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Woodenboxspring – Schlaf in Harmonie mit der Natur

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Das Ziel des Projekts «Ressobois» ist es, eine Holzfederung für Betten zu entwickeln. Damit soll das Kundenbedürfnis nach Betten aus 100-prozentig natürlichen Materialen befriedigt werden. Neben der funktionellen Herausforderung eröffnet das Projekt neue Perspektiven für das Verständnis des mechanischen Verhaltens von Holz unter nicht alltäglichen hygro-thermomechanischen Belastungen und erforscht Techniken der dreidimensionalen maschinellen Bearbeitung.

Das System Woodenboxspring des Unternehmens Elite Beds AG entspringt der fruchtbaren Zusammenarbeit mit der BFH im Rahmen des KTI-Projekts «Ressobois».

Der Schlaf, ein wesentlicher Bestandteil unserer Existenz, nimmt fast ein Drittel unseres Lebens ein. Er wirkt sich fundamental auf unser Wohlbefinden aus: Er erlaubt uns, uns von den Anstrengungen des Tages zu erholen, bringt Ausgeglichenheit und Wohlbefinden, stärkt unser Immunsystem, erlaubt uns, unsere Emotionen zu beherrschen und erhöht die Lebensdauer. Die Schlafqualität ist heute aber zunehmend gestört, etwa durch Lärm- und Lichtemissionen oder  Strahlungen (insbesondere Elektrosmog). Weitere Faktoren können die Schlafqualität stark beeinflussen, wie das Raumklima, die Innenluftqualität oder die Fähigkeit des Bettsystems, sich der Körperform anzupassen und die Wirbelsäule zu unterstützen.
Das Unternehmen Elite Beds AG mit Sitz in Aubonne bietet seinen Kunden die bestmögliche Unterstützung für einen qualitativ hochstehenden Schlaf: Es produziert individuell angepasste und ausgestattete Schlafsysteme für langjährige Nutzung. Die Elite Beds AG verwendet natürliche Materialien wie Holz, Baumwolle, Latex, Sojaschaumstoff oder Pferdehaar. Dennoch enthalten einige wichtige Teile des Bettes immer noch Metall oder Plastik. Das ist insbesondere der Fall bei traditionellen Unterfederungen, so genannten «Boxspring», die zusammengesetzt sind aus Drahtgeflecht und Stahlfedern, bei Scheibensystemen aus Plastik für Lattenroste und bei Federkernmatratzen. Diese Systeme bieten eine grosse Flexibilität, eine gute Haltbarkeit und eine Anpassung an die Körperform des Schlafenden.

Vollständig natürliche Systeme
Die Elite Beds AG möchte sich an der zunehmenden Nachfrage nach vollständig natürlichen und ökologischen Bettsystemen orientieren und hat daher das Institut für Werkstoffe und Holztechnologie der BFH kontaktiert, um ein neues Schlafsystem aus Holz zu entwickeln. Dieses soll eine hohe Schlafqualität bieten und es ermöglichen, die flexiblen Teile, die bisher aus Metall oder Plastik gefertigt wurden, zu ersetzen. Nach einer Vorstudie, in der zahlreiche Prototypen entwickelt worden sind, machte sich die Gruppe Elite-BFH 2015 an ein KTI-Projekt. Die Hauptinnovation des Projekts besteht in einem Federungssystem aus Holz mit anpassbarer Steifigkeit für Unterfederungen und Matratzen. Dabei werden Anforderungen hinsichtlich Komfort und Langlebigkeit berücksichtigt. Der Aufbau aus verschiedenen Schichten (Federgitter oder Latten, Sprungfedern, Schaumstoffe, Textilien) eines Schlafsystems und die Verteilung der elastischen und der verschieden versteiften Bereiche müssen Luftzirkulation, eine dynamische Reaktion, Komfort und Haltbarkeit ermöglichen. Durch die Verwendung von Holz spezifische Eigenschaften zu erzielen, stellt eine spannende Herausforderung für die Forschungsgruppe dar. Denn ein System aus kleinen Holzfederungen mit variabler oder stufenweiser Steifigkeit, stellt eine unkonventionelle Anwendung des Werkstoffs Holz dar. Es soll auf konstante und dynamische Weise auf grosse Verformungen reagieren und in wechselndem klimatischen Umfeld eingesetzt werden können. Das verlangt nicht nur eine komplexe Analyse des hygromechanischen Verhaltens, der Relaxation, der Ermüdung und der Viskoelastizität von Holz, dazu müssen auch leistungsfähige dreidimensionale Bearbeitungstechniken entwickelt werden. Im Gegensatz zu gewissen Produktionssystemen von Federungen mit natürlichem Material (Holz oder Rattan), erfordert die entwickelte Technologie keine formgebenden thermomechanischen Schritte, die kostenintensiv sind und das Material schwächen können.

Die automatisierten Tests der zyklischen Beanspruchung erlauben es, das mechanische Verhalten des Schlafsystems beschleunigt zu beobachten (Möbellabor BFH).

Federungen – aus lokalem Holz
Das Projekt beinhaltet zwei Hauptetappen: die Entwicklung von Holzfederungen für Schlafsysteme sowie für Matratzen. Zahlreiche Prototypen wurden in verschiedener Form und aus drei lokalen Baumarten (Fichte, Buche und Esche) entwickelt. Unterschiedliche Bearbeitungsverfahren wurden ausprobiert, um die Produktionsgeschwindigkeit zu verbessern, die Komplexität zu reduzieren und die Materialausbeute zu erhöhen. Weiter wurde, im Rahmen einer Masterarbeit (MSc in Wood Technology), ein digitalisiertes, dreidimensionales Modell aus fertigen Elementen entwickelt, um das Materialverhalten unter verschiedenen Bedingungen zu simulieren; namentlich unter Belastungs-Entlastungszyklen, entsprechend der Nacht-Tag-Nutzung eines Bettes, und dem Zeitstandverhalten (stufenweiser Dimensionsverlust bei konstanter Belastung). Anhand der entwickelten und bestätigten Modelle war es möglich, eine optimale Form für die verschiedenen Schlafkomfortzonen zu definieren.

Komplexe Situation

Ein anderer Aspekt des Projekts ist es, das Produkt unter hygro-thermomechanischen Beanspruchungen zu verstehen und anzupassen. Unter diesem Ausdruck versteht man die Beanspruchung durch Belastung bei variierender Temperatur und Feuchtigkeit. Hier ist die Situation noch komplexer, da die Beanspruchungen zyklisch sind (Veränderungen zwischen Tag und Nacht), und sich über einen langen Zeitraum ergeben (eine Matratze hat eine geschätzte Lebensdauer von 10 Jahren, was 3650 aufeinanderfolgenden Beanspruchungszyklen entspricht). Es wurde eine mit Feuchtigkeits- und Temperatursensoren ausgestattete Matratze produziert und während etwa neun Monaten einer normalen Benutzung unterzogen. Die Forschungsgruppe konnte dadurch abweichende Feuchtigkeits- und Temperaturwerte von verschiedenen Bereichen der Matratze und aus verschiedenen Lagen während drei Jahreszeiten sammeln. Dank dieser Daten war es möglich, Mechanosorptions-Tests einzusetzen, die es erlauben, die mechanische Reaktion und allfällige Memory-Effekte des Materials zu bestimmen.

Der nächste Schritt
Das Schlafsystem mit der entwickelten Holzfederung ist bereits durch die Elite Beds AG patentiert und auf den Markt gebracht worden. Die Federung ist aufgebaut aus einteiligen Fichten-Federleisten mit zweifacher Steifigkeit. Die Bearbeitungsschritte sind optimiert für die Produktion verschiedener Bettrost-Grössen. Die Latten können einfach im Bettrahmen eingelassen werden. Dank einer spezifischen Verarbeitung ist es möglich, die Latten mit schwacher oder erhöhter Steifigkeit zu produzieren, um das entsprechende Wohfühlgefühl und die nötige Unterstützung zu erreichen. Im Moment ist das Projekt in seiner zweiten Phase, in der Holzfederungen für Matratzen entwickelt werden.