Faipari technológiák

Átírás

1 Faipari technológiák Összeállították: Dr. Kovács Zsolt, Dr., Dr. Süveg József, Dr. Csiha Csilla, Horváth Péter György, Hargita József, Szemerey Tamás, Papp Tibor Tantárgy óraszáma: 2 (előadás) Tantárgy kreditpontja: 3 A tantárgy tervezési feladattal és ZH-val zárul. NYME FMK TGYI

2 A tantárgy az alábbi témakörök ismeretére épít: Középiskolai matematika, Fizika, Statika, Elemi szilárdságtan, Általános géptan, Gépelemek A tantárgy célkitűzése: Megismertetni hallgatókkal a természetes faanyag makroszkopikus és mikroszkopikus felépítését, fizikai és megmunkálási tulajdonságait, a fa alapú ipari alapanyagok (fűrészárú, furnér, kompozit lemezféleségek) tulajdonságait és gyártási eljárásait, a másodlagos faipari megmunkálásban alkalmazott technológiákat (mechanikai megmunkálás, ragasztás, felületkezelés) és ezekkel előállított fő termékcsoportok (bútorok, épületasztalos termékek, fa épületszerkezeti elemek) gyártási eljárásait. Összeállította: Dr. NYME FMK TGYI /2. fólia

3 A tárgy tematikája: Faipari Technológiák 1. hét: A világ és M. o. erdősültsége. Faféleségek. A fatest felépítése makroszkópikus, mikroszkópikus és szubmikroszkópikus szinten. Fahibák. 2. hét: A faanyag műszaki jellemzői. 3. hét: Az elsődleges faipar technológiái és termékei: fűrészipari feldolgozás, fűrészáru. 4. hét: Az elsődleges faipar technológiái és termékei: forgácslapok, farostlemezek, gyártásuk. 5. hét: Furnérok és furnéralapú termékek. Műszaki fatermékek. 6. hét: Mechanikai megmunkálás. Fűrészelési, marási,gyalulási műveletek alapgépeken, célgépeken NYME FMK TGYI /3. fólia Összeállította: Dr.

4 A tárgy tematikája: Faipari Technológiák 7. hét. Mechanikai megmunkálás: felsőmarási, fúrási műveletek alapgépeken, célgépeken, CNC központokon. 8. hét: Mechanikai megmunkálás, csiszolás,hajlítás, tömörítés 9. hét: Faanyagok ragasztása 10. hét: Fatermékek felületkezelése 11. hét: Faipari termékek és gyártásuk: bútorok 12. hét: Bútorok és gyártási folyamataik 13. hét: Ajtók, ablakok és gyártásuk 14. hét: Zárthelyi dolgozat NYME FMK TGYI /3. fólia Összeállította: Dr.

5 Faipari Technológiák Jegyzet, tankönyv, felhasználható irodalom: Molnár Sándor: Faanyagismeret. Jegyzet, Mezőgazdasági Szaktudás Kiadó Budapest Molnárné Posch Paula szerk.: Faipari Kézikönyv II. Faipari Tudományos Alapítvány Sopron, Szabó Imre: Mechanikai Megmunkálás és Kárpitozás A kötet. Jegyzet, NYME, Sopron Sitkei György szerk.: A faipari műveletek elmélete. Mezőgazdasági Szaktudás kiadó Kft. Budapest NYME FMK TGYI /4. fólia

6 A világ fakészlete: A föld erdősültsége: 30 % (4 Milliárd ha; 0,62ha/fő) Az erdőterület között évente 7.3 M ha-ral csökkent (Európában növekedett) Az élőfa-készlet nagysága 2005-ben: 434 Milliárd m3 Ez a biomassza 283 Gt szenet tárol Az erdők összetétele: 33% fenyőfélék 67% lombos fajok 2005-ben kitermelt mennyiség: 2.8 Mrd m3 ennek 40%-a tűzifa NYME FMK TGYI /5. fólia

7 A világ fakészlete: A föld erdősültsége: 30 % (4 Milliárd ha; 0,62ha/fő) Az erdőterület között évente 7.3 M ha-ral csökkent (Európában növekedett) Az élőfa-készlet nagysága 2005-ben: 434 Milliárd m3 Ez a biomassza 283 Gt szenet tárol Az erdők összetétele: 33% fenyőfélék 67% lombos fajok 2005-ben kitermelt mennyiség: 2.8 Mrd m3 ennek 40%-a tűzifa NYME FMK TGYI /5. fólia

8 Magyarország fakészlete: Az erdőterületek nagysága: 1,74 M ha, 18,7% Fontosabb fafajok: - tölgy 21,9% - akác 20,2% - fenyőfélék 15% - cser 11,4% - nyárfélék 9,5% - bükk, gyertyán Éves kitermelt mennyiség: bruttó 6,7 M m3 A választék összetétele: fűrészipari rönk: 21,8% rostfa, forgácsfa: 13,6% papírfa: 8,7% lemezipari rönk: 1,4% Ipari fa : 55% / Tűzifa: 45% A fafeldolgozás tagolódása: Hengeresfa feldolgozás Fűrészipar Furnérgyártás Rétegelt-lemez gyártás Forgácslap gyártás Farostlemez gyártás Cellulóz gyártás Vegyi feldolgozás Továbbfeldolgozás Bútoripar Épületasztalos ipar Vegyes faipar (sportszer,stb.) Csomagolóeszközgyártás Papíripar Összeállította: Dr. Kovács Zsolt, Dr. NYME FMK TGYI /6. fólia

9 A fa felépítése A fa részei: gyökér (12-25%), törzs (55-90%), korona (5-20%) Dendromassza, fitomassza Max. méretek: magasság: m mellmagassági átmérő: 1 11m Maximális életkor: év Átlagos jellemzők vágásérett korban: Fafaj Kor Magasság, m Mellm. átm., cm Tölgy Akác Lucfenyő Cser Óriás nyár Összeállította: Dr. Kovács Zsolt, Dr. NYME FMK TGYI /7. fólia

10 Makroszkopikus szerkezet: 1. Kéreg 2. Háncs 3. Szíjács 4. Geszt 5. Bél NYME FMK TGYI /8. fólia

11 Szíjács Geszt Színes gesztű fafajok Szíjácsfák Érettfák Juvenilis fa Érettfa NYME FMK TGYI /9. fólia

12 Juvenilis fa Érettfa NYME FMK TGYI /9. fólia

13 NYME FMK TGYI /10. fólia

14 NYME FMK TGYI /10. fólia

15 Évgyűrűszerkezet: - Korai v. tavaszi pászta - Késői v. nyári pászta - Növekedési zónák Az évgyűrűszélesség és a fizikai/ mechanikai tulajdonságok kapcsolata Az évgyűrűszélesség kialakulását befolyásoló tényezők: genetikai adottságok ökológiai tényezők erdőművelés DENDROKRONOLÓGIA Összeállította: Dr. NYME FMK TGYI /11. fólia

16 Mikroszkopikus szerkezet: A növényi sejt alkotórészei: Aktív, élő részek:citoplazma, sejtmag, sejtszervecskék Passzív, holt részek: sejtfal, zárványok Alakjuk szerint megkülönböztetünk: Parenchima sejteket: minden irányban közel azonos méretűek, nehezen fásodó, vékony falú sejtek (faparenchima, bélsugárparenchima) Prozenchima sejteket: hosszúkás, hegyesedő végű, vastag falú, korán fásodó sejtek (tracheidák, farostok) A fatest elemei szerepük alapján: Szállító elemek (edények, áledények) Szilárdító elemek (farostok, rosttracheidák) Raktározó elemek: (faparenchimák, bélsugár parenchimák) NYME FMK TGYI /112. fólia Összeállította: Dr. Készült a Nemzeti HEFOP Operatív Programja keretében

17 Fenyőfélék (Gymnospermae): Tracheidák (95%): késői, korai Bélsugártracheidák Faparenchimák Epitélsejtek Bélsugár Összeállította: Dr. NYME FMK TGYI /13. fólia

18 Fenyőfélék (Gymnospermae): Összeállította: Dr. NYME FMK TGYI /14. fólia

19 Lombosfák (Angiospermae): Tracheák : gyűrűs likacsú, szórt és félig szórt likacsú fafajok Libriform rostok Faparenchimák Bélsugarak Tilliszek, tilliszesedés Összeállította: Dr. NYME FMK TGYI /15. fólia

20 Lombosfák (Angiospermae): NYME FMK TGYI /15. fólia

21 A fa kémiai összetétele: Fa Lignin F: 25% ; L: 21% Szénhidrátok Járulékos (extrakt) anyagok, 2-8 % Cellulóz 45% Hemicellulóz F: 25%; L: 35% NYME FMK TGYI /18. fólia

22 A fa kémiai összetétele: 1. A cellulóz: Poliszacharid A sejtfal, fatest vázát alkotja Monomerje a β-d-glükóz, n= (8000) Lineáris felépítés NYME FMK TGYI /18. fólia

23 A fa kémiai összetétele: 2. A hemicellulóz: 5-6 cukor kombinációja (xilán, arabán, galaktán, mannán) Támasztó, kitöltő szerep Amorf, elágazó polimer n= NYME FMK TGYI /18. fólia

24 3. A lignin: Aromás vegyület Térhálós, amorf szerkezet Fenilpropánok kopolimerje Magas molekulatömeg Összekötő, ragasztó, merevítő, kitöltő szerep Gombák, enzimek által nehezen lebontható anyag 4. Járulékos anyagok: A fa fizikai, technológiai tulajdonságait (szín, illat, higroszkóposság, telíthetőség, ragaszthatóság) befolyásoló anyagok Fenolos gesztanyagok (lignánok, fenolok, tanninok, flavonoidok) Gyanták és terpének Cukrok, zsírok, viaszok, alkaloidok NYME FMK TGYI /19. fólia

25 Szubmikroszkopikus szerkezet: Elemi fibrilla (Micella) Mikrofibrilla (elemi fibrillák kötege) NYME FMK TGYI /17. fólia

26 Szubmikroszkopikus szerkezet: NYME FMK TGYI /17. fólia

27 Szubmikroszkopikus szerkezet: 1. Cellulóz 2. Elemi rost- elemi fibrilla 3. Mikrofibrilla 4. Fibrilla 5. Másodlagos sejtfal 6. Tracheida metszet 7. Tracheida NYME FMK TGYI /17. fólia

28 A sejtfal rétegződése: Középlemez Elsődleges (primer) sejtfal Másodlagos (szekunder) sejtfal S1 S2 S3 (Lamella = mikrofibrillák szövedéke) mikrofibrillák lefutási szöge NYME FMK TGYI /16. fólia

29 Fahibák: Az élőfa hibái: A holt fa hibái: Göcsök Benőtt Részben benőtt Nyitott Rendellenes elszíneződés Rovarkárosítás Gombakárosítás Repedések A törzs alaki hibái Rendellenes elszíneződés Szöveti fejlődési hibák Ferdeszálúság Fodrosság, csomorosság Reakciófa Álgeszt Repedések Deformációk Görbülés Vetemedés Kajszulás Mechanikai sérülések Megmunkálási hibák Sérülések és egyéb károsodások NYME FMK TGYI /21. fólia

30 Fahibák: NYME FMK TGYI /22. fólia

31 Faanyagvédelem: Károsodást okozó tényezők: abiotikus: öregedési folyamat biotikus: Baktériumok Gombák Fülledés Álgesztesedés Korhadás Fagyöngy Állatkárok Faanyagvédelmi technológiák: Hőkezelés Gázosítás Mázolás, szórás, mártás, áztatás Telítés (vakuummal, ill. nyomással) Környezeti hatások: A: belső száraz tér, B: belső vagy fedett külső tér C: Nedves beltér, nem fedett kültér D: folyamatos érintkezés talajjal és vízzel Faanyagvédő szerek: Égéskésleltetők Vízfelvételt gátlók Fény káros hatását mérséklők Gombaölők (Fungicidek) Rovarok elleni szerek (Insecticidek) NYME FMK TGYI /23. fólia

32 Faanyagvédelmi technológiák, hőkezelt fa: NYME FMK TGYI /24. fólia

33 Faipari technológiák A faanyag tulajdonságai NYME FMK TGYI

34 A faanyag tulajdonságai: Általános jellemzők Sűrűség Fa-víz kapcsolat Fizikai tulajdonságok: Elektromos tulajdonságok Hőtechnikai és égési tulajdonságok Akusztikai tulajdonságok Optikai tulajdonságok A faanyag tartóssága Mechanikai tulajdonságok: A faanyag rugalmassága A faanyag szilárdsága A faanyag viselkedése tartós terhelésre NYME FMK TGYI /2. fólia

35 1. Általános jellemzők: c. inhomogén anyag d. ortogonálisan anizotróp e. porózus NYME FMK TGYI /3. fólia

36 1. Általános jellemzők: a. 3 fázisú rendszer (tömörfa-víz-levegő) b. részben kristályos szerkezet NYME FMK TGYI /3. fólia

37 2. Sűrűség: abszolút tömör faanyag sűrűsége abszolút száraz fa sűrűsége nedves sűrűség ρ n = V légszáraz (normál) sűrűség bázisűrűség parciális sűrűség n relatív sűrűség (specific gravity) ρ b = sűrűség-meghatározási módszerek (γ, ipari röntgen) a faanyag sűrűségét befolyásoló tényezők m 0 V max m ρ' n n n = m 0 V ρ 0 ρ N = = m V 0 0 m V N N ρ tf = m 0 V tf ( ) ρ 0 = ρtf 1 P NYME FMK TGYI /4. fólia

38 2. Sűrűség: Anyag abszolút tömör faanyag Nyár Lucfenyő Bükk Tölgy Akác Balsa Teak Életfa (Lignum vitae, Guaiacum officinale) Sűrűség, kg/m 3 ~ Anyag Kevlár Gumi Polietilén Polisztirol Poliuretán Polivinilklorid Porcelán Al Ólom Platina NYME FMK TGYI /5. fólia Sűrűség, kg/m

39 A sűrűség ingadozása: NYME FMK TGYI /6. fólia

40 3. Fa-víz kapcsolat: a faanyag nedvességtartalma szorpciós jelenségek, hiszterézis a kötött és szabad víz a faanyag dagadása-zsugorodása a fanedvesség mérési módszerei a faanyag permeabilitása a.) A faanyag nedvességtartalma u = m n m0 mv 100 = 100; [%] m m 0 A víz megjelenési formája a fában: - kötött víz - szabad víz 0 NYME FMK TGYI /7. fólia Fokozat Absz. száraz Túlszárított Szobaszáraz Légszáraz (lab.) (üz.) Félszáraz Rostelítettségi Félnedves Élő nedves Absz. nedves u, % (16-64) (31-767)

41 3. Fa-víz kapcsolat: Természetes rost nedvességi állapotai: NYME FMK TGYI /8. fólia

42 3. Fa-víz kapcsolat: Vízleadás, vízfelvétel a levegő nedvességéből: NYME FMK TGYI /10. fólia

43 3. Fa-víz kapcsolat: b.) Szorbciós jelenségek, hiszterézis: NYME FMK TGYI /9. fólia

44 3. Fa-víz kapcsolat: Faanyagok többrétegű szorpciójának Dent-féle mechanizmusa NYME FMK TGYI /9. fólia

45 3. Fa-víz kapcsolat: c.) A víz mozgása a fában 2256 KJ/kg 4 KJ/mol 4500 KJ/kg 20 KJ/mol 474 KJ/mol NYME FMK TGYI /11. fólia

46 3. Fa-víz kapcsolat: d.) A faanyag dagadása-zsugorodása : A cellulóz lánckötegek orientációja a faanyagban a dagadás és zsugorodás anizotrópiájának forrása NYME FMK TGYI /12. fólia

47 3. Fa-víz kapcsolat: d.) A faanyag dagadása-zsugorodása : A nedvességtartalom térfogat-változtató hatása: anizotróp duzzadás - zsugorodás M - középlemez P - elsődleges sejtfal S 1 - másodlagos sejtfal külső réteg S 2 - másodlagos sejtfal középréteg S 3 - másodlagos sejtfal belső réteg W - szemölcsös fal A molekulalánc-kötegek irányítottsága a sejtfal rétegeiben Anyag: fenyő tracheida NYME FMK TGYI /13. fólia

48 3. Fa-víz kapcsolat: d.) A faanyag dagadása-zsugorodása : Méretváltozás a faanyag száradásakor különböző irányokban a végnedvesség függvényében NYME FMK TGYI /14. fólia

49 A nedvességtartalom térfogat-változtató hatása: dagadási nyomás Nyúlásmérő bélyegek Acélgyűrű Nedvesedéskor fellépő dagadási nyomás magyarázata és mérése NYME FMK TGYI /14. fólia

50 A nedvességtartalom térfogat-változtató hatása: Zsugorodási repedések (szárításkor) NYME FMK TGYI /14. fólia

51 3. Fa-víz kapcsolat: d.) Nedvességmérési módszerek: - szárításos eljárás - extrakciós eljárás - ellenállás elven működő nedvességmérő - dielektromos elven működő nedvességmérő - légnedvesség mérésén alapuló készülékek - spektrométeres eljárás - sugárzásos módszer NYME FMK TGYI /15. fólia

52 4. Elektromos tulajdonságok: fajlagos ellenállás és vezetőképesség a faanyag dielektromos tulajdonságai elektromos szilárdság piezoelektromos hatás A faanyagok villamos ellenállásának csökkenése a nedvességtartalom növekedésével NYME FMK TGYI /16. fólia

53 4. Elektromos tulajdonságok: Faanyagok dielektromos állandójának változása a nedvességtartalom függvényében hárs kőris bükk Tölgy Összeállította: Dr. Kovács Zsolt Dr. NYME FMK TGYI /17. fólia

54 5. Hőtechnikai és égési tulajdonságok: a fa hőtágulása a faanyag fajhője hővezetés hőelnyelés a faanyag égési sajátosságai (lobbanási, égési, gyulladási pont) a faanyag energetikai jellemzői Beégési sebesség: 0,3 0,8 mm/perc Égéshő: kj/kg Összeállította: Dr. Kovács Zsolt Dr. NYME FMK TGYI /18. fólia 105ºC ºC gázképződés 220 ºC.260 ºC lobbanáspont 290 ºC.290 ºC égési pont 350 ºC.470 ºC gyulladási pont A faanyag hővezetési tényezőjének növekedése a nedvességtartalom emelkedésével

55 6. Akusztikai faanyagjellemzők: a hang terjedése a fában akusztikai ellenállás, sugárzáscsillapítás hangelnyelés, hangszigetelés hangszerfák C = E ρ Összeállította: Dr. Kovács Zsolt Dr. NYME FMK TGYI /19. fólia c α = c Π sin n cπc α + σ cos n α

56 6. Akusztikai faanyagjellemzők: sugárzáscsillapít ás, akusztikai ellenállás δ s = 8 c ( 5 10 ) ρ Z = ρc = E ρ ρ K A = = 3 E ρ c ρ Összeállította: Dr. Kovács Zsolt Dr. NYME FMK TGYI /19. fólia

57 7. Optikai tulajdonságok: a faanyag rajzolata a faanyag színe a fa színét befolyásoló tényezők fényabszorpció és reflexiós tulajdonságok Összeállította: Dr. Kovács Zsolt Dr. NYME FMK TGYI /20. fólia

58 8. A faanyag tartóssága: éghajlati igénybevételek vegyi anyagok degradációs hatása a faanyag tartósságát befolyásoló tényezők a faanyagok, fatermékek ökológiai jellemzői Fafaj Lucfenyő Vörösfenyő Juhar Nyár Bükk Tölgy Akác Szabadban, védelem nélkül Áll. száraz állapotban Összeállította: Dr. Kovács Zsolt Dr. NYME FMK TGYI /21. fólia

59 Mechanikai tulajdonságok: 1. A faanyag rugalmassági jellemzői: Ortotróp anyag Összeállította: Dr. Kovács Zsolt Dr. NYME FMK TGYI /22. fólia

60 1. A faanyag rugalmassági jellemzői Általános Hooke-törvény: Összeállította: Dr. Kovács Zsolt Dr. NYME FMK TGYI /22. fólia

61 1. A faanyag rugalmassági jellemzői E L : E R : E T 20 : 1,6 : 1 G LR : G LT : G RT 10 : 9,4 : 1 E L : G LR 14:1 Összeállította: Dr. Kovács Zsolt Dr. NYME FMK TGYI /22. fólia

62 1. A faanyag rugalmassági jellemzői Összeállította: Dr. Kovács Zsolt Dr. NYME FMK TGYI /22. fólia

63 1. A faanyag rugalmassági jellemzői Összeállította: Dr. Kovács Zsolt Dr. NYME FMK TGYI /22. fólia

64 1. A faanyag rugalmassági jellemzői: E L húzás >E L nyomás K K K K K k K K K K K k Összeállította: Dr. Kovács Zsolt Dr. NYME FMK TGYI /22. fólia

65 Mechanikai tulajdonságok: 2. A faanyag szilárdsága: húzószilárdság σ h = MPa nyomószilárdság σ ny = MPa nyírószilárdság csavaró szilárdság τ =9..15 MPa τ=0,5..15 MPa kihajlási szilárdság 2.10 J/cm 2 hajlítószilárdság ütő-hajlító szilárdság keménység hasítószilárdság szeg- és csavarállóság Összeállította: Dr. Kovács Zsolt Dr. NYME FMK TGYI /22. fólia σ u = σ uπ σ( θφ) = 2 2 σ σuπσu n sin θ + σ ul sin σ L σ θ + σ u φ cos φ n cos θ θ

66 1. szilárdsági, rugalmassági jellemzők: a. ortogonálisan anizotróp NYME FMK TGYI /3. fólia

67 Mechanikai tulajdonságok: 2. A faanyag szilárdsága: a szilárdság függése az erő és a rostirány közötti szögtől Összeállította: Dr. Kovács Zsolt Dr. NYME FMK TGYI /22. fólia

68 Mechanikai tulajdonságok: 2. A faanyag szilárdsága: hajlítószilárdság Összeállította: Dr. Kovács Zsolt Dr. NYME FMK TGYI /22. fólia

69 Mechanikai tulajdonságok: 2. A faanyag szilárdsága: ütő-hajlító szilárdság Összeállította: Dr. Kovács Zsolt Dr. NYME FMK TGYI /22. fólia

70 Mechanikai tulajdonságok: 2. A faanyag szilárdsága: keménység Összeállította: Dr. Kovács Zsolt Dr. NYME FMK TGYI /22. fólia

71 Mechanikai tulajdonságok: 3. A faanyag reológiai tulajdonságai: A faanyag viszko- elasztikus anyag Összeállította: Dr. Kovács Zsolt Dr. NYME FMK TGYI /22. fólia

72 Mechanikai tulajdonságok: 3. A faanyag reológiai tulajdonságai: Összeállította: Dr. Kovács Zsolt Dr. NYME FMK TGYI /22. fólia

73 Mechanikai tulajdonságok: 3. A faanyag reológiai tulajdonságai: Összeállította: Dr. Kovács Zsolt Dr. NYME FMK TGYI /22. fólia

74 A kúszás jelensége Kúszás féligkristályos polimerben (faanyag,lehajlás) Nyomott öv Húzott öv Összeállította: Dr. Kovács Zsolt Dr. NYME FMK TGYI /22. fólia

75 A relatív kúszás és a feszültségszint kapcsolata Feszültségsz int σ = 100 σ B Re latív kúszás = δ δ 1 δ 0 0 Összeállította: Dr. Kovács Zsolt Dr. NYME FMK TGYI /22. fólia

76 Rétegelt-ragasztott fatartó kúszási görbéje Összeállította: Dr. Kovács Zsolt Dr. NYME FMK TGYI /22. fólia

77 Papír húzóterhelésekor fellépő kúszás A kúszás minden anyagban felléphet Összeállította: Dr. Kovács Zsolt Dr. NYME FMK TGYI /22. fólia