CoPaCabANi: Machbarkeitsstudie für schwachstromleitende Holzwerkstoffplatten

Die Integration einer Leuchte im Möbel erscheint einfach. Soll dieses aber ohne Verkabelung geschehen, muss eine neue Lösung gefunden werden. Genau darum geht es im Projekt „CoPaCabANi“: Um die Entwicklung einer stromleitenden Möbelplatte.

Steckbrief

Lead-Departement Architektur, Holz und Bau
Institut(e) Institut für Baustoffe und biobasierte Materialien IBBM
Forschungseinheit(en) Fachgruppe Werkstoffe und Ökobilanzierung FGWO
Förderorganisation Innosuisse
Laufzeit 03.08.2020 - 08.01.2024
Projektverantwortung Prof. Dr. Heiko Thömen
Projektleitung Christof Tschannen
Projektmitarbeitende Christof Tschannen
Prof. Dr. Heiko Thömen
Dr. Ali Shalbafan
Schlüsselwörter Holzwerkstoffe; Möbel; Beleuchtung; kabellose Stromleitung

Ausgangslage

Die Integration von elektronischen Bauteilen in Möbeln ist heute kaum mehr wegzudenken. Dies bedeutet aber auch, dass für die Kabelführung im Möbel neue Lösungsansätze gefunden werden müssen. Das Projekt CoPaCabANi (Conductive Particleboard for Cabinets At Night) verfolgt dabei den Ansatz, die elektronischen Bauteile ohne Kabel mit Strom zu versorgen. Der Grundstein zu dieser Idee wurde im BFH-Projekt «Smart Electronic Furniture» gelegt, unter anderem mit dem Konzept einer stromleitenden Platte. Die kabellose Stromversorgung von z. B. LED-Leuchten ermöglicht völlig neue und bisher unbekannte Möglichkeiten bei der Innenbeleuchtung oder Beleuchtung von Möbel bzw. Holzoberflächen und deren gestalterischen Einsatz. Durch die Verwendung von stromleitenden Platten lassen sich LED-Leuchten und ggf. weitere elektronische Bauteile hochflexibel, kabellos und damit kostengünstig im Möbel platzieren. Im Rahmen dieser Machbarkeitsstudie sind wichtige Fragen hinsichtlich der Verfahrenstechnik, Werkstoffeigenschaften und Produktionskosten zu klären. Der Fokus in dieser Machbarkeitsstudie liegt auf der Weiterentwicklung der stromleitenden Platte und ihrer Eigenschaften, um eine Entscheidungsgrundlage für eine weiterführende Technologieentwicklung mit Umsetzungspartner zu erarbeiten.

Vorgehen

Eine handelsübliche Holzwerkstoffplatte leitet keinen Strom. Damit die Platten den Strom leiten, muss eine geringe Menge an elektrisch leitfähigem Material (Additive) beigemischt werden. Im Vorgängerprojekt wurden dafür Carbonfasern eingesetzt. In einem ersten Schritt soll nun abgeklärt werden, ob andere Additive für die stromleitenden Platten eingesetzt werden können. In einem nächsten Schritt sollen die Platten mit den ggf. neu gewählten Additiven weiterentwickelt werden, um die bestmögliche Leitfähigkeit bei möglichst tiefem Anteil des Additivs zu erzielen. In der vorherigen Konzeptstudie zeigten sich Schwierigkeiten bei der homogenen Durchmischung der Holzspäne und der Carbonfasern mit Auswirkungen auf die Plattenoberfläche, Aussehen der Platte und deren Weiterverarbeitung, z. B. beim Beschichten. Nach erfolgreicher Weiterentwicklung der stromleitenden Platte steht deshalb die Weiterverarbeitbarkeit im Fokus. Dabei ist abzuklären, ob die Verbesserungen an der Platte diese bereits positiv beeinflusst haben oder ob die schlechte Weiterverarbeitbarkeit eine andere Ursache hat. Am Ende des Projektes steht die Entwicklung und Anfertigung eines Demonstrationsobjekts. Die ökonomischen- sowie ökologischen Auswirkungen der Entwicklung werden parallel evaluiert. Insbesondere die Möglichkeit des Recyclings der Platte oder von einzelnen Bestandteilen wird betrachtet. Als Ergebnis dieser Untersuchung soll ein Konzept zum Recycling von stromleitenden Holzwerkstoffplatten vorliegen.

Ergebnisse

Carbonfasern ermöglichen auch nach der Analyse weiterer Additive die besten Ergebnisse für die Anwendung in Holzwerkstoffen, um deren Leitfähigkeit zu erhöhen. Es wurde ein Verfahren entwickelt, welches ein nahezu perfekt homogenes Vermischen von Holzspänen oder Holzfasern mit Carbonfasern ermöglicht. Durch die verbesserte Vermischung konnte auch der Anteil an Carbonfasern deutlich reduziert werden. Obwohl weniger Carbonfasern zum Einsatz kommen, ist der Leitwert mindestens so gut wie vorher und teils sogar besser als in der Konzeptstudie. Um eine gute Weiterverarbeitung gewährleisten zu können, wurde der Aufbau der Platte verändert. Zuvor wurde auf eine 3-lagige Schichtung der Materialien gesetzt. Die optimierte Platte besteht aus fünf Schichten, wobei die äusseren Schichten der Oberfläche von herkömmlichen Holzwerkstoffen entsprechen. Dabei wurde insgesamt nicht mehr Material eingesetzt, vielmehr wurden die Materialien anders verteilt. Der Anteil an Carbonfasern konnte weiter reduziert werden, da die leitfähige Schicht pro Lage nur noch ca. 1.5 mm dick ist. Insgesamt konnte der Carbonfaseranteil bezogen auf die Holzmasse auf unter 1 % gesenkt werden bei deutlich besserer Leitfähigkeit im Vergleich zur Konzeptstudie. Aus den Platten wurde ein Demonstrationsobjekt gefertigt. Die Oberflächen der Platte konnte mit Furnier beschichtet werden und die Beleuchtung im Möbel funktioniert bestens ohne Kabel. Ein Konzept zur Recyclingfähigkeit der Platten wurde ebenfalls ausgearbeitet.

Ausblick

Die von uns entwickelten schwachstromleitenden Möbelplatten sowie ein LED-Steckverbinder für Dreischichtplatten sind mittlerweile zum Patent angemeldet. Bei erfolgreichem Abschluss der Machbarkeitsstudie ist vorgesehen, das Produkt bzw. die Idee zusammen mit einem Umsetzungspartner zur Marktreife weiterzuentwickeln. In der aktuellen Machbarkeitsstudie konnten bereits Gespräche mit möglichen Partnern sowohl in der Schweiz aber auch international geführt werden. Das Interesse seitens der Möbel- und Möbelzulieferbranche ist gross.