verwendet, das Thomas Wagner im Angebot hat. Ich kann deshalb natürlich nur Aussagen dazu treffen, direkte Vergleiche zu anderen Produkten kann und will ich nicht stellen.
Das Harz ist ein Gemisch von Kunstharz und Lösungsmittel, ist gebrauchsfertig gemischt, kann allerdings für bestimmte Zwecke auch verdünnt werden.
Zuerst sollten die Holzrohlinge vorgedrechselt werden. Es macht keinen Sinn, Holz zu stabilisieren, das dann später wieder weggedrechselt wird. Das ist nicht nur teuer, sondern beeinträchtigt auch das Eindringen von Harz und vor allem das Trocknen.
Der Vorgang sieht folgendermaßen aus:

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Die Holzstücke werden in einen Behälter mit dem Harzgemisch gegeben, etwas beschwert, so dass sie in der Flüssigkeit untergetaucht bleiben.

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Dann das Ganze in die Unterdruckkammer. Diese ist in meinem Fall aus Kunststoff mit durchsichtigem Deckel.

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Die Unterdruckphase sollte langsam anlaufen, da am Anfang sehr viele Luftbläschen aus dem Holz austreten, und damit eine mehr oder weniger starke Schaumbildung einsetzt. Je mehr Holz gleichzeitig stabilisiert wird, umso mehr Schaum bildet sich natürlich.

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Der Unterdruck sollte natürlich so gut wie möglich sein, mehr als 800 Millibar Unterdruck bringen allerdings nach meinen Erfahrungen kaum etwas.
Die Unterdruckphase sollte 1 bis 2 Stunden dauern.

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Der Abbau des Unterdrucks sollte langsam erfolgen, ein zu schnelles Einströmen der Luft in den Behälter kann für sehr starke Verwirbelung und damit für Harzspritzer an der Innenwand des Vakuumgefäßes sorgen.

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Nach dem Beenden der Unterdruckphase beginnt der eigentliche Prozeß, bei dem das Harz in das Holz eindringt. Der Luftdruck der Umgebung presst das Harzgemisch vor allem über die Stirnseiten in das Holz.
Diese Wartezeit sollte auf jeden Fall 4 Stunden dauern, die Harzaufnahme ist dann im Großen und Ganzen beendet. Es schadet natürlich nicht, wenn die Phase länger dauert.
Die Trocknung erfolgt, indem das Lösungsmittel verdunstet. Die benötigte Zeit ist hier stark von der Größe des stabilisierten Holzes abhängig und vor allem natürlich von der Temperatur.
Ein Richtwert für Pen-Blanks bei Zimmertemperatur ist 4 Wochen.
Mittels einer kleinen Mikrowelle, und der in einem weiteren Beitrag angesprochenen Schaltung, kann man die Trocknungszeit aber problemlos auf 24 Stunden verkürzen. Es sollte auch mit einer Wärmekammer genauso funktionieren, hab ich aber noch nicht ausbrobiert.
Das Harz kann, verschlossen aufbewahrt, später wieder verwendet werden.

Genauere Einzelheiten meiner Versuche habe ich in eigene Beiträge gepackt:

 die Wartezeit
die Vakuumdauer
die Wartezeit
das Trocknen
der Versuchsaufbau
das Vakuum
die Holzfestigkeit

 

Und hier gehts zur passenden Rubrik im Forum

Vielen Dank

Stabilisieren: die Holzfestigkeit

Um die Festigkeit des Holzes zu testen, habe ich aus dem Stirnholz der Musterstücke ca. 4mm starke Scheiben abgeschnitten, und sie dann einem Bruchtest unterzogen.

IMG_5330Während die unbehandelten Stücke bei durchschnittlich 33 kg Belastung brachen, lag der Mittelwert bei den stabilisierten Hölzern leicht darunter.

Natürlich läßt sich stabilisiertes Holz besser bearbeiten / drechseln, nach diesen Ergebnissen kann man allerdings auf keinen Fall davon sprechen, daß die Holzfestigkeit, bzw. die Belastbarkeit des Holzes durch das Stabilisieren zunimmt, eher das Gegenteil ist der Fall.

Stabilisieren: das Trocknen

Das von mir verwendete Gemisch aus Kunstharz und Lösungsmittel härtet durch Trocknen, also durch das Verdunsten des Lösungsmittels aus.

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Das Diagramm zeigt den Trocknungsverlauf der Musterhölzer aus der ersten Testreihe, die durch die unterschiedlichen Wartezeiten (von 0 bis 870 Minuten) nach der Vakuumphase mehr oder weniger Harzgemisch aufgenommen haben.
Die bisherigen Trocknungsversuche haben ergeben, dass sich bei diesem Prozeß das Harzgewicht ungefähr halbiert, was dann wohl dem Mischungsverhältnis zwischen Harz und Lösungsmittel entsprechen sollte.

Nach ca. 3 Wochen zeigt sich, daß weniger durchtränkte Hölzer diesen Zustand in ca 4 Wochen erreicht haben sollten. Bei den Hölzern oben im Diagramm, die mehr Harz enthalten, ist die Halbierung des Harzgewichtes allerdings noch in weiter Ferne. Deshalb teste ich Möglichkeiten, den Trocknungsprozeß mittels Vakuum zu beschleunigen.

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Die obere (blaue) Kurve zeigt die „normale“ Trocknung an der Luft in den ersten 24 Stunden. Dabei reduziert sich das Harzgewicht um ca. 2 Gramm.
Durch Trocknung im Vakuum (900 mB Unterdruck) reduziert sich das Harzgewicht um ca. 3,5 Gramm, also etwas weniger als das Doppelte. Die ist zwar ein deutlicher Fortschritt, würde aber bedeuten, daß das Vakuum mindestens 2 Wochen aufrecht erhalten werden müsste. Ein Problem dabei ist auch die fehlende Belüftung in meiner Versuchsanordnung.
Eine Trocknung auf diese Art ist aufgrund des hohen Aufwandes aus meiner Sicht für den Normalanwender nicht sinnvoll.
Die grüne Kurve zeigt die Trocknung in der Mikrowelle.
Damit das Holz nicht zu heiß wird, habe ich jeweils einen Zyklus von 45 Sekunden Mikrowelle bei
120 Watt, und 5 Minuten Wartezeit benutzt. Nach 10 Stunden habe ich die MW-Heizzeit auf jeweils 60 Sekunden erhöht, was auch an dem Knick in der Kurve sichtbar ist.

Nach ca. 24 Stunden ist hier die Trocknung abgeschlossen.
Danach sollte man dem Holzstück noch ein paar Tage Zeit geben, sich wieder an die „normalen“ Umweltbedingungen anzugleichen, dabei nimmt dessen Gewicht wieder etwas zu. Ob die Trocknungszeiten mit Hilfe der Mikrowelle durch die Lagerung in einer Wärmebox genauso erreicht werden können, muß ein späterer Test zeigen.

Auf jeden Fall verkürzt erhöhte Temperatur die Trocknungszeit erheblich.

Stabilisieren: der Versuchsaufbau

Es ist ziemlich nervig, das Vakuum für Testreihen oder in der Praxis des Stabilisierens immer wieder über Stunden einigermaßen konstant zu halten. 5 Minuten pumpen, 10 Minuten nicht, wieder 5 Minuten pumpen usw.

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Die verwendete Pumpe ist zwar für den Dauerbetrieb ausgelegt, aber es kostet nicht nur unnötig Strom, sondern tut einfach ein bischen weh, die Pumpe über Stunden permanent laufen zu lassen. Außerdem muß ich am Ende der Vakuumzeit natürlich wieder da sein.
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Deshalb habe ich mir ein Relais besorgt, das zwei einstellbare Schaltzeiten hat, die Einschaltzeit,
und die Ausschaltzeit.
Im Moment stelle ich das Relais so ein, daß die Pumpe 1 Minute läuft, und danach 5 Minuten Pause
hat, dann wieder eine Minute pumpen, usw., das Ganze so lange, wie die Spannung anliegt.
Dazu habe ich noch eine Schaltsteckdose, die das System nach der gewünschten Zeit komplett
abschaltet. Auf diese Weise kann ich das System über Stunden ohne Aufsicht laufen lassen, und die
Pumpe wird nicht mal richtig warm.
Dazu kommt noch ein Vorschaltrelais, das die möglichen Spitzen des Einschaltstromes der Pumpe
besser verträgt, als das teurere Zeitrelais.
Kosten für alles zusammen unter 100.- €, funktioniert prima, das Vakuum ist konstanter als vorher,
und das Wichtigste: es läuft alleine.

Diese Steuerung verwende ich auch zum Trocknen der stabilisierten Hölzer.

Ein genaues Schaltbild der Vorrichtung möchte ich hier nicht veröffentlichen. Nicht, daß es ein Geheimnis wäre, aber es gibt Dinge, die ich besser kann als elektronische Schaltungen zu entwerfen, und möchte auch nicht verantwortlich sein, wenn hier unsachgemäß gebastelt wird.

Im Internet findet sich unter der Bezeichnung des Relais aber jede benötigte Information.

Stabilisieren: Vakuumdauer

Natürlich hat die Dauer der Vakuumphase beim Stabilisieren einen erheblichen Einfluß auf die Menge des aufgenommenen Harzes .

Das Diagramm zeigt die Menge des aufgenommenen Harzes in Abhängigkeit der Vakuumdauer.

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Die erste Testreihe (blau) zeigt eine optimale Dauer der Vakuumphase von ca. 60 Minuten. Darüber hinaus sinkt die Harzaufnahme des Probestücks wieder etwas ab. Einige Kontrollmessungen haben diese Kurve dann auch nochmal bestätigt.
Die zweite Testreihe (rot) wurde später gemacht, nachdem ich das Harzgemich etwas verdünnt hatte, sie zeigt aber dieselbe Tendenz.
Auch bei der dritten Testreihe (gelb) wird die Tendenz wieder bestätigt. Hier liegt das Maximum der Harzaufnahme bei 120 min, danach sinkt es auch hier wieder.
Dass die Kurve etwas höher liegt, könnte daran liegen, daß das Vakuum konstanter bei dem Höchstwert liegt, da dies nun mittels einer elektronischen Schaltung automatisch geschieht.
Die Gründe für den Abfall der Kurve sind mir noch nicht klar, hier einige Denkmodelle:
– mein erster Gedanke, das Harzgemisch entmischt sich während der Unterdruckphase etwas, so dass das Holz unten in der dickeren Flüssigkeit liegt, von der es dann natürlich nicht so viel aufnehmen kann. Laut Aussage des Herstellers kann das allerdings nicht sein.
– es wäre denkbar, daß das Holz durch das lange Liegen in der Flüssigkeit in den Außenbereichen aufquillt, und sich dadurch die Fähigkeit der Harzaufnahme verringert.
– es könnte sein, daß durch längere Vakuumphasen Lösungsmittel verdunstet, so daß die Viskosität des Gemisches abnimmt. Allerdings habe ich deshalb bei der zweiten und dritten Testreihe die Messpunkte auch von rechts, d.h. bei hoher Vakuumdauer beginnend gemacht, trotzdem hat sich die Kurve bestätigt.
– Ein Verdunsten von Lösungsmittel müsste auch eine Abnahme des Gesamtgewichts der Flüssigkeit bedeuten, was aber bei einem Versuch nicht messbar war.

Etliche Wiederholungen der Versuche haben die Tendenz der Messergebnisse bestätigt, eine wirkliche Erklärung habe ich dafür bislang aber nicht.

Stabilisieren: die Wartezeit

Die ersten Tests bezogen sich auf die Wartezeit, d.h. die Dauer, für die das Holz nach der Vakuumphase bei Normaldruck im Harz getaucht bleibt.

Wartezeit

Das Diagramm zeigt die Menge des aufgenommenen Harzes in Gramm, in Abhängigkeit der Wartezeit in Stunden.

Das eigentliche, hauptsächliche Eindringen der Flüssigkeit in das Holz erfolgt erst in dieser Wartezeit nach der Vakuumphase, wenn der Normaldruck von ca. 1 Bar die Flüssigkeit in das Holz hinein presst, in dem durch die Unterdruckphase weniger Luftdruck vorhanden ist.
Diese Wartezeit sollte auf jeden Fall 4 Stunden betragen, danach nimmt das Holz nicht mehr allzuviel auf, es ist natürlich nicht verkehrt, das Ganze über Nacht getaucht liegen zu lassen.

Der erste Messwert ist entstanden, indem ich das Holz noch in der Vakuumphase aus der Flüssigkeit
genommen habe. Da ich das Vakuum nicht konstant halten kann (sonst müsste die Pumpe immer
laufen) ergeben sich auch in der Unterdruckphase immer wieder Druckschwankungen, d.h. der erste
Wert wäre bei konstantem Vakuum noch mal deutlich tiefer.