Internrapport Nr 42/96 KTH Produktion och provning av radialsagat tra. Slutrapport Dick Sandberg Stockholm 1996 I ntern rapport Inst. for Produktionssystem avd. Trateknologi Kungl Tekniska Hogskolan 100 44 Stockholm TRA
Forord Vid institutionen for Produktionssystem, avdelning Tditeknologi (KTH-Tdi) har vi ansvar for studieinriktningen Trateknologi inom fakulteten MMT. Darutover bedrivs har FoU-verksamhet som ar starkt sammanlankad med utbildningen. Hela verksamheten, saval utbildning som forskning, har som utgangspunkt att vi vill oka forstaelsen for sambanden mellan tramaterialet, marknaden och de industriella processerna. Under senare ar har vi intensivt sokt och senare utvecklat profilen for en sammanhallen verksamhet som ligger inom denna grundsyn och som samtidigt lampar sig for en god integration mellan utbildning och forskning. Ledordet for var inriktning ar "Vardeaktivering". Vi vill aktivera varden som finns hos tra, men som i dagens industriella system inte tas till vara.!nom programmet "Vardeaktivering" testar vi saledes forutsattningarna for och mojligheterna att utveckla och tillverka traprodukter med battre formstabilitet, hogre hardhet och attraktivare utseende an dagens traprodukter. Manga av projekten ar vetenskapliga fordjupningar, som skall ge underlag for tillampningar. Vart FoU-program har till stor del kunnat bedrivas tack vare ekonomiskt stod fran sagverksindustrin via Trateks ramprogram och fran NUTEK samt i nagot fall SJFR. Vissa delar av programmet som medgett utvidgade undersokningar och utveckling av produktionsteknik har finansierats av medel fran foljande organ med koppling till Sveriges nordligaste Ian: Arjeploggruppen, 3 lansdelegationen, Lansstyrelsen i BD-Ian, utvecklingsfonden i BD-Ian samt Norrbottens Forskningsrad. Delar av virket har erhallits fran SABI respektive Iggesund Timber AB. loch med denna slutrapport av de delprojekt som drivits med bas i Arjeplog vill jag rikta ett varmt tack till alla vara finansiarer saval som till vara samarbetspartners framst da Timber-line och A-Tra. Vi har genom delprojektet tagit ett vasentligt steg mot fortsatta til1ampbara resultat. Jag ar overtygad om att alla skall bli forvissade om att man har satsat pa ett FoU-program som dels okar vart baskunnande, dels ger utvecklade tillampningar for industriellt utnyttjande. Stockholm i september 1996 Martin Wiklund KTH-Tra 1
Bakgrund Forskningen vid KTH-Tra har under senare ar varit baserad pa ett val sammanmllet och langsiktigt FoU-program som vi valt att kalla Viirdeaktivering /ref I, 2, 3/. Forutsattningarna for programmet bygger pa en grundlaggande syn pa tramaterialet, namligen att det finns egenskaper i traet som idag sallan utnyttjas men som med ett annat forfarande vid sonderdelningen av stocken, istallet skulle kunna komma till anvandning. En barande ide i detta fall ar att i industriell skala producer a virke och traprodukter med staende arsringar dar man drar nytta av tramaterialets basta egenskapsprofil och darigenom aktiverar traets inneboende varden. En ide som tidigt vaxte fram inom program Vtirdeaktivering var att saga ut virkesstycken med rektangulart och triangulart tvarsnitt i ett monster som ger ett bra virkesutbyte. Sagmetoden som ger virke med staende arsringar benamns stjiirnsagning, figur 1. Eftersom den juvenila veden, dvs veden i stockens centrum' figur 2, sagas bort kan man ur virkesstyckena tillverka produkter som uppfyller mycket hoga krav vad galler formstabilitet, sprickfrihet hardhet och utseende. For att utveckla och testa stjarnsagningstekniken och olika produkter tillverkade av det utsagade virket startades projektet Produktion och provning av radialsagat trti. Malet var att utveckla en smaskalig sag for stjarnsagning av grovt timmer och saga material for produktion av traprodukter enligt KTH-Tras koncept Vtirdeaktivering. Produkterna skall utnyttjas till lang- och kortsiktiga tester samt till referenser for marknadsforing av produktideerna. Figur 1 Stjarnsagning - nytt sonderdelningsmonster for produktion av hogkvalitativt virke med staende arsringar. 2
Organisation och finansiering Arjeplog valdes som ort for etablering av sagprojektet. Timber-Line & Co AB utfor sjalva stjarnsagningen medan sagverksforetaget A-Tra utfor torkning och trucktransporter. Organisatoriskt och administrativt har projektet hanterats pa foljande satt: Ett foretag Stjamsagning i Arjeplog AB bildades med Timber-Line & Co AB och A-Tra som huvudaktieagare. (loch med A-Tra:s konkurs over tog Timber-Line A-Tra:s aktiepost.) Stjarnsagning i Arjeplog AB har i samverkan med KTH-Tra utvecklat sagteknik och genomfort provsagningar. Detta har framst genomforts via upphandling av tjanster fran Timber-Line och A-Tra. Arjeploggruppen tog samordningsansvaret for en totalfinansiering av projektet, vilket visade sig ha stor betydelse for projektets genomforande. De totala projektkostnaderna pa 2275 kkr fordelades mellan Arjeploggruppen, 3-lansdelegationen, lanstyrelsen i BD-lan, utvecklingsfonden i BD-lan samt Norrbottens Forskningsrad: Arjeploggruppen 22% Strukturanslag, BD-, AC- och Y-lan 33% Lanstyrelsen i BD-lan 11% Utvecklingsfonden i BD-lan 22% Norrbottens Forskningsrad 12 % Iggesund Timber har skankt viss timmerravara medan resten av timret kopts till ofta reducerade priser av olika sagverk. Det producerade materialet har forutom i de delar som finansierats av detta projekt utnyttjats i manga andra projekt som ligger inom ramen for KTH-Tras FoU-program. Dessa har finansierats framsta av sagverksindustrin i Sverige vis Trateks ramprogram, NUTEK, Nils och Dorthi Troedssons Forskningsfond, SJFR, KTH samt sabi. splintved karnved marg juvenil ved Figur 2 Tvarsnitt av tradstam visande margens, juvenilvedens, karnvedens och splintens lage. 3
Resultat och erfarenheter Projektarbetet har indelats i tre huvudomraden: sonderdelningsteknik, kvalitet och egenskaper hos ravara och sagat virke, samt produkter av stjarnsagat virke. Vi skall har ge en mycket kortfattad redovisning av resultat och erfarenheter som framkommit inom respektive omrade. Sonderdelningsteknik for stjamsagning I rapporten Utveckling av anliiggning for stjiirnsagning /ref 4/ ges en detaljerad beskrivning av uppbyggnaden av pilotanlaggningen i Arjeplog samt genomfo rande av provsagningar till och med forsta halvaret 1994 /ref 5,6,7,8/. Den utveckling som skett darefter har framst bestatt i forbattringar och utbyggnad av kringutrustning for rationellare hantering av virket efter sonderdelningen. Den valda sonderdelningstekniken visade sig vara mycket lamplig i det tidiga utvecklingsskede som stjarnsagningstekniken befann sig i vid projektets borjan / ref 9/. Dock har det visat sig att produktionstekniken inte ar lamplig for ra tionell och ekonomiskt lonsam produktion av stjamsagat virke /ref 9,10,11/. Torkningen av det stjarnsagade virket har skett tillsammans med A-Tra:s nor mala produktion. En ny strolaggningsmetod har tagits fram for trekantprofi lerna /ref 9,12/. Torkningsresultaten har varit mycket goda och ytterligare for battringar av torkningstekniken har inte ansetts vara av primart intresse. Kvalitet och egenskaper hos ravara och sagat virke Stjarnsagning ar bast lampad for grovt och overgrovt timmer / ref 9/. Provsagningar har genomforts med sadant timmer av furu och gran fran olika regioner i Sverige. Resultaten fran dessa sagningar tyder pa att timmer fran mellersta och norra Sverige ar en lamplig ravara for tillverkning av hogkvalita tiva amnen med staende arsringar till snickeriindustrin /ref13, 14/. Det har dock visat sig att ravara avverkad i fjallnara regioner ar mindre lampad for stjarnsagning pa grund av hog frekvens av inre defekter sasom sprickor, tjur och vattved samt i viss man rota. Det bor poangteras att detta ar en slutsats dragen utifran de provsagningar som genomforts och att variation i timmerkva litet inom en och samma region kan vara mycket stor. Volymutbytet av virke vid stjarnsagning ar hogt, omkring 15 % hogre an vid traditionella sagmetoder /ref 5, 7,9, 15/. Drygt half ten av utbytet utgors av virke med rektangulart tvarsnitt och resterande volym ar trekantprofiler. K vistutseendet i virkesytan hos stjarnsagat virke ar annorlunda jamfort med traditionellt sagat virke vilket innebar att de sorteringsregler som idag anvands for virke inte kan tillampas / ref 13/. Metodik for andamalsanpassad sortering av radialskuret virke har tagits fram och tillampats i samarbete med virkesan vandare. Den annorlunda kvistformen medfor dessutom att vidarebearbet ningen av virket i vissa fall inte har kunnat genomforas pa brukligt satt. Hur detta lostes beskrivs langre fram. Undersokningar utforda pa det stjarnsagade virket har visat att betydelsen av att avlagsna margen och den juvenila veden ar av storre vikt for den slutliga virkeskvaliteten an vad tidigare antagits. Tydliga samband har pavisats mellan forekomst av juvenil ved och deformationsbenagenhet samt sprickforekomst hos det utsagade virket efter torkning /ref 16,17,18,19,20,21/. 4
Produkter av stjamsc\gat virke De vasentligaste egenskaper som kravs av tra for traprodukter, som skall kunna tillverkas rationellt, vara funktionella och fa ett hogt varde, kan beskrivas som noggrannhet i matt och geometri sprickfrihet kontrollerad fuktrorelse hog hallfasthet och hardhet goda estetiska och taktila egenskaper For att undersoka hur val stjarnsagat virke uppfyller dessa egenskapskrav vid anvandning i olika produkter har tester genomforts pa ett urval av produkter dar virke med staende arsringar antas vara speciellt fordelaktigt. Nagra av produkterna ar helt nya och andra har funnits pa marknaden sedan lang tid, men har givits ett hogre varde genom att de tillverkats med staende arsringar. Resultat fran de olika produkttesterna beskrivs har kortfattat. Golv: Den radiella tray tans hogre hardhet och den okade formstabiliteten som erhalls med staende arsringar utnyttjas i massiva tragolv. Ett flertal olika golvtyper har tillverkats och testats. Fordelarna med staende arsringar i dessa golv ar entydiga och resultaten ar direkt industriellt tillampbara /ref 22, 23/. Utvandig panel: JamfOrande forsok med konventionellt och stjarnsagade panelbrader malade med de vanligaste forekommande fargtyperna, visar att radiellt utsagade panelbrader har klara fordelar. Fargen faster battre och kupning och sprickbildning ar praktiskt taget eliminerade /ref 24,25,26,27/. Resultaten ar industriellt tillampbara. Lattbalk:!nom byggsektorn har lattbalkar i olika utforanden anvants i manga ar. En materialsnai balk har tillverkats och testats med trekantprofiler som flansar och trafiberskiva som liv /ref 28,29,30/. En vidareutveckling av balken till ett byggsystem ar nodvandig. Fonster: Fonster med staende arsringar tor de ha lagre underhallskostnader och langre livslangd an vanliga trafonster. Tester med stjarnsagat virke visar att fuktrorelserna i hornforbindningarna blir minimala. Den bestandiga karnveden ar i radiellt sagat virke entydigt orienterad och kan enkelt vandas utat dar fuktbelastningen blir extra stor /ref 31/. Forsok pagar aven med att anvanda trekantprofiler i fonsterkonstruktioner. Fortsatt utveckling och provning erfordras innan resultaten tillampas i industrin. List: Mojligheten att anvanda trekantprofil till lister har utvarderats. Saval tekniska, ekonomiska och estetiska aspekter har undersokts. Genom att anvanda trekantprofil far man staende arsringar som ger formstabilare lister. Provhyvlingar visade att trekantprofil gar att anvanda som utgangsmaterial till lister med hog kvalitet och fa ett bra utbyte /ref 32/. Resultaten ar industriellt tillampbara. I forsta hand erfordras emellertid en utveckling av en hyvelmaskin for produktion av listerna. 5
Staket: Ett staketsystem for utomhusbruk har tagits fram. Trekantprofilernas geometri och formstabilitet utnyttjas for att ge staketet lang livsuingd utan att kemiska impregneringsmedel behover anvandas Iref 33/. Systemet har presenterats for olika tillverkare. Andtra: Med andtra erhalls en hard och slitstark yta, vilket ar intressant i produkter som exempelvis go lv, trosklar och trappor. Ett fiertal andtraytor har tillverkats av trekantprofil och ytbehandlats pa olika satt. Skivorna har darefter genomgatt hardhetstester och mobelfaktatester. En ny metod har tagits fram for att utan kemisk behandling kunna minska fuktrorelserna i andtraytans plan Iref34, 35,36, 37, 38, 39,40,41/. Limtrabalk: Ett forslag till produktionslinje for tillverkning av limtrabalk av trekantprofiler har tagits fram. Balkar har tillverkats och testats. Balken har kontrollerade fuktrorelser och inre spanningar som uppstar vid fuktvariation minimeras som en foljd av att balken har staende arsringar. Sidoytoma ar radiella, vilket bl a medfor langsam fuktupptagning. Produktionstekniken ar likartad den for limfogskivor av trekantprofil 142/. Limfog: Trekantprofilerna anvands for att tillverka limfog med staende arsringar. Den ogynsamma kvistformen i virket medfor att de fiesta kvistar maste kapas b~rt. Genom att fingerskarva de framkapade amnena och samtidigt ta hansyn till arsringsorientering, karnvedsandel och arsringsbredd har en estetiskt tilltalande limfog med hog formstabilitet kunnat tillverkas 110,43,44,45, 46,47I. Limfog av trekantprofil ar den produkt som ligger narmast till hands for en kommersialisering. Slutsatser Projektet Produktion och provning av radialsagat tra har starkt medverkat till en snabb utprovning och kommer forhoppningsvis att paskynda exploateringen av ideer som framkommit inom FoU-program Vardeaktivering vid KTH-Tra. Det nya koncept for sonderdelning av overgrovt sagtimmer, stjarnsagning, som har testats i en pilotanlaggning i Arjeplog har ront stor nationell och intemationell uppmarks amhet. Saval sonderdelningsteknik som egenskaper hos virke och ravara fran olika delar av Sverige har studerats. Ett antal produktprototyper tillverkade av stjarnsagat virke med staende arsringar har tagits fram. Egenskapstester och marknadsorienterade undersokningar har genomforts for dessa produkter. Resultaten visar att stjarnsagningstekniken i de fiesta fall ger ett okat varde for de utsagade virket och produkter tillverkade av detta virke. Betydelsen av projektet pa regional niva ar svar att uppskatta men klart ar att stjarnsagningsprojektet pa sikt kommer att leda till fier tillampningar och arbetstilliallen i olika delar av landet. 6
Referenser 1. Wiklund, Martin: Vardeaktivering - ny forskningsinriktning vid Institutionen for trateknologi. 1991 TRITA-TRT-1991-45 2. Wiklund, Martin: Value activation - new sawing pattern give improved properties on wooden products. Paper at the 11th International wood machining seminar, Honne 1993. Nr 10/93 3. Wiklund, Martin: New sawing patterns give improved properties of wood products. WIN WOODWORKING INTERNATIONAL, 1994 Nr 16/93 4. Brask, Patrik: Utveckling av anlaggning for stjarnsagning. KTH-Tra Internrapport Nr 14/94 5. Nordfors, Lena; Sandberg, Dick: SAGSIM - simulerad sonderdelning for stjarnsagning. KTH-Tra Internrapport Nr 1/92 6. Heinacroon, Monica; Lundberg, Thomas; Pervan, Tony: Torkning av virke med trekantprofil. KTH-Tra Internrapport Nr 6/92 7. Beckman, Eric; Stehr, Micael: Stjarnutbyte - volymsutbyte vid stjarnsagning. KTH-Tra Internrapport Nr 9/93 8. Karlsson, Per; Sjoberg, Lars: Wask-sagen - sonderdelningsmaskin for stjarnsagning. KTH-Tra Internrapport Nr 8/93 9. Sandberg, Dick: Radially sawn timber. Star-sawing - a new method for producing timber with vertical annual rings. Holz als Roh- und Werkstoff 54(3), Nr 34/95 10. Alfheim, Mikael; Andree, Peder: Ekonomisk utvardering av stjarnsagning samt llmfog-, golv- och lattbalktillverkning. Examensarbete KTH-Tra Nr 13/93 11. Sjoberg, Lars: Maskiner och materialfloden for stjarnsagningutvardering av olika alternativ. Examensarbete KTH-Tra Nr 18/94 12. Holmberg, Hans; Sandberg, Dick: Utvardering av en ny strolaggningsmetod for stjarnsagad trekantprofil. KTH-Tra Internrapport Nr 31/95 13. Holmberg, Hans; Sandberg, Dick: Kvistars frekvens, form och beskaffenhet i trekantprofil av furu (Pinus silvestris L) och gran (Picea abies Karst). TRITA-TRA R-95-12 14. Holmberg, Hans; Sandberg, Dick: Radially sawn timber. Knotsnumber, type and size in star-sawn triangular profiles of pine (Pinus silvestris L) and spruce (picea abies Karst). Holz als Roh- und Werkstoff 54(5), 1996. Nr 35/95 15. Nordfors, Lena; Sandberg, Dick: Utbytessimulering av sonderdelning enligt stjarnsagningsmetoden. TRIT A-TRT-1993-53 16. Sandberg, Dick: Arsringsorienteringens betydelse for sprickbildning och deformation hos vattenbegjutet virke av furu (Pinus silvestris L) och gran (Pice a abies Karst). TRITA-TRA. R-95-16 7
17. Sandberg, Dick: Influence of pith and juvenile wood on proportion of cracks in sawn timber when kiln dried and exposed to wetting cycles. Holz als Roh- und Werkstoff 54(3),1996. Nr 33/95 18. Sandberg, Dick: Radially sawn timber. Influence of Annual Ring Orientation on Crack Formation and Deformation in Water Soaked Pine (Pinus silvestris L) and Spruce (Picea abies Karst) Timber. Holz als Rohund Werkstoff 55 19. Sandberg, Dick: Staende arsringar hos furu (Pinus silvestris L) och gran (Pice a abies Karst). TRITA-TRA R-95-13 20. Sandberg, Dick: Jamforelse mellan genomsagning, fyrsagning och stjarnsagning med avseende pa torkningsdeformationer. Examensarbete KTH-Tra Nr 8/92 21. Sandberg, Dick: Fuktforandringens inverkan pa formstabiliteten hos tra. Seminarium i Tramekanik, Statens Provningsanstalt SP. Nr 15/93 22. Heickero, Roland; Walinder, Magnus: Massivt tragolv med staende arsringar. TRITA-TRT-1992-46 23. Walinder, Magnus: On Characterization of Surfaces Parallel to Grain in Scotch Pine (Pinus silvestris L). TRITA-TRA R 96-20 24. Sandberg, Dick: Nedbrytningsmekanismer hos tra. -1. Fotokemisk nedbrytning. TRIT A-TRA R-94-10 25. Borgh, Anna: Arsringsorienteringens inverkan pa malarfargers varaktighet. TRITA-TRA R-95-15 26. Borgh, Anna; Johansson, Ingvar: The importance of annual ring orientation on the durability of painted wooden sidings. Wood-Paint Moisture 1995, Nordic Conference April 1995. Nr 28/95 27. Marelius, Magdalena; Schacht, Britta; Johansson, Ingvar: Crack generation in planed and painted wooden sidings. Wood-Paint-Moisture 1995, Nordic Conference April 1995. Nr 30/95 28. Leander, Tomas; Lunell, Harald: Lattbalk. KTH-Tra Internrapport Nr 2/92 29. Stehr, MicaeI: Lattbalkmed triangular a flansar. TRITA-TRA R-95-14 30. Stehr, Micael: Nagra synpunkter pa trekantbalken. KTH-Tra Internrapport Nr 36/95 31. Hjort, Tomas; Nylander Anders: Fonster gjorda av tra med staende arsringar. KTH-Tra Internrapport Nr 4/92 32. Envall, Thomas; Starkhammar, Johanna: Panel och list ur trekantprofil. KTH-Tra InternrapportNr 15/94 33. Alexis; Andersson; Bergman; Marsch; Thorslund: Staket med staende arsringar. KTH-Tra Internrapport Nr 17/94 34. Holmberg, Hans: Torkning av andtra i form av halva trissor. Forstudie. TRITA-TRT-1992-49 35 Holmberg, Hans: Torkning och mekanisk dimensionsstabilisering av andtra i form av halva trissor. TRITA-TRT-1992-50 8
36. Marelius, Magdalena: Andtralimning. Andytor eller sidoytor i fogen. TRITA-TRA R-93-2 37. Marelius, Magdalena; Nordstrom, Jan-Erik: Hallfastheten hos limfogar med andtraytor. TRITA-TRA. R-94-3 38. Marelius, Magdalena: AndtraIimning. Examensarbete KTH-Tra Nr 11/92 39. Evansson, Jan; Brask, Patrik: Andtra som slityta. KTH-Tra Internrapport Nr 2/92 40. Marelius, Magdalena; Winther, Eric; Winther, Jorgen: Tregolv. KTH-Tra Internrapport Nr 12/93 41. Alfheim, Mikael; Forsberg,Klas: VIMSCARD for andtragolv. KTH-Tra Internrapport Nr 5/92 42. Bryne; Gustafsson; Hach; Jansson; Neubauer; Wolff: Trebalklimtrabalk av trekantprofil. KTH-Tra Internrapport Nr 37/95 43. Carlsson, Staffan: Produktionssystem for tillverkning av limfog av stjarnsagad trekantprofil. KTH-Tra Examensarbete Nr 29/96 44. Kuukkanen, Reijo; Nordqvist, Magnus; Zettervall, Per: Fuktrorelser hos limfogskivor. KTH-Tra Internrapport Nr 11/93 45. Alfheim, Mikael; Andreem, Peder: Designstudie av fingerskarvade trekantprofiler. KTH-Tra Internrapport Nr 10/93 46. Bjelkvik, Ola; Lindstrom, David; Tiemer, Monica: Fingerskarvning av virke med staende arsringar. KTH-Tra Internrapport Nr 16/94 47. Sandberg, Dick: The influence of annual ring orientation on strength and dimensional changes during moisture content variation in finger joints. Holz als Roh- und Werkstoff 54(5),1996. 9