CH707147B1 - Verfahren zum Herstellen eines Skikerns oder Snowboardkerns. - Google Patents

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CH707147B1
CH707147B1 CH00253/14A CH2532014A CH707147B1 CH 707147 B1 CH707147 B1 CH 707147B1 CH 00253/14 A CH00253/14 A CH 00253/14A CH 2532014 A CH2532014 A CH 2532014A CH 707147 B1 CH707147 B1 CH 707147B1
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Abstract

Die gegenwärtige Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Skikerns oder eines Snowboardkerns, aufweisend: Stapeln von Schaumstoff- oder Holzschichten (10) mit Schichten (20, 200, 201) von naturfaserbasiertem Verbundmaterial; Verbinden der Schichten; Erhalten einer Vielzahl von strukturierten Teilen (100) durch Schneiden des erhaltenen Stapels (1) rechtwinkelig zu den Schichtebenen, wobei die Dicke der Teile über 1 mm ist.

Description

Gebiet der Erfindung
[0001] Die gegenwärtige Erfindung bezieht sich auf einen Skikern oder Snowboardkern, und auf ein Verfahren für die Herstellung dieser.
[0002] Verbundmaterialien sind oft dank ihrer hoch spezifischen mechanischen Eigenschaften seit den letzten 40 Jahren in Benutzung, insbesondere in aeronautischen und Weltallanwendungen. In den letzten Jahren haben Verbundmaterialien, die aus natürlichen Fasern hergestellt sind, aufgrund des wachsenden Umweltbewusstseins eine erhöhte Aufmerksamkeit erhalten. Aufgrund deren niedriger Kosten, deren niedrigen Umweltbeeinflussung und relativ hoch spezifischer mechanischer Eigenschaften bilden natürliche Fasern eine neue Alternative zu Glasfasern als Verstärkung für Verbundmaterialien.
[0003] Bis jetzt wurden verschiedene Typen von natürlichen Fasern extrahiert und charakterisiert, so wie Flachs, Hanf, Jute, Ramie, Kenaf, Sisal, Henequen, Bambus, Seide oder Baumwolle. Gegenwärtig erscheinen Flachs und Hanf aufgrund ihrer Kombination von hoch spezifischen Eigenschaften, Verfügbarkeit, Gewinnung mit niedrigem Energieverbrauch, niedriger Pflanzenpflege während des Wachstums, geringer Bewässerung und einem zero-carbon footprint unter den vielversprechendsten zu sein. Zusätzlich zu besserer spezifischer Steifigkeit im Vergleich zu Glasfasern wurden Flachsfasern mit ausgezeichneten Dämpfungseigenschaften berichtet, und die Energie, die zum Erzeugen von 1 kg Flachsfasermatten benötigt wird, ist nur 1/6 der von Glasfasern und nur 1/13 von der von Karbonfasern.
[0004] Wenn ein natürliches faserbasiertes Material vollständig von erneuerbaren Ressourcen gewonnen werden kann, ist es als Biopolymer bekannt. Ein alternativer Ansatz für das Erzeugen von natürlichen faserbasierten Verbundmaterialien ist die Verwendung von thermoplastischen Polymeren, die mit natürlichen Fasern als Verstärkung des Polymermaterials verwendet werden. Thermoplastische Polymere wie PET oder Polypropylen sind gut für die Wiederverwendung in einem Recyclingschritt geeignet: In Kombination mit natürlichen Fasern wie Hanf bleiben die mechanischen Eigenschaften relativ konstant von einem Recyclingschritt zu dem nächsten. Biopolymere, basierend auf natürlichen Fasern, haben den Vorteil, einfacher verarbeitbar zu sein, da die Fasern weniger abreibend sind als die meisten synthetischen Fasern.
[0005] Die gegenwärtige Erfindung bezieht sich auf einen Ski- oder Snowboardkern nach Anspruch 10 und auf ein Verfahren zur Herstellung eines Ski- oder Snowboardkerns nach Anspruch 1. Dieser Kern kombiniert die niedrige Dichte eines zellulären Festkörpers (Schaumstoff, Holz, usw.) mit hohen spezifischen, anisotropischen und anpassbaren Eigenschaften von Faser-Kunststoff-Verbund (FKV). Der Schlüsselvorteil von diesen Materialien ist: <tb>•<SEP>Signifikant erhöhte Kompressions- und Schermodule in einer Richtung (3–100 Mal höher) gegenüber Schaumstoff alleine; <tb>•<SEP>Signifikant erhöhte Kompressions- und Scherkräfte in einer Richtung (2–20 Mal höher); <tb>•<SEP>Signifikant erhöhte Kern-Seiten-Adhäsion (+50 %–150 %) gegenüber Standardschaumstoff aufgrund der optimierten Stressübertragung von den Seiten in den Kern; <tb>•<SEP>Geringes zusätzliches Gewicht und geringe Kosten, da (i) wenig Material zu dem Schaumstoff hinzugefügt wird und (ii) die Möglichkeit eines kontinuierlichen Prozesses besteht; <tb>•<SEP>Verbesserte Adhäsion zwischen den Naturfasern und dem Harz, im Vergleich zu den besten möglichen Adhäsionen zwischen Glas- oder Carbonfasern und dem Harz.
[0006] Die Erfindung wird besser verstanden mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele, illustriert durch die Figuren, in denen: <tb>Fig. 1A<SEP>einen Stapel von Schaumstoff und Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) unter Verwendung von Gewebetextilien, hergestellt aus eindirektionalen (UD) Faserschichten, die in +/–45° als FKV-Schicht orientiert sind, zeigt; <tb>Fig. 1B<SEP>einen Stapel von Schaumstoff und Natur-FKVs unter Verwendung von Leinwandbindung als FKV-Schicht zeigt; <tb>Fig. 2A<SEP>einen verbundenen Stapel von Schaumstoff- und Natur-FKV-Schichten zeigt; <tb>Fig. 3A<SEP>Beispiele von Schnittlinien zeigt; <tb>Fig. 3B<SEP>ein Beispiel von resultierenden Platten/Brettern zeigt; <tb>Fig. 4A<SEP>ein Beispiel eines gefrästen Profils, hier ein Skikern, zeigt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
[0007] Wir werden nun ein Beispiel des Herstellungsverfahrens nach der Erfindung beschreiben. In diesem Beispiel weist das Verfahren die Hauptschritte I bis IV auf.
Das Verfahren l/IV: Stapeln der Schichten
[0008] Während des ersten Schritts, wie in den Fig. 1A und 1B gezeigt, werden die Schichten 10 eines strukturierten Festkörpers (vorzugsweise eine Schaumstoffplatte oder eine Holzplatte wie balsa oder anderes Leichtgewichtsholz) mit Naturfasern verstärkten Polymerschichten 20, 200, 201 gestapelt, wobei: <tb>•<SEP>Die Schaumstoff- oder Holzschicht 10 kann eine variable Dicke t haben, vorzugsweise im Bereich 0.5 cm < t < 10 cm <tb>•<SEP>Die Schaumstoff- oder Holzschicht 10 kann aus jedem gemeinhin bekannten Polymerschaum, wie PVC, PP, PET oder anderen thermoplastischen Polyester, PU, PS, SAN oder jedem natürlichen zellulären Festkörper wie Holz oder Kork usw. hergestellt werden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Festkörper aus einem recyclebaren Material, wie PET oder PP, hergestellt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Festkörper aus einem thermoplastischen Material hergestellt, das einfach durch die Anwendung von Wärme und Druck mit den benachbarten Schichten des gleichen Materials verbunden werden kann. <tb>•<SEP>Verschiedene Typen von Holz oder Schaumstoffschichten 10 können innerhalb desselben Stapels 1 benutzt werden, z.B. eine Mischung zwischen Schaumstoffschichten, Holzschichten oder verschiedenen Schichten von Holz/Schaumstoff mit unterschiedlichen Dichten. <tb>•<SEP>Die Anzahl der Naturfaserschichten 20, 200, 201 zwischen jeder Schaumstoff- oder Holzschicht kann variieren; vorzugsweise wird eine Schicht wie in Fig. 1B benutzt, aber zwei oder mehr Schichten können wie in Fig. 1A benutzt werden. <tb>•<SEP>Die Naturfaserschichten 20, 200, 201 können aus einem Textil hergestellt werden, z.B. einem genähten oder einem gewebten Textil, einem Gelege, einem multiaxialen Gelege, usw. <tb>•<SEP>Die Fasern, die die Naturfaserschichten bilden, sind vorzugsweise Naturfasern (Kenaf, Bambus, Flachs, Hanf, Jute, Ramie, Sisal, Henequen, Seide, Wolle oder Baumwolle usw.), aber können zusätzlich auch irgendwelche Polymerfasern enthalten.
[0009] Nach verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung weist zumindest eine der Naturfaserschichten 20, 200, 201 auf: <tb>(i)<SEP>ein 45° mit Leinwandbindung gewebtes Textil, d.h. ein Textil mit Naturfasern, die +45° relativ zu der Längsrichtung der Schichten (0° ist parallel zu der Längsrichtung, 90° rechtwinkelig zu der Längsrichtung der Schaumstoff- oder Holzplatte 10) orientiert sind; <tb>(ii)<SEP>ein ±45° mit Leinwandbindung gewebtes Textil, d.h. ein Textil mit Naturfasern, die –45° orientiert sind, und mit anderen Naturfasern, die +45° relativ zu der Längsrichtung der Schichten orientiert sind; <tb>(iii)<SEP>ein Textil mit Naturfasern, die –45° orientiert sind, mit anderen Naturfasern, die +45° orientiert sind, und weiteren anderen Naturfasern, die 90° relativ zu der Längsrichtung der Schichten orientiert sind.
[0010] Die Verwendung von Textilien 20, die eine einzige Schicht aufweisen, ohne eine Unterschicht, reduziert das Gesamtgewicht des Produkts.
[0011] Wie später beschrieben wird können zumindest einige der Naturfaserschichten 20, 200, 201 ein Textil aufweisen, in dem thermoplastische Fasern eingebettet und mit Naturfasern gemischt sind. In einem Ausführungsbeispiel können die erzeugenden Fäden mit Fäden vermischt werden, die sowohl Natur- als auch Polymerfasern enthalten.
Das Verfahren W/N: Verbinden
[0012] Wie in Fig. 2A illustriert, sind die verschiedenen Schichten 10, 20, 200, 201 adhäsiv miteinander verbunden, um so eine Platte bzw. ein Brett 1 aus einem Stapel 1 von Schichten 10, 20 zu bilden, die grundsätzlich parallel zu der oberen Seite und/oder zu der unteren Seite der Platte sind.
[0013] Verschiedene Verfahren können für das Verbinden der Naturfasern mit den Schaumstoff- oder Holzschichten verwendet werden: Wenn die Naturfaserschichten 20, 200, 201 schon ein thermoplastisches Material enthalten, z.B. zusätzliche Fäden zusätzlich zu den Naturfaserfäden, oder als gemischte Fäden, so kann das Verbinden durch das Erhitzen und Zusammenpressen des Stapels 1 erreicht werden, so dass das thermoplastische Material schmilzt und mit dem Schaumstoff oder Holz 10 verschweisst wird. Alternativ können die Naturfaserschichten 20, 200, 201 vor oder während des Stapelns mit einem thermoplastischen Pulver, das mit den Schaumstoff- oder den Holzschichten 10 verschweisst wird, imprägniert werden. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Material für die thermoplastischen Fasern/Fäden oder für thermoplastisches Pulver das gleiche wie das Material für den Schaumstoff; das verbessert die Qualität der Verbindung und erleichtert das Recycling des Endprodukts. Dieses Material kann PET, Polypropylen, PA, PE, PVC, TPU, PS, EVA, SAN, PLA oder thermoplastischer Polyester wie z.B. PET sein.
[0014] In einem alternativen Ausführungsbeispiel können die Naturfasertextilschichten 20 während des Stapelprozess imprägniert werden oder können vorher komplett oder teilweise mit einem adhäsiven Material, wie z.B. Duroplastharz, z.B. einem Epoxyharz, imprägniert werden. Alternativ kann eine thermoplastische oder eine adhäsive Schicht zwischen die Schichten 20, 200, 201 der Naturfaserverbundstoffe und einer Schaumstoff- oder Holzschicht 10 angeordnet werden und für das Verbinden dieser Schichten verwendet werden. Die Verwendung von zusätzlichen Adhäsiven hat den Vorteil, die Hitzeresistenz zu verbessern, z.B. wenn das Produkt unter Verwendung weiterer Hitze-involvierender Schritte weiterverarbeitet wird; allerdings macht es das Recyclen wesentlich schwieriger.
Das Verfahren III/IV: Schneiden
[0015] Wie in Fig. 3A gezeigt, wird das erhaltene Verbundmaterial 1 rechtwinkelig zu der Platte und zu den Schichtebenen geschnitten. Dies resultiert in Platten 100, die in Fig. 3B gezeigt sind und die obere Seiten 103 und untere Seiten 102 entsprechend der Schnittebenen haben, d.h. rechtwinkelig zu den Schichtebenen. Der Schnitt kann wie in Fig. 3A und Fig. 3B gezeigt, gerade oder gekurvt (nicht gezeigt) sein, wobei Letzteres in eine Platte bzw. ein Brett resultiert mit einer unteren und/oder oberen Seite 102, 103, die nicht flach ist. <tb>•<SEP>Die Dicke der Platte 100 (d.h. der Abstand zwischen benachbarten Schnittebenen) kann zwischen 1 mm und einigen dm variieren <tb>•<SEP>Die Schnittlinien können oder können nicht parallel zueinander sein, so dass Platten 100 mit oberen und unteren Seiten, die parallel oder nicht parallel zueinander sind, hergestellt werden. Verschiedene Platten können verschiedene Dicken und/oder verschiedene vertikale Abschnitte haben. <tb>•<SEP>Wenn ein Duroplastharz in den natürlichen FKV-Schichten verwendet wird, kann ein Nachhärteschritt hinzugefügt werden, um die Glaspunkttemperatur (Tg) des Polymers oder des Harzes zu erhöhen.
Das Verfahren IV/IV: Fräsen/Sanden
[0016] Wie in Fig. 4A gezeigt, kann die erhaltene Platte 100 als strukturelles Kernmaterial verwendet werden, welches gefräst/gesandet/gespant werden kann: <tb>•<SEP>um die Form in der Ebene zu verändern (z.B. um eine Ski- oder Snowboardform zu erhalten), <tb>•<SEP>um die Dicke entlang der Platte zu verändern (in jeder Richtung, z.B. entsprechend der Skidicke). <tb>•<SEP>Bevorzugterweise werden Computer-numerisch kontrollierte (CNC) Werkzeugmaschinen für das Fräsen verwendet.
Anwendungen
[0017] Die strukturierten Kernmaterialien, die in dieser Erfindung offenbart wurden, finden Anwendung in: <tb>•<SEP>Skikernen <tb>•<SEP>Snowboardkernen
[0018] Das Produkt kann in einem Batch erzeugt werden; allerdings besteht eine ökonomisch höchst effiziente Option aus einer kontinuierlichen Fertigungslinie, die Extrusionsschäumen der Schaumstoffschichten zwischen imprägnierten FKV-Schichten gefolgt von Festigen und Schneiden zu der richtigen Form verbinden.

Claims (11)

1. Verfahren zum Herstellen eines Skikerns oder eines Snowboardkerns, aufweisend: Imprägnieren von mindestens einer Schicht von naturfaserbasiertem Verbundmaterial (20, 200, 201) mit einem adhäsiven Material, Stapeln von weiteren Schichten aus Schaumstoff oder Holz (10) mit der mindestens einen imprägnierten Schicht (20, 200, 201) des naturfaserbasierten Verbundmaterials; Verbinden der Schichten; Erhalten einer Vielzahl von strukturierten Teilen (100) durch Schneiden des erhaltenen Stapels (1) rechtwinkelig zu den Schichtebenen, wobei die Dicke der Teile grösser als 1 mm ist, wobei jedes der strukturierten Teile ein Brett (100) ist, aufweisend eine obere Seite (103) und eine untere Seite (102), wobei die Schichten rechtwinkelig zu der Ebene der oberen oder der unteren Seite sind; Formen des Bretts als Skikern oder Snowboardkern (100) durch Fräsen, Sanden und/oder Spanen der oberen Seite (103) und/oder der unteren Seite (102).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Stapel rechtwinkelig zu den Schichtebenen entlang einer gekurvten Bahn geschnitten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Naturfasern aus Flachs bestehen.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die weiteren Schichten aus Balsa bestehen.
5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die weiteren Schichten aus Schaumstoff bestehen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei mindestens eine der Schichten des naturfaserbasierten Verbundmaterials eine Vielzahl von Schichten (200, 201) mit Naturfasern in verschiedenen Ausrichtungen aufweist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei mindestens eine der Schichten des naturfaserbasierten Verbundmaterials (20, 200, 201) ein Textil mit Naturfasern, die +45° orientiert sind, und mit anderen Naturfasern, die –45° relativ zu der Längsrichtung der Schichten orientiert sind, aufweist.
8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei mindestens eine der Schichten des naturfaserbasierten Verbundmaterials (20, 200, 201) ein Textil mit Naturfasern, die +45° orientiert sind, mit anderen Naturfasern, die –45° orientiert sind, und mit anderen Naturfasern, die 90° relativ zu der Längsrichtung der Schichten orientiert sind, aufweist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Schritte des Stapelns, des Verbindens und des Schneidens in einem kontinuierlichen Fertigungsprozess durchgeführt werden.
10. Skikern oder Snowboardkern, aufweisend ein Verbundmaterial; eine obere Seite (103) und eine untere Seite (102); einen Stapel von Schaumstoff oder Holz (10), der adhäsiv mit Schichten von naturfaserbasiertem Verbundmaterial verbunden ist, wobei die Schichten in eine Richtung rechtwinkelig zu mindestens einer der oberen Seite (103) und der unteren Seite (102) verläuft, wobei die obere Seite (103) und/oder die untere Seite (102) durch Fräsen, Sanden und/oder Spanen geformt ist.
11. Skikern oder Snowboardkern nach Anspruch 16, wobei die Höhe des Stapels (1) grösser ist als die Breite der Schichten zwischen der oberen Seite und der unteren Seite.
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