Die Instrumentenkörper von Schlaginstrumenten werden bis heute mehrheitlich aus Metall (Aluminium, Messing, Inox) und aus Holz verschiedenster Art und Verarbeitung hergestellt. Selten und nur für Einzelanfertigungen wurden auch schon Kunststoffe wie PVC und Acrylglas verwendet. Die Verarbeitungsweise ist stets ähnlich.
Es wird zunächst eine Abwicklung des herzustellenden Instrumentenkörpers mit den notwendigen Zugaben (je nach Verarbeitungsmethode) aus dem gewünschten Blech oder Holz erstellt. Je nach Instrumentenkörper hat die Abwicklung eine andere Form. Bei Schlaginstrumenten mit zylindrischem Klangkörper ist die Abwicklung stets rechteckig.
Das rechteckige Blechstück wird auf einer Biegemaschine zylindrisch gebogen (Fig. 1). Zur Verbindung der Stösse bedient man sich verschiedener Techniken. In der Regel wird das Grundblech in seinen Abmessungen so ausgearbeitet, dass sich die Stösse des Blechs beim Erreichen des für den Klangkörper vorgesehenen Durchmessers 0,5 bis 1 cm überlappen (Fig. 1, Detail 1). Die Überlappung wird der Länge nach entweder flächig verlötet oder rollenbeziehungsweise punktgeschweisst. Eine andere Verbindungsmethode ist der sogenannte "Spenglerfalz" (Fig. 1, Detail 2). Hierzu werden die beiden Stösse vorab gegensinnig umgebogen, sodass sie ineinander eingehängt werden können. Nach dem Einhängen erfolgt die Verbindung nach einer der zuvor beschriebenen Verbindungstechniken (Löten, Schweissen).
Um die in Bezug auf die Rotationsachse des zylindrischen Klangkörpers notwendige Radialstabilität zu gewährleisten und, um der Schlagmembrane (Schlagfell) eine saubere Auflagefläche auf der Zylinderwandung zu garantieren, muss nach der Verbindung der Stösse des Klangkörpers auf einer Drückbank (grosse Drehbank) eine entsprechende Rundung (Bördelung) an den beiden axialen Klangkörperendkanten gedrückt werden (Fig. 2, Detail 5).
Die rechteckige Holzplatte (4 mm stark) wird unter Durchführung verschiedener Befeuchtungsvorgänge geschmeidig gemacht und anschliessend um einen Kern oder in eine Form entsprechenden Durchmessers gebogen, fixiert und trocknen gelassen. Die Stösse des rundgebogenen Klangkörpers können entweder beidseitig angeschärft sein, sodass eine sich auslaufende Überlappung entsteht, welche eine kontinuierliche Wandstärke auch im Verbindungsbereich garantiert (Fig. 1, Detail 3), oder die Stösse werden stumpf und unter Verwendung eines sogenannten Einleimers der gesamten Nahtlänge nach miteinander verbunden (Fig. 1, Detail 4). Gängige Norm ist die Verbindung mittels Einleimer.
Mit Ausnahme der "ausgeschärft-überlappenden" Stossverbindung bei der Ausführung in Holz, weisen alle zuvor beschriebenen Verbindungsvarianten den selben Nachteil auf, nämlich eine das Kontinuum des Klangkörpers und des Klanges störende Verdickung und Versteifung an der Verbindungsstelle (Längsnaht).
Diese Nachteile werden durch das erfindungsgemässe Verfahren behoben. Detaillierte Darstellung der Erfindung
Die Erfindung macht sich die in den letzten Jahren erfolgten Fortschritte in der Verarbeitung von Faserverbundwerkstoffen (FVW) zu Nutzen. FVW bestehen zumeist aus hochfesten Fasern und dem sie umhüllenden Reaktionsharz (Kunstharz), der Matrix. Die Fasern werden in eine flüssige Reaktionsharzmasse eingebettet und beim Härten des Harzes in dem so entstehenden festen Formstoff verankert. Sie sind im Prinzip vergleichbar mit dem Stahlbeton, bei dem der spröde Werkstoff Beton durch Stahleinlagen verstärkt wird. Die Matrix kann sowohl aus thermoplastischem Kunststoff, aber vorwiegend aus duroplastischem Kunststoff (Polyesterharz, Epoxydharz) bestehen. Die Festigkeit eines FVW wird durch die Verstärkungsfaser bestimmt. Eine Faser mit hoher Zugfestigkeit ergibt ein Bauteil mit hoher Zugfestigkeit.
Ebenso verhält es sich bei anderen Werten wie zum Beispiel der Druckfestigkeit und der Steifigkeit (E-Modul). Das Matrixharz hat die Aufgabe, die Fasern zu umhüllen und ihnen gleichsam eine feste Form zu geben. Die auftretenden Kräfte werden vom Harz auf die Faser übertragen. Bei einer Zugbeanspruchung darf das Harz nicht von der Faser brechen, da es sonst durch Risse zu einem Versagen des ganzen Bauteils kommt. Die Bruchdehnung der Harze sollte daher vorzugsweise grösser sein, als die der üblichen Verstärkungsfasern. Die Festigkeit des FVW kann durch die Wahl der Fasererzeugnisse (Glas, Carbon, Matten, Gewebe etc.) der Matrix (Harzauswahl), des Fasergehalts (Anteil Harz/Fasern) und vor allem auch durch die Orientierung (Beachten der Fadenlaufrichtung im Gewebe) der Fasern beeinflusst werden.
Die unverstärkten Harze weisen zum Teil erhebliche Festigkeitsunterschiede auf. Man unterscheidet dabei zwischen statischer und dynamischer Festigkeit. Die statische Festigkeit bezieht sich auf einzelne Festigkeitswerte (Zug, Druck etc.) während die dynamische Festigkeit eine Aussage über das Bauteilverhalten bei wechselnden Lasten gibt. Da im vorliegenden Fall des Erzeugnisses (Klangkörper) lediglich eine statische Belastung und keine dynamische Belastung (hochfrequente Wechselbiegebeanspruchung) vorliegt, kann diese vernachlässigt werden. Ebenso braucht der statischen Belastung keine sonderliche Beachtung geschenkt zu werden, da das Bauteil bei einer Wandstärke von 1 mm auf axial auftretende Belastung bereits derart steif ist, dass keinesfalls eine Beschädigung aus dem vorgesehenen Gebrauch resultieren kann.
Die Vorteile dieser Herstellungsmethode gegen-über den unter dem Punkt "Stand der Technik" beschriebenen, herkömmlichen Methoden sind klar: - Der Klangkörper weist keine eindeutige "Naht" und somit keine auch nur punktuelle Verdickung auf. - Homogene Beschaffenheit, homogene Schwingungsverteilung (kein gestörtes Kontinuum), homogener Klang - Die natürlichen Dämpfungseigenschaften von FVW verhindern ein Nachschwingen des Klangkörpers (kein "Singen" mehr) - Das Gewicht liegt unter demjenigen von Aluminium Figurenlegenge Fig. 1: Herkömmliche Herstellungsmethoden für Klangkörper von Schlaginstrumenten Fig. 2: Herkömmliche Bearbeitung der axialen Endkanten von Schlaginstrument-Klangkörpern aus Blech Fig.
3: Verfahrensprinzip des Handlaminierens mit selbsttätiger Aushärtung Fig. 4: Verfahrensprinzip des Handlaminierens mit Vakuumaushärtung Fig. 5: Verfahrensprinzip des Handlaminierens im Autoklav mit Vakuumaushärtung Ausführung der Erfindung beim Einsatz der Fasern in Gewebeform Laminieren
Unter Laminieren verstehen wir das schichtweise Einbetten von Verstärkungsgewebe [Glasfaser (GFK), Kohlefaser (CFK), Borfaser (BFK, B-AI), Aramidfaser (SFK)] mit der gewünschten Webstruktur in das Harz (Polyesterharz, Epoxidharz, Thermoplast, Aluminium). Zuerst wird Gewebe auf die richtige Grösse zugeschnitten. In unserem Fall gehen wir von einer Schichtstärke von drei Lagen à je ca. 0,3 mm aus. Die Länge einer Lage entspricht dabei dem Umfang des Klangkörpers. Standardmässig werden die Klangkörper in den Massen O 41 cm und Höhe 41 cm hergestellt. Es sind aber auch alle anderen Abmessungsvarianten herstellbar. Entsprechende Formen sind die Voraussetzung. In Bezug auf die Standardabmessung geht man vom Umfang 1,29 m aus.
Man benötigt zur Herstellung eines Klangkörpers erwähnter Standardabmessung also ein Gewebestück von ca. 45 cm Breite und 3,9 m Länge. Ebenso benötigt man eine zweigeteilte zylindrische Form. Es kann auf zwei verschiedene Arten laminiert werden. Die Vorgänge sollen im Folgenden beschrieben werden. Handlaminieren nach Fig. 3 mit selbsttätiger Aushärtung
Die Form wird waagrecht auf einem Tisch befestigt. Inwendig bestreicht man die Form mit einem Trennmittel (Trennwachs). Nun wird ein erster Anstrich der Matrix aufgetragen. In die noch feuchte Schicht legt man den ersten Umgang des Gewebes ein. Nun erfolgt die schweisstreibende Handarbeit, nämlich das Durchtränken oder Imprägnieren des Gewebes mit dem nun darunterliegenden Harz (Matrix). Das Harz sollte immer von unten nach oben, durch das Gewebe gearbeitet werden. Nur das ergibt eine optimale Tränkung ohne Lufteinschlüsse. Zur Durchtränkung bedient man sich entweder eines sehr stabilen Stupfpinsels oder besser eines Handrollers mit auswechselbarer Gummiwalze. Danach erfolgt das Einlegen der zweiten Gewebelage.
Diese kann meist noch mit dem überschüssigen Harz der ersten Lage imprägniert werden? Ein erneuter Harzauftrag ist nur dort nötig, wo das Gewebe trotz stupfen trocken bleibt. Alle glänzenden Stellen deuten auf zu viel Harz. Dieses muss mit dem Pinsel auf die Stellen gebracht werden, wo zu wenig Harz vorhanden ist. Alle weiteren Lagen werden genau gleich behandelt. Wenn die ganze Gewebebahn in die Form gebracht worden und gut imprägniert ist, kann das überschüssige Harz noch entfernt werden. Anschliessend lässt man das Laminat aushärten, was ca. 48 Stunden dauern soll. Danach kann die Form geöffnet und der Rohling entnommen werden. Laminieren im Autoklav nach Fig. 5 mit Vakuumhärtung
Der wesentliche Unterschied zum oben beschriebenen Handlaminieren besteht in der komplizierteren Form. Die Form muss so gestaltet sein, dass es möglich ist, zwischen den Gewebeschichten und der Formwand ein Vakuum aufzubauen und, dass die ganze Form heizbar respektive derart wärmeunempfindlich ausgestaltet ist, dass sie in einen Ofen gebracht werden kann. Da das Ziel bei der Herstellung von FWV Bauteilen darin besteht, möglichst viele Gewebelagen und möglichst wenig Bettungsmasse im Endprodukt zu haben, müssen die wie beim obigen Handlaminieren eingebrachten und imprägnierten Gewebelagen von überschüssiger Einbettungsmasse befreit werden. Dies geschieht so, dass auf die imprägnierten Gewebelagen (Laminat, Prepregstapel) ein Abreissgewebe, gefolgt von einer Lochfolie und darüber ein Absaugvlies gelegt wird.
Zum Abschluss wird noch eine Deckfolie aufgelegt, die seitlich luftdicht an der Form anzuliegen hat. Danach wird ein Vakuum aufgebaut. Das überflüssige Harz wird nun unter Druck aus den Gewebeschichten herausgedrückt, durchdringt das Abreissgewebe und die Lochfolie und wird schliesslich vom Absaugvlies aufgenommen, wo es verbleibt und aushärtet. Nach der vollständigen Aushärtung kann die Form geöffnet und das nun kompakt ausgehärtete Absaugvlies samt Abreiss- und Lochfolie entfernt werden. Das Resultat ist ein hochfestes, kompaktes und homogenes Bauteil.
Eine Mischform der beiden Verfahren stellt das Handlaminieren mit Vakuumaushärtung dar (Fig. 4).
Zum Schluss beider aufgezeigten Verfahren bleibt noch die Bereinigung des Bauteils. Dazu werden die die definitive Zylinderform in axialer Richtung überstehenden Reste mittels einer geeigneten Trennvorrichtung (hochtourige Kreissäge) abgetrennt.
The instrument bodies of percussion instruments are still produced to a large extent of metal (aluminum, brass, stainless steel) and of various types of wood and processing. Rarely and only for custom-made items have plastics such as PVC and acrylic glass been used. The processing is always similar.
First, a development of the manufactured instrument body with the necessary additions (depending on the processing method) from the desired sheet metal or wood created. Depending on the instrument body, the settlement has a different form. In percussion instruments with a cylindrical body, the development is always rectangular.
The rectangular piece of sheet metal is bent cylindrically on a bending machine (FIG. 1). To connect the bumps one uses different techniques. In general, the base plate is designed in its dimensions so that the bumps of the sheet overlap when reaching the intended diameter of the body 0.5 to 1 cm (Fig. 1, detail 1). The overlap is soldered either flat over the entire length or roll-wise or point-welded. Another connection method is the so-called "Spenglerfalz" (Fig. 1, detail 2). For this purpose, the two joints are bent in advance in opposite directions, so that they can be hooked into each other. After hanging, the connection is made according to one of the previously described joining techniques (soldering, welding).
In order to ensure the necessary in relation to the axis of rotation of the cylindrical body radial stability and to guarantee the striking membrane (batter) a clean bearing surface on the cylinder, after the connection of the bumps of the orchestra on a press bench (large lathe) a corresponding rounding ( Flanging) are pressed on the two axial Klangkörperendkanten (Fig. 2, detail 5).
The rectangular wooden plate (4 mm thick) is made supple by performing various moistening operations, and then bent around a core or diameter of a diameter, fixed and allowed to dry. The bumps of the curved sounding body can either be sharpened on both sides, so that an expiring overlap arises, which guarantees a continuous wall thickness in the connection area (Fig. 1, detail 3), or the bumps become dull and using a so-called sizing of the entire seam length interconnected (Fig. 1, detail 4). Common standard is the connection by means of a glue.
With the exception of the "sharpened-overlapping" butt joint in the execution in wood, all previously described connection variants have the same disadvantage, namely a thickening and stiffening at the connection point (longitudinal seam) disturbing the continuum of the sounding body and the sound.
These disadvantages are eliminated by the method according to the invention. Detailed illustration of the invention
The invention takes advantage of advances in fiber composite (FVW) processing in recent years. FVW usually consist of high-strength fibers and the surrounding reaction resin (resin), the matrix. The fibers are embedded in a liquid reaction resin composition and anchored in hardening of the resin in the resulting solid molding material. In principle, they are comparable to reinforced concrete, in which the brittle material concrete is reinforced by steel inserts. The matrix can consist both of thermoplastic material, but predominantly of thermosetting plastic (polyester resin, epoxy resin). The strength of a FVW is determined by the reinforcing fiber. A high tensile fiber provides a high tensile strength component.
The same applies to other values such as compressive strength and stiffness (Young's modulus). The purpose of the matrix resin is to envelop the fibers and to give them a firm shape. The forces are transferred from the resin to the fiber. In the event of tensile stress, the resin must not break from the fiber, otherwise cracks may cause failure of the entire component. The breaking elongation of the resins should therefore preferably be greater than that of the conventional reinforcing fibers. The strength of the FVW can by the choice of fiber products (glass, carbon, mats, fabrics, etc.) of the matrix (resin selection), the fiber content (proportion of resin / fibers) and especially by the orientation (note the thread running direction in the fabric) of the Fibers are affected.
The unreinforced resins sometimes have considerable strength differences. A distinction is made between static and dynamic strength. The static strength refers to individual strength values (tension, pressure, etc.) while the dynamic strength gives an indication of the component behavior with changing loads. Since in the present case of the product (sound body) is only a static load and no dynamic load (high-frequency alternating bending stress), this can be neglected. Likewise, the static load no special attention to be paid, since the component is already so stiff with a wall thickness of 1 mm to axially occurring load that under no circumstances may result in damage from the intended use.
The advantages of this production method compared to the conventional methods described under the heading "state of the art" are clear: The sounding body has no clear "seam" and thus no point-only thickening. - Homogeneous texture, homogeneous vibration distribution (no disturbed continuum), homogeneous sound - The natural damping properties of FVW prevent reverberation of the body (no more "singing") - The weight is below that of aluminum Figurenlegenge Fig. 1: Traditional methods for producing sound body of Percussion instruments Fig. 2: Conventional machining of the axial end edges of percussion instrument-toning bodies made of sheet metal
3: Process principle of hand lamination with self-curing Fig. 4: Process principle of hand lamination with vacuum curing Fig. 5: Process principle of hand lamination in an autoclave with vacuum curing Embodiment of the invention when using the fibers in fabric laminate
By lamination we mean the layer-by-layer embedding of reinforcing fabric [glass fiber (GRP), carbon fiber (CFK), boron fiber (BFK, B-AI), aramid fiber (SFK)] with the desired weave structure in the resin (polyester resin, epoxy resin, thermoplastic, aluminum) , First, tissue is cut to the correct size. In our case, we assume a layer thickness of three layers of approx. 0.3 mm each. The length of a layer corresponds to the circumference of the orchestra. By default, the bodies are produced in masses O 41 cm and height 41 cm. But there are also all other dimensions variants produced. Appropriate forms are the prerequisite. With regard to the standard size, we start from a circumference of 1.29 m.
It takes for the production of a sound body mentioned standard size so a piece of fabric about 45 cm wide and 3.9 m in length. Likewise, you need a two-part cylindrical shape. It can be laminated in two different ways. The processes are described below. Hand lamination according to Fig. 3 with automatic curing
The shape is mounted horizontally on a table. Internally, the mold is spread with a release agent (release wax). Now a first coat of the matrix is applied. In the still moist layer you put the first handling of the fabric. Now the sweaty handwork takes place, namely the impregnation or impregnation of the fabric with the now underlying resin (matrix). The resin should always be worked from bottom to top, through the fabric. Only this gives an optimal impregnation without air pockets. To impregnate one uses either a very sturdy Stupfpinsels or better a hand roller with replaceable rubber roller. Thereafter, the insertion of the second fabric layer takes place.
This can usually still be impregnated with the excess resin of the first layer? A renewed application of resin is only necessary where the fabric remains dry despite dabbing. All shiny spots indicate too much resin. This must be brought with the brush on the places where there is too little resin. All other layers are treated exactly the same. When the entire fabric web has been formed and well impregnated, the excess resin can still be removed. Then let the laminate harden, which should take about 48 hours. Thereafter, the mold can be opened and the blank removed. Laminating in the autoclave according to Fig. 5 with vacuum hardening
The essential difference to hand laminating described above is the more complicated shape. The mold must be designed such that it is possible to build a vacuum between the fabric layers and the mold wall and that the whole mold is heatable or heat-resistant so that it can be placed in an oven. Since the aim in the production of FWV components is to have as many layers of fabric as possible and as little as possible bedding mass in the end product, the fabric layers introduced and impregnated as in the above hand lamination must be freed of excess embedding mass. This is done so that a tear-off fabric is placed on the impregnated fabric layers (laminate, prepreg stack), followed by a perforated film and above a Absaugvlies.
Finally, a cover foil is placed, which has to lie airtight on the side of the form. Then a vacuum is built up. The superfluous resin is now pressed out of the fabric layers under pressure, penetrates the tear-off fabric and the perforated film and is finally taken up by the Absaugvlies, where it remains and hardens. After complete curing, the mold can be opened and the now compactly cured Absaugvlies removed with tear-off and perforated film. The result is a high-strength, compact and homogeneous component.
A mixed form of the two processes is hand lamination with vacuum curing (FIG. 4).
At the end of both procedures shown still remains the cleanup of the component. For this purpose, the remainder of the cylindrical shape in the axial direction protruding radicals by means of a suitable separator (high-speed circular saw) are separated.