AT504841A1

AT504841A1 - Gleitbrettkern für schi oder snowboards

Info

Publication number: AT504841A1
Application number: AT0021407A
Authority: AT
Inventors: Michael Mag Theurl
Original assignee: Theurl Leimholzbau Gmbh
Priority date: 2007-02-09
Filing date: 2007-02-09
Publication date: 2008-08-15
Also published as: EP2121150A1; JP2010518203A; US20100086728A1; EP2121150B1; WO2008095725A1; AT504841B1

Description

Titel

Gleitbrettkern aus einem Faserverbundwerkstoff auf Basis von Holzfasermatten, für Skis oder

Snowboards

Die Erfindung betrifft einen Gleitbrettkem aus einem Faserverbundwerkstoff, der insbesondere für den Einbau in Skis oder Snowboards geeignet ist.

Obwohl sich bereits viele Entwicklungen mit alternativen Werkstoffen für Gleitbrettkeme beschäftigen, ist Holz bis heute ein geradezu prädestinierter Werkstoff zur Fertigung der gesamten Kerne oder Teilen davon, denn es hat einige in Relation zu seiner vergleichsweisen geringen Rohdichte ausgezeichnete mechanische Eigenschaften, die typischerweise auf den von der Natur optimierten mikroskopischen Aufbau aus überwiegend langgestreckten Faserzellen mit porenförmigen Zellhohlräumen zurückzuführen sind. Fachleute heben die Vorteile von Skis und Snowboards mit Holzkernen stets hervor und reihen dieses Produkt immer in das hochpreisige Marktsegment.

Holz weist bei vergleichsweise geringer Masse hohe Zug- und Biegefestigkeiten, eine gute Schwingungsdämpfung sowie hohe Bruchzähigkeiten auf und zeigt ausgezeichnete Ermüdungsfestigkeiten, sowohl im Fall der statischen Dauerstandfestigkeit als auch bei einer sehr hohen Zahl an Wechselverformungen.

Als Naturrohstoff zeigt es allerdings auch innerhalb der gleichen Holzart eine typisch breite Streuung seiner Eigenschaften bedingt durch unterschiedliches Wachstum aufgrund zeitlich und räumlich veränderlicher Umwelt- und Standortbedingungen (Variabilität der Holzeigenschaften). Dies führt zu stark streuenden technischen Werten. So weist beispielsweise die Rohdichte, welche einen wesentlicher Elnflußfaktor auf alle Festigkeits- und Elastizitätswerte darstellt, selbst innerhalb des gleichen Hoizbrettes und zwischen unterschiedlichen Produktionschargen große Differenzen auf. Zudem hat Holz unterschiedliche Eigenschaften in Abhängigkeit der Einwirkung quer oder längs zur Faserrichtung bzw. radial oder tangential zu den Wachstumsringen (Anisotropie der Holzeigenschaften). Hinzu kommt ein ausgesprochen hydrophiles Verhalten der Holzpolymere, wodurch selbst bei einer sorgfältigen Trocknung und Lagerung des getrockneten Holzes unter konstanten Klimaverhältnissen Feuchteschwankungen auftreten.

Um die großen Vorteile des von der Natur optimierten Faserverbundwerkstoffes Holz zu nutzen, dessen streuende Eigenschaften jedoch auszugleichen, wurde und wird das Holz zu Stäben oder Furnieren aufgespalten, welche zueinander räumlich versetzt angeordnet und dann brettförmig als sogenanntes Stab- oder Furniersperrholz wieder zusammengesetzt werden. Nur damit können gleichmäßigere technische Werte über große industrielle Stückzahlen hinweg erreicht werden. In Weiterentwicklung dieses Prinzips wurde beispielsweise mit Patent DE 3 406 056 (Franz Hess & Co, 1985) ein Aufbau aus Holzlamellen und Hartschaum bekannt. Weitere Entwicklungen beschäftigten sich mit Gewichtsreduktion durch Fräsung von Nuten und Schlitzen in den Kem. Zuletzt hebt Patent EP 1 493 468 (Schwabe & Baer; 2005) mit einem Sperrholzaufbau aus Bambus die gute Aufnahme von Zug-, Biege- und Torsionsspannungen bei geringem Gewicht hervor.

Alle diese Gleitbrettkeme entstehen aber unter großem fertigungstechnischen Aufwand mit einer Vielzahl an Arbeitssschritten, wobei sich zuletzt immer auch eine 3dimensionale spanende Bearbeitung zur Schaffung der typischen verjüngenden Konturen der Kerne zu deren Enden hin anschließen muß. Weiter muß erwähnt werden, dass trotz oben gezeigter Anstrengungen für homogenere Eigenschaften der produzierten Holzwerkstoffe, eine höhere Streuung als bei Kunststoffen nicht vermieden werden kann. 1 ·· 1 ·· ·· • · · · · • · · · • ι · · ··· • ·

Andere Entwicklungen versuchten daher schon früh das Vorbild Holz zu nutzen, indem ein künstlicher Faserverbundwerkstoff auf Basis anorganischer Fasern und Kunststoffen geschaffen wurde, weicher bereits in der Erzeugung die Form des Gleitbrettkerns erhält und einen absolut gleich bleibenden Aufbau über die großen Stückzahlen einer industriellen Serienfertigung hinweg zeigt. So wurde durch das Patent GB 804 861 (Richard Joseph Thornton, 1958) die Herstellung eines Skikerns aus mit anorganischen Fasern verstärkten Polyester- oder Epoxidharzen bekannt und dabei besonders die Notwendigkeit eines guten Quotienten von Masse zu Festigkeit hervorgehoben.

Genau diese typische Holzfasereigenschaft kann mit hochdichten anorganischen Fasern ohne Innenporen und Duro- oder Thermoplasten nicht erreicht werden, weswegen schon damals Hohlräume mit aufwändigen Produktionsverfahren notwendig waren. Diesen Fasern liegen nämlich bezüglich Masse die hohen Werte ihrer Ausgangsstoffe zugrunde. So weisen Kohlefasem eine Dichte von ca. 1,8 g/cms, E-Glas als Ausgangsprodukt von Glasfasern gar 2,6 g/cm3 auf. Demgegenüber hat zwar auch Holz eine sogenannte Reindichte (d.h. die Dichte ermittelt ohne die charakteristischen Faserzellhohlräume, also den Poren) von im Mittel 1,5 g/cm3, durch die Zellanatomie aus Zellwänden um einen hohlen Innenraum reduziert sich die Raumdichte des Faserverbundstoffes aber wesentlich, bei Fichte beispielsweise auf 0,47 g/cm3.

Ein möglichst geringes Gewicht bei ausgeglichenen elastischen Eigenschaften des Gleitbrettkerns bestimmt die Fahreigenschaften des Gleitbrettes und bleibt bis heute das wesentliche Ziel der Entwicklungen in diesem Bereich.

So wurde als eine weitere Art der Gewichtsreduktion mit Patent DE 1 809 011 (Völkl Franz OHG, 1970) ein Verfahren bekannt, das die Kernherstellung durch Ausfüllen von Hohlformen mit aufschäumenden Duroplasten beschreibt. Darin wird aber auch klar hervorgehoben, dass die ungenügenden Biege- und Torsionsfestigkeiten solcher Schaumstrukturen durch Ummantelung mit anorganischen Faserelementen wie Glasfasern oder Metalldrähten gelöst werden muss.

Die technischen Werte von Schäumen aus duroplastischen Kunststoffen, insbesondere solche aus Polyurethan, verdeutlichen dieses Problem. Hochfeste RIM-Schäume ("Reactive Injection Moulding") zeigen zwar Biegefestigkeiten um 80 MPa, kommen aber auf eine Dichte von 1,1 g/cm3, während Hartintegralschäume mit Rohdichten zw. 0,4 - 0,6 g/cm3 nur Biegefestigkeiten von 20 - 35 MPa und Biege-E-Moduli zw. 700 -1.100 MPa erreichen. Im Vergleich dazu zeigt Fichtenholz bei gängiger Bezugsfeuchte von 12% eine Dichte von ca. 0,47 g/cm3 und bei Spannungsverläufen parallel zur Faser im Mittel Biegefestigkeiten von 70 MPa, Biege-E-Moduli von 10.000 MPa. Ein weiterer bekannter Nachteil der Kunststoffe ist deren im Vergleich zu Holz schnelle Materialermüdung und ungenügende Schwingungsdämpfung. «ate^rnxmsBf»»

Andere Aufbauten setzten einen laminierten Aufbau der Schaumkeme mit faserverstärkten Ober- und Untergurten oder Kernen mit Wabenstrukturen, welche hohl blieben oder ausgefüllt wurden, in den Mittelpunkt. Diese Entwicklungslinie setzt sich fort bis zur Einbettung strangförmiger und in Kernlängsrichtung ausgerichteter Faserstränge in duroplastische Kunststoffe, wie es aus dem Patent FR 2 881 962 (Skis Rossignol SA, 2006) bekannt wurde. Diese Faserstränge müssen, wie in dem Patent erwähnt, künstlich aus anorganischen Stoffen hergestellt werden, da sich Holzfasern nicht zu Strängen oder Rovings verspinnen lassen. 2 1 1 ·· ···· ·· ·· · ·♦ ······· · • · · · ♦ ··· ···

Hier muß auf einen - im Zusammenhang mit Gieitbrettkernen - weiteren Nachteil der anorganischen Fasern eingegangen werden. Glas-, Karbon- oder Aramidfasem haben zwar beispielsweise sehr hohe Zugfestigkeiten, aber auch ebenso hohe zugehörige Elastizitätsmodul!. So weisen Glasfasern Zug-E-Moduli von mindestens 70.000 MPa, Karbonfasem solche zwischen 250.000 - 380.000 MPa auf - Werte, die beispielsweise um das 7- bis 30fache über jenen der Faserzellen von Fichte liegen, für die ein Zug-E-Modul von ca. 11.000 MPa angesetzt wird. Je höher nun ein E-Modul, desto steifer ist das Material. Diese anorganischen Fasern sind also so steif, dass bei einem höheren Faseranteil im Kunststoff der gesamte Komposit zu wenig biegeflexibel wird. Hier tritt der Vorteil der Holzfasern klar zutage, da diese selbst bei hoher Dosierung im Verbundwerkstoff noch zur Gewichtsreduktion beitragen und die oben beschriebenen positiven biegeelastischen Eigenschaften von Holz einbringen. Da zudem Holzfasern massebezogen wesentlich günstiger als anorganische Fasern und Kunststoffe sind, wird auch ein Kostenvorteil erreicht.

Die neben den bisher erwähnten Duroplasten verwendeten thermoplastische Kunststoffe zeigen eine Reihe von hinlänglich bekannten Nachteilen für Gleitbrettkeme bezüglich Kriechverhalten, plastischer Verformbarkeit, temperaturabhängiger Variabilität und hoher Dichte. Diese bleiben auch im Verbund mit Fasern erhalten und können durch die Faserkomponente nicht verhindert werden können.

Aufgabe der Erfindung ist es somit, die hervorragenden Eigenschaften des von der Natur optimierten Faserverbundstoffes Holz mit den Vorteilen von Kunststoffen, die in gewünschten Formen In einem Arbeitsgang hergestellt werden können, zu vereinen und die oben angeführten Nachteile bezüglich der Inhomogenitäten am Holz und den geringen mechanischen Eigenschaften der Kunststoffe auszugrenzen, wobei die mechanischen Eigenschaften des Faserverbundstoffes soweit wie möglich denen des Holzes angenähert, aber auch gezielt verändert werden können und trotzdem ein möglichst geringes Gewicht erreicht wird.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Gleitbrettkem aus einem Faserverbundwerkstoff besteht, der hergestellt wird auf Basis von Holzfasermatten aus untereinander verfilzten Holzfasern mit oder ohne bevorzugter Ausrichtung, in die duroplastische oder elastomere Kunststoffe eingebracht werden. Das Kunststoffpolymer übernimmt dabei die Funktion des formgebenden Bindemittels.

Erfindungsgemäß bieten erwähnte Matten den Vorteil einer gezielt definierbaren und vor allem gleichmäßigen Holzfaserdichte, womit über gewünschte Zonenabschnitte des Kerns auch ein möglichst hoher Anteil an Holzfasern eingebracht werden kann. Dadurch werden die mechanischen Eigenschaften des Kerns im Hinblick auf Biegeelastizität, Schwingungsdämpfung und Dauerstandfestigkeit so weit wie möglich denen des Holzes angenähert und vor allem werden die Dosierungsprobleme der Einspritzverfahren an den dünner werdenden Stellen zu den längsseitigen Enden hin vermieden.

Erfindungsgemäß können die mechanischen Eigenschaften je nach Erfordernis an unterschiedlichen Stellen im Kern gezielt verändert werden, wie dies beispielsweise in Kemmitte und an den Kernenden notwendig ist. Dies wird erreicht, indem durch lokale Stapelung der Matten sowie Verdichtung oder Auflockerung der Mattenstruktur Stellen höherer oder niederer Dichte und Steifigkeit 3 ·· ···· 1 ·· ·· · ·· ······· ♦ • · · · · ··· ··♦ • · · · · · · geschaffen werden oder indem die Matten eine bevorzugte Faserausrichtung aufweisen, wobei auch mehrere solcher Matten kreuzweise übereinander eingelegt werden können.

Als besonders vorteilhaft zeigt sich in diesem Zusammenhang der zuvor erwähnte anatomische Aufbau der Holzfaser aus Zellwänden und Zellhohlräumen, da dadurch das Ziel der Gewichtsreduktion gegenüber schweren anorganischen Kunstfasern selbst bei hohen Faseranteilen gehalten werden kann.

Als Kunststoffkomponente kommt jeder duroplastische oder elastomere Kunststoff in Frage, wobei es sich als besonders vorteilhaft zeigt, wenn solche Polymere in die Holzfasermatten eingebracht werden, welche im Zuge der Aushärtung aufschäumen und somit die Porenstruktur der Holzfasern in die Kunststoffmatrix übertragen. Dabei zeichnet die Matte mit der definiert homogenen Faserstruktur die ausschäumbaren Zwischenräume vor und garantiert so eine Schäumung mit gleichmäßig verteilten Poren homogener Größe im Kunststoff.

Zudem ist es im Rahmen dieser Erfindung ebenso garantiert, dass - wie bei den reinen Einspritzverfahren - das Einlegen von Inserts für die Aufnahme der Bindungsschrauben odereine klebefeste Verbindung mit zuvor in die Hohlfbrm eingelegten Laminaten für Ober- und Untergurte oder ähnliches in einem Arbeitsgang mit dem Einlegen der Holzfasermatten möglich ist.

Die erwähnten Holzfasern werden beispielsweise in thermo-mechanischen Aufschlussverfahren gewonnen, wie sie in der Faserplattenindustrie seit Jahrzehnten erprobt sind. Sie sind preiswert sowie leicht und versorgungssicher verfügbar. Die Holzfasermatten können daraus mit gezielt bestimmbarer Dichte und beständiger Verfilzung, mit oder ohne Verstärkung durch Kunststofffäden, mit oder ohne vorherige Imprägnierung durch Kunstharze, hergestellt werden.

Die Holzfasermatten werden nach Zuschnitt in Hohlformen, welche der Geometrie des fertigen Gleitbrettkernes entsprechen, eingelegt, wobei die Tränkung mit der duroplastischen oder elastomeren Kunststoffkomponente vor dem Einlegen oder auch erst danach in der Form erfolgen kann. 4

Claims

♦ ·· ·· • · · fl • ♦ · fl ·· ···· ··♦ ··· 1 Patentansprüche 1. ) Gleitbrettkern, gekennzeichnet dadurch, dass dieser aus einem Faserverbundwerkstoff besteht, der hergestellt wird auf Basis von Holzfasermatten aus untereinander verfilzten Holzfasern, in die duroplastische oder elastomere Kunststotffe eingebracht werden.
2. ) Gleitbrettkern nach Anspruch 1), gekennzeichnet dadurch, dass die Lage der Fasern in der Matte eine bevorzugten Richtung, besonders parallel zur längeren Abmessung des Kernes, aufweisen. K, 3) Gleitbrettkern nach Anspruch 1), gekennzeichnet dadurch, dass zwei oder mehrere Matten mit bevorzugter Ausrichtung der Fasern übereinander gelegt werden und diese zueinander in verschiedenen Winkeln gekreuzte Vorzugsrichtungen der Fasern aufweisen, insbesondere einen rechten Winkel von 90°. 4. ) Gleitbrettkern nach Anspruch 1), gekennzeichnet dadurch, dass eine dreidimensionale Formgebung durch Beschneiden oder Abfräsen der Matten sowie durch Schichtung von zwei oder mehreren Fasermatten in Form eines Höhenschichtmodells erreicht werden kann. 5. ) Gleitbrettkern nach Anspruch 1), gekennzeichnet dadurch, dass durch Nutzung der gleichmäßigen Dichte der Fasermatten über deren gesamte Breite und Länge eine gleichmäßige Dosierung des Holzfaseranteils im gesamten Kern erreicht wird. 6. ) Gleitbrettkern nach Anspruch 5), gekennzeichnet dadurch, dass'durch Bearbeitung der Matten wie bespielsweise Verdichten oder Auflockern unterschiedliche Dichten und Holzfaseranteile an unterschiedlichen Kernzonen erreicht werden. 7. ) Gleitbrettkern nach Anspruch 1), gekennzeichnet dadurch, dass die Fasermatte mit einem flüssigen duroplastischen oder elastomeren Kunststoff getränkt wird, welcher im Zuge der Aushärtung aufschäumt und durch die definiert gleichmäßige Struktur derPasermatte die Faserzwischenräume homogen auskleidet. 8. ) Gleitbrettkern nach Anspruch 1), gekennzeichnet dadurch, dass, eine wesentliche Reduktion der Masse des Verbundwerkstoffen durch Einbringung eines möglichst hohen Holzfaseranteil aufgrund der natürlichen Zellhohlräume erreicht wird. 9. ) Gleitbrett, insbesondere Ski oder Snowboard, gekennzeichnet dadurch, dass es einen Kern entsprechend einem der zuvor angeführten Ansprüche enthält. 5 3 • ♦ · · ♦ • ♦ · ♦ ··· • · · ♦ • · · · • · · • ··· ··· • ♦ · · • · · ♦ Patentansprüche 1. ) Gleitbrettkern, gekennzeichnet dadurch, dass dieser aus einem Faserverbundwerkstoff auf Basis von Holzfasermatten besteht, welche aus untereinander verfilzten Holzfasern, in die duroplastische oder elastomere Kunststoffe eingebracht sind, bestehen. 2. ) Gleitbrettkern nach Anspruch 1), gekennzeichnet dadurch, dass die Lage der Fasern in der Holzfasermatte eine bevorzugte Richtung, insbesondere parallel zur längeren Abmessung des Kernes, aufweist.
3) Gleitbrettkern nach Anspruch 1), gekennzeichnet dadurch, dass zwei oder mehrere Holzfasermatten mit bevorzugter Ausrichtung der Fasern übereinander gelegt sind und diese zueinander in verschiedenen Winkeln gekreuzte Vorzugsrichtungen der Fasern aufweisen, insbesondere einen rechten Winkel von 90°.
4. ) Gleitbrettkern nach einem der Ansprüche 1) bis 3), gekennzeichnet dadurch, dass er durch Nutzung der gleichmäßigen Dichte der Holzfasermatten über deren gesamte Breite, Länge und Dicke eine gleichmäßige Verteilung des Holzfaseranteils im gesamten Kern aufweist.
5. ) Gleitbrettkern nach einem der Ansprüche 1) bis 3), gekennzeichnet dadurch, dass er durch Bearbeitung der Holzfasermatten, wie beispielsweise Verdichten oder Auflockern, unterschiedliche Dichten und Holzfaseranteile an unterschiedlichen Kernzonen aufweist.
6. ) Gleitbrettkern nach einem der Ansprüche 1) bis 5.), gekennzeichnet dadurch, dass er eine dreidimensionale Form aufweist, welche durch Schichtung von zwei oder mehr Holzfasermatten in Form eines Höhenschichtmodells geformt ist.
7. ) Gleitbrettkem nach einem der Ansprüche 1) bis 5.), gekennzeichnet dadurch, dass er eine dreidimensionale Form aufweist, welche durch Beschneiden oder Abfräsen der Holzfasermatten sowie anschließender Schichtung von zwei oder mehr zuvor beschnittenen oder abgefrästen Holzfasermatten in Form eines Höhenschichtmodells geformt ist.
8. ) Gleitbrettkem nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Holzfasermatten mit einem flüssigen duroplastischen oder elastomeren Kunststoff getränkt sind, welcher im Zuge der Aushärtung aufgeschäumt wurde.
9. ) Gleitbrett, insbesondere Ski oder Snowboard, gekennzeichnet dadurch, dass es einen Kern entsprechend einem der zuvor angeführten Ansprüche enthält. NACHGEREjCHT \