Herstellung nachhaltiger Werkstoffe24. September 20266 Min. Lesezeit

Ein Werkstoff ist erst dann bereit für die Skalierung, wenn seine Prozesshistorie messbar ist

Eine gute Laborprobe beweist noch keinen reproduzierbaren Fertigungsprozess. Temperatur-, Feuchte-, Druck- und Trocknungsverläufe erklären, warum ein Werkstoff gelingt oder versagt.

Verfasst von Dr. Erfan OliaeiTechnisch geprüft: 24. September 2026

Über den Autor

Dr. Erfan Oliaei

Materialforscher für nachhaltige Biokomposite

Erfan Oliaei forscht zu Holzfasern, Nanocellulose, Polymeren und lignocellulosebasierten Biokompositen. In seiner Promotion an der KTH Royal Institute of Technology verglich er Verarbeitung, Struktur und Eigenschaften von Holzfaser- und mikrofibrillierten Lignocellulose-Verbundwerkstoffen.

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Technische Kernaussagen

Eine Rezeptur nennt Sollwerte; die Prozesshistorie zeigt, was das Material tatsächlich erlebt hat.
Feuchte verteilt sich während des Pressens neu; ein Mittelwert kann einen feuchten Kern verbergen.
Mit steigender Dichte kann der Dampfaustritt erschwert werden, während weiter Dampf entsteht.
Der erste Pilot sollte Rohstoff, Prozessverlauf, Struktur und Endeigenschaften verbinden.
Zeitgesteuerte Schritte erst nach Validierung geeigneter Zustandssignale ersetzen.

Natürliche Rohstoffe schwanken – entscheidend ist ihre Wirkung

Holzfasern und andere lignocellulosehaltige Rohstoffe unterscheiden sich in Länge, Form, Chemie, Feuchte und Lagerhistorie. Entscheidend ist, welche Unterschiede die Endeigenschaften beeinflussen und ob der Prozess sie erkennen kann.[1]

In unserer Forschung erreichten dichte Netze aus kürzeren Aspenfasern ähnliche Zugfestigkeitseigenschaften wie Netze aus längeren Fichtenfasern. Nicht die Faserlänge allein, sondern auch die beim Verdichten entstehenden Kontakte und Strukturen bestimmten das Ergebnis.[1]

Eine Heißpresse verdichtet, erwärmt und trocknet zugleich

Eine Rezeptur wie 180 °C, 5 MPa und 10 Minuten stellt die Maschine ein, beschreibt aber nicht den Werkstoffzustand. Die Oberflächen werden zuerst warm; der Kern kann kühler und feuchter bleiben. Wasser macht Holzpolymere zudem verformbarer und fördert Faserkontakte.[3][6]

Daraus entsteht ein Zielkonflikt: Anfangs kann Feuchte die Verdichtung unterstützen, vor dem Öffnen muss überschüssiges Wasser jedoch entweichen. Pressverlauf, Feuchte und Dichte beeinflussen sich gegenseitig.[3][6]

Wohin wandert die Feuchte beim Heißpressen?

Wasser an den heißen Oberflächen verdampft. Dampf kann zu kühleren Zonen wandern, dort kondensieren und beim Erwärmen des Kerns erneut verdampfen. Auch zu freien Kanten fließt Feuchte. Ein Mittelwert unterscheidet trockene Außenschichten nicht von einem feuchten Kern.[4][3]

Messungen an Holzwerkstoffen zeigen Gradienten durch die Dicke und von der Mitte zum Rand. Bei dickeren Bauteilen kann der Ort der Restfeuchte wichtiger sein als der Mittelwert.[4][3]

Dampf braucht einen Fluchtweg

Eine lockere Fasermatte ist zunächst durchlässig. Verdichtung verkleinert die Poren und kann die Durchlässigkeit senken. So entsteht Dampf, während sein Fluchtweg enger wird. Der Innendruck hängt unter anderem von Feuchte, Dichte, Dicke, Schließgeschwindigkeit, Geometrie und Entlüftung ab.[3][4]

MDF-Versuche zeigten eine stark sinkende Gasdurchlässigkeit bei höherer Dichte. Bei Spanplatten stieg der innere Dampfdruck mit der Plattengröße. Diese Ergebnisse gelten für die jeweiligen Materialien und Geometrien, nicht als allgemeine Grenzwerte.[3][4]

Beim Öffnen kann ein verborgener Fehler sichtbar werden

Außen kann eine Platte trocken aussehen, obwohl im Kern noch Dampfdruck herrscht. Wird der Pressdruck abgebaut, kann sich eingeschlossener Dampf ausdehnen und Blasen oder Delamination verursachen.[5]

Mehr Temperatur macht den Zyklus nicht automatisch sicherer oder schneller: Dampf entsteht rascher, hohe Dichte erschwert das Entweichen, und ein kurzer Zyklus kann Restdruck hinterlassen. Auch das Öffnen muss validiert werden.[5]

Ein Sollwert ist noch keine Prozesshistorie

Die Rezeptur nennt 180 °C, 5 MPa und 10 Minuten. Ein nützlicher Verlauf erfasst Platten- und Kerntemperatur, Kraft, Weg, feuchtebezogene Signale, nach Möglichkeit Dampfdruck, Entlüftung und Öffnungszeitpunkt.[6]

Diese Zeitreihen lassen sich mit Enddicke, Dichte und mechanischen Prüfungen vergleichen. Weichen zwei Chargen voneinander ab, zeigen die Daten, wann der Unterschied entstand.[6]

Skalierung verändert Wärme- und Stofftransport

Bei einer kleinen Laborplatte erreicht Dampf rasch einen Rand. In einem großen Bauteil kann der Weg deutlich länger sein, obwohl Chemie und Sollwerte gleich bleiben. Gleichzeitig ändern sich Wärmefluss und Feuchtetransport.[4]

Eine Spanplattenstudie maß unter ihren Versuchsbedingungen bei größeren Platten deutlich höheren Spitzendruck. Der Wert ist nicht auf andere Materialien übertragbar; die Zielgeometrie muss eigens geprüft werden.[4]

So viel messen, dass der Materialzustand erkennbar wird

Innere Sensoren helfen in der Entwicklung, sind im heißen, gepressten Serienprodukt aber schwierig. Wählen Sie Signale, die wichtige Zustände unterscheiden, und vergleichen Sie sie mit zerstörenden Prüfungen und Endeigenschaften.[3][6]

Messung	Aussage
Anfangsfeuchte	Ausgangszustand
Platten- und Kerntemperatur	Wärmezufuhr und Kernreaktion
Presskraft und Weg	Belastung, Verdichtung und Dickenänderung
Innendruck oder Abluft	Dampfaufbau oder -austritt, sofern messbar
Endmasse, Dicke und Prüfungen	Trocknung, Dichte und Qualität

Erfassen Sie Anfangszustand, Wärmegrenze, Kernreaktion, Verdichtung, Hinweise auf Trocknung und Endqualität. Zu jedem Signal gehört eine konkrete Prozessentscheidung.[3][6]

Von der Zeitsteuerung zur validierten Zustandssteuerung

Die Materialwissenschaft verknüpft Verarbeitung, Struktur und Eigenschaften. Die Regelungstechnik verknüpft Messung, Zustandsschätzung, Entscheidung und Aktion. Schwankende Rohstoffe erfordern beides.[2][6]

Eine Trocknungsstufe könnte bei nachgewiesenem Materialzustand enden statt nach zehn Minuten. Die Regel muss für Material und Geometrie experimentell bestätigt werden; ein Sensorsignal allein beweist keinen trockenen Kern.[2][6]

Der erste Pilot soll Erkenntnisse liefern

Er sollte Temperaturverläufe reproduzieren, Einflüsse der Anfangsfeuchte zeigen und Druck- sowie Wegverläufe mit mechanischen Eigenschaften verbinden. Auch Fehlversuche gehören in die Aufzeichnung.[2]

Industriell nutzbar wird ein nachhaltiger Werkstoff, wenn verschiedene Chargen bei Zielgröße und Zielzyklus wiederholt die Qualitätsanforderung erfüllen. Die Rezeptur ist nur der Anfang.[2]