CH717056A1

CH717056A1 - Flächiger Körper aus faserverstärktem Kunststoff als Teil eines Sportgeräts.

Info

Publication number: CH717056A1
Application number: CH00059/20A
Authority: CH
Inventors: Martin Rudolph
Original assignee: Kunststoffwerk Ag Buchs
Priority date: 2020-01-20
Filing date: 2020-01-20
Publication date: 2021-07-30
Also published as: CH717056B1; WO2021146820A1

Abstract

Dargestellt und beschrieben ist ein flächiger Körper aus faserverstärktem Kunststoff als Teil eines Sportgeräts zur Kraftübertragung. Der flächige Körper weist eine Kunststoffmatrix und in der Kunststoffmatrix aufgenommene Fasern auf und ist im Spritzgiessverfahren hergestellt. Erfindungsgemäss ist die Oberfläche mindestens eine der zwei Flachseiten (21) Körpers mindestens bereichsweise durch unidirektionales Fasergelege (25) gebildet.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG

[0001] Die Erfindung betrifft einen flächigen Körper aus faserverstärktem Kunststoff als Teil eines Sportgeräts zur Kraftübertragung gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines flächigen Kunststoff-Körpers als Teil eines Sportgeräts.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

[0002] Es ist allgemein bekannt, das Faserverstärkungen die mechanischen Eigenschaften von Kunststoffen erhöhen und somit den Einsatz von Kunststoffen unter Belastung in der Verwendung von Sportartikeln verbessern. Auch werden seit längerem bereits funktionale Gewebeschichten angebracht, welche die Oberfläche verstärken, und somit eine allgemeine Erhöhung der Biegewiederstände erzeugen.

[0003] Diese Verstärkungen durch mit duroplastischen oder thermoplastischen Kunststoffen vorimprägnierten Fasergeweben, sogenannte Pre-Pregs bestehend aus Fasergewebe mit Längs- und Querschussfasern, werden meist vollflächig aufgebracht und sind kostspielig in der Verwendung und insbesondere in der Verarbeitung. Eine gezielte Steuerung der mechanischen Eigenschaften ist nur bedingt möglich, da aufgrund der Längs- und Querfaserrichtung der Fasergewebe jeweils ein störender Einfluss der für die Verstärkung nicht benötigten Faserrichtung auf der Druckseite eines auf Biegung beanspruchten Systems besteht. Die derzeitigen Lösungen im Markt verwenden ausschliesslich Fasergewebe, welche matrixartig das gesamte oder auch Teile eines Sportgeräts aus Kunststoff auf beiden Seiten oberflächennah mit einem verstärkenden Fasergewebe versehen. Hierzu sind verschiedene Lösungen im Einsatz wie etwa im Wassersport in der Verwendung bei Wellenbrettern als Surffinne für den anspruchsvollen Einsatz bei hohen Geschwindigkeiten und schnellen Richtungswechseln und Kurvenradien.

[0004] In EP 3102482A1 ist ein Surfbrett offenbart, welcher mit faserverstärkten Kunststoff hergestellte Finnen aufweist. Die Aussenfläche der Finne umfasst ein sogenanntes Pre-Preg, welches ein Fasergewebe mit Längs- und Querschussfasern aufweist. Die Finne wird in einem Injektionsverfahren hergestellt, wobei es sich beim injizierten Polymer um ein anderes Polymer handelt als das im Fasergewebe imprägnierte Polymer. Der innere Kern der Finne ist durch ein weiteres drittes Material mit einer geringeren Dichte gebildet. Die Verwendung von Fasergeweben als Aussenfläche für die Finne führt zur Verwendung von Fasern, welche aufgrund ihrer Ausrichtung keinen Beitrag zur Biegesteifigkeit der Finne leisten und somit lediglich für höhere Material- und Herstellungskosten sorgen. Zugleich führt die Verwendung von unterschiedlichen Polymeren zu einem mehrschichtigen Aufbau der Finne mit unterschiedlichen Materialeigenschaften.

AUFGABE

[0005] Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen alternativen flächigen Körper aus faserverstärktem Kunststoff als Teil eines Sportgeräts zur Kraftübertragung mit tieferen Herstellungskosten vorzuschlagen. Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung, von den mechanischen Eigenschaften der Fasern in einem flächigen Körper aus faserverstärktem Kunststoff als Teil eines Sportgeräts zur Kraftübertragung gezielt Gebrauch zu machen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist das Aufzeigen eines Verfahrens zur Herstellung eines solchen Körpers.

BESCHREIBUNG

[0006] Die Aufgabe wird gelöst mit einem flächigen Körper aus faserverstärktem Kunststoff als Teil eines Sportgeräts zur Kraftübertragung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weiterbildungen und/oder vorteilhafte Ausführungsvarianten sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

[0007] Die Erfindung bezieht sich auf einen flächigen Körper aus faserverstärktem Kunststoff als Teil eines Sportgeräts zur Kraftübertragung, wobei der flächige Körper eine Kunststoffmatrix und in der Kunststoffmatrix aufgenommene Fasern aufweist und im Spritzgiessverfahren hergestellt ist. Erfindungsgemäss ist die Oberfläche mindestens eine der zwei Flachseiten des Körpers mindestens bereichsweise durch ein unidirektionales Fasergelege gebildet. Die hauptsächlich auf Biegung beanspruchte Richtung eines flächigen Körpers ist in der Regel jene, welche senkrecht zur Flachseite des Körpers steht. Das Einbringen von Endlosfasern in der Oberfläche dieser Flachseiten ermöglicht das Biegeverhalten des Körpers zu verändern. Die Verwendung von unidirektionalem Fasergelege, das mindestens bereichsweise die Oberfläche der Flachseiten bildet, ermöglicht die optimale Nutzung der Faser-Eigenschaften zur Verbesserung des Biegeverhaltens eines flächigen Körpers. Die Beanspruchung eines flächigen Körpers auf Biegung verursacht auf einer Flachseite eine Beanspruchung auf Zug, während die gegenüberliegende Seite auf Druck beansprucht wird. Die in Kunststoffen eingebetteten Fasern weisen ein ausgeprägt anisotropes Verhalten zur Aufnahme von Kräften auf und haben hervorragende Eigenschaften zur Aufnahme von Zugkräften in Richtung der Fasern. Der Erfindungsgegenstand zielt unter anderem darauf hin, von dieser Eigenschaft der in einem Kunststoff eingebetteten Fasern maximalen Gebrauch zu machen, indem unter anderem die Richtung der Fasern im Kunststoff-Körper derart gewählt ist, dass die Fasern die aufgrund der Biegung des Kunststoff-Körpers entstehenden Zugkräfte aufnehmen können. Die gezielte Ausrichtung der Fasern führt zu einer möglichst effektiven Verwendung der Fasern und damit zu möglichst tiefen Herstellungskosten eines faserverstärkten Kunststoff-Körpers, welcher als Teil eines Sportgeräts zur Kraftübertragung dient.

[0008] Für das Spritzgiessverfahren, mit welchem der flächige Körper hergestellt wird, wird ein Polymer verwendet, welches gleichartig zum auf den Fasern des unidirektionalen Fasergeleges imprägnierten Polymer ist.

[0009] Um die Biegesteifigkeit eines flächigen Körpers zu erhöhen muss das axiale Flächenmoment 2. Grades und somit auch das Widerstandsmoment erhöht werden. Für Rechteckige Elemente gilt folgende Beziehung: I: Flächenmoment 2 Grades, b= Breite h = Höhe der Rechtecks.

[0010] Aufgrund der Seitenverhältnisse gilt für die Vorrichtungen dieser Erfindung somit vereinfachend die Beziehung Ivorrichtung~ a<3>wobei a Abstand der Randfaser bzw. Oberfläche der Endlosfaserverstärkung zur Biegeachse ist.

[0011] Bei der Durchbiegung des flächigen Körpers spielt nebst dem Flächenmoment auch das Elastizitätsmodul eine bedeutende Rolle. Die Durchbiegung wird durch die Lösung der folgenden Differentialgleichung bestimmt: M = -E · I · ω'', mit M = Biegemoment, E = Elastizitätsmodul und ω = Durchbiegung

[0012] Diese Gleichung sagt aus, dass je höher das Elastizitätsmodul und das axiale Flächenmoment sind, desto geringer die Krümmung des flächigen Körpers ist. Eine geringe Krümmung bedeutet eine geringe Durchbiegung über eine gewisse Länge. Dies wird mit einer hohen Biegesteifigkeit erreicht. Eine hohe Biegesteifigkeit wird wiederum durch das Anordnen von Endlosfasern, die parallel zur Biegeachse aber auch möglichst weit von dieser entfernt zu liegen kommen, erzielt. Demzufolge müssen in einem flächigen Körper die Fasern möglichst nahe an der Oberfläche der Flachseiten des Körpers zu liegen kommen.

[0013] Vorteilhafterweise sind beide Flachseiten des flächigen Körpers durch ein unidirektionales Fasergelege gebildet. Dies ermöglicht es, auf beiden Flachseiten eines flächigen Körpers von den Eigenschaften der Fasern Gebrauch zu machen. Das Widerstandsmoment in beide Richtungen senkrecht zur Flachseite wird dadurch erhöht.

[0014] Die Biegeeigenschaften eines Körpers können gezielt durch die Vorausbestimmung der Verschiebung ω mit Hilfe folgender Formel beeinflusst werden:

[0015] Die Biegesteifigkeit der gesamten Vorrichtung E · I setzt sich aus der Biegesteifigkeit des als Matrix eingesetzten Kunststoffs und derjenigen der Endlosfaserverstärkung in Linearkombination zusammen.

[0016] In einer bevorzugten Ausführungsform bildet der Bereich der Flachseite des Körpers, der durch ein unidirektionales Fasergelege gebildet ist, mindestens 40%, vorzugsweise mindestens 60%, der Fläche der Flachseite. Eine gezielte Steuerung der Biegesteifigkeit des flächigen Körpers erfolgt durch geometrische Reduktion der Flächenbereiche des unidirektionalen Fasergeleges. Das Verhältnis der Flächen mit einem unidirektionalen Fasergelege zur Gesamtfläche der Flachseite definiert einen Geometriefaktor, welcher für die Bestimmung des Biegeverhaltens eines flächigen Körpers mit der Biegesteifigkeit multipliziert wird. Die Auswahl der Bereiche auf der Flachseite, welche aus unidirektionalem Fasergelege gebildet sind, beeinflusst auch die Torsionsfestigkeit des flächigen Körpers. Nebst einer gewünschten Biegefestigkeit kann auch eine gewünschte Torsionsfestigkeit als Grundlage zur Bestimmung der Bereiche dienen, welche durch unidirektionale Fasergelege abzudecken sind.

[0017] Vorteilhafterweise weist der flächige Körper eine thermoplastische Matrix auf. Die Verwendung eines thermoplastischen Polymers ermöglicht eine einfachere Herstellung des flächigen Körpers. Das thermoplastische Polymer stellt für die Verwendung in einem Spritzgiessverfahren den idealen Kunststoff dar. Wie bereits oben erwähnt, wird die Biegesteifigkeit durch das Produkt aus dem Elastizitätsmodul E und dem Flächenmoment I gebildet. Die Auswahl des Polymers hat einen direkten Einfluss auf die Biegesteifigkeit des flächigen Körpers. Idealerweise weist das im flächigen Körper verwendete Polymer einen E-Modul von 1000 MPa bis 20'000 MPa auf.

[0018] In einer bevorzugten Ausführungsform ist das unidirektionale Fasergelege jeweils als Tape zur Verfügung gestellt. Idealerweise handelt es sich beim Tape um ein flexibles Tape. Der Gebrauch eines Tapes als Ausgangsmaterial für das unidirektionale Fasergelege erlaubt die Nutzung von im Markt üblichen und leicht erhältlichen Standardprodukten. Durch die einfache Zugänglichkeit und grosse Verfügbarkeit solcher Tapes werden die Kosten für die Herstellung des flächigen Körpers reduziert. Die Dicke des Tapes wird so gewählt, dass eine Flexibilität des Tapes stets gewährleistet ist und das Tape auf einer Rolle aufgerollt sein kann. Die Dicke des Tapes und somit auch diejenige des unidirektionalen Fasergeleges liegt zwischen 0.1 und 1.0 mm.

[0019] Die Flächen der Flachseiten des flächigen Körpers sind zusammen bevorzugt mindestens 5-mal grösser als die Gesamtfläche der restlichen Seiten zusammen. Der Einfluss der Fasern eines unidirektionalen Fasergeleges, welches mindestens bereichsweise eine Flachseite eines Körpers bildet, kommen zum Tragen solange diese Flachseite grössenmässig eine dominierende Seite im Körper einnimmt. Diese Dominanz ist gewährleistet, wenn die Summe der Fläche der Flachseiten zusammen um mindestens 5-mal grösser ist als die Gesamtfläche der restlichen Seiten.

[0020] Vorzugsweise beträgt das Verhältnis der Länge zur Dicke des flächigen Körpers mindestens 5. Da es sich um einen flächigen Körper handelt, stellt die maximale Ausdehnung einer Flachseite die Länge des flächigen Körpers dar. Die Dicke des flächigen Körpers ist die Ausdehnung senkrecht zur Flachseite des Körpers. Das unidirektionalen Fasergelege, welches mindestens eine von zwei Flachseiten eines flächigen Körpers mindestens bereichsweise bildet, beeinflusst die Biegesteifigkeit eines flächigen Körpers stärker, wenn dieser ein Verhältnis seiner Länge zu seiner Dicke von mindestens 5 aufweist.

[0021] In einer weiter bevorzugten Ausführungsform beträgt die Wandstärke des flächigen Körpers maximal 20 mm, insbesondere maximal 15 mm. Die Anwendung der Erfindung beschränkt sich auf flächige Körper, welche in einer möglichen Ausführung eine eingeschränkte Wandstärke aufweisen können.

[0022] Vorteilhafterweise sind die Fasern des unidirektionalen Fasergeleges Kohlenstofffasern. Die Kohlenstofffasern bringen gegenüber anderen Materialien den Vorteil mit sich, dass sie einen kleineren Durchmesser aufweisen können. Zusätzlich haben sie aufgrund ihrer geringen Dichte eine geringe Masse, was sich vorteilhaft auf das Gewicht des flächigen Körpers auswirken kann. Vorstellbar ist, dass die Fasern Glasfasern oder auch Naturfasern sein können. Die Auswahl des Materials für die Fasern kann auch auf die Dicke des unidirektionalen Fasergeleges Einfluss haben.

[0023] Das unidirektionale Fasergelege weist vorzugsweise einen Faseranteil von 30% bis 70%, insbesondere von 50% bis 70%, auf. Die Fasern nehmen mehrheitlich die auf den flächigen Körper wirkenden Kräfte auf, während die Kunststoff-Matrix für den Verbund und den Zusammenhalt der Fasern innerhalb des Kunststoff-Körpers sorgt. Ein optimaler Bereich des Anteils von Fasern gegenüber der Matrix, in welchem die Vorzüge beider Werkstoffe zum Tragen kommen, wird angestrebt.

[0024] Bevorzugt verläuft die Richtung der Fasern im unidirektionalen Fasergelege derart, dass eine gewünschte Biegesteifigkeit des flächigen Körpers zustande kommt. Eine Einstellung des Faserwinkels α, welcher einen Winkel der Hauptachse und der Fasern im unidirektionalen Fasergelege darstellt, ist von der Kontur des flächigen Körpers und der Hauptbelastungsrichtung der Biegebeanspruchung des flächigen Körpers abhängig. Die gewünschten Biegeeigenschaften durch Einstellung des Faserwinkels α lässt sich durch Finite-Elemente-Simulation oder durch empirische Tests ermitteln.

[0025] Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines flächigen Kunststoffkörpers als Teil eines Sportgeräts, bei welchem mindestens eine der zwei gegenüberliegenden Flachseiten des Kunststoffkörpers mindestens bereichsweise durch ein unidirektionales Fasergelege gebildet ist. Die Herstellung weist folgende Verfahrensschritte auf; das unidirektionale Fasergelege wird in Form der Flachseite des flächigen Kunststoffkörpers aus einem flexiblen Tape ausgeschnitten, eine vorzugsweise aus zwei Hälften bestehende Spritzgiessform mit einem dem herzustellenden Kunststoffkörper entsprechenden Hohlraum wird hergestellt, das ausgeschnittene Fasergelege wird in die Spritzgiessform eingelegt und an eine Formhälfte angelegt, die Spritzgiessform wird geschlossen und mit einem thermoplastischen Kunststoff ausgespritzt und danach wird der Kunststoffkörper entnommen.

[0026] Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern im flexiblen Tape unidirektional gerichtet und vorzugsweise Kohlestofffasern sind.

[0027] Vorteilhafterweise sind beide gegenüberliegenden Flachseiten des herzustellenden Kunststoffkörpers durch ein unidirektionales Fasergelege gebildet.

[0028] Genannte optionale Merkmale können in beliebiger Kombination verwirklicht werden, soweit sie sich nicht gegenseitig ausschliessen. Insbesondere dort wo bevorzugte Bereiche angegeben sind, ergeben sich weitere bevorzugte Bereiche aus Kombinationen der in den Bereichen genannten Minima und Maxima.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

[0029] Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezugnahme auf schematische Darstellungen. Es zeigen in nicht massstabsgetreuer, schematischer Darstellung: Figur 1: eine Seitenansicht einer Surfboard-Finne mit einer Seitenfläche, die bereichsweise durch ein unidirektionales Fasergelege gebildet ist; Figur 2: die gleiche Ansicht der Finne wie in Figur 1 mit symbolischer Darstellung der Richtung der Fasern; Figur 3: ein horizontaler Schnitt durch die Surfboard-Finne aus Figur 1 und 2; Figur 4: eine Seitenansicht einer weiteren Finne mit zwei Bereichen auf der Flachseite ohne unidirektionalen Fasergelegen; Figur 5: eine Draufsicht auf ein Paddelblatt mit einer Aufnahmevorrichtung für einen Schaft; Figur 6: eine Seitenansicht des Paddelblattes aus Figur 5 mit Darstellung des Bereichs des unidirektionalen Fasergeleges und der Richtung der Fasern; und Figur 7: eine Seitenansicht eines Hockeyschlägers mit einer Kelle, die bereichsweise ein unidirektionales Fasergelege aufweist.

DETAILIERTE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

[0030] Im Folgenden stehen gleiche Bezugsziffern für gleiche oder funktionsgleiche Elemente (in unterschiedlichen Figuren). Ein zusätzlicher Apostroph kann zur Unterscheidung gleichartiger bzw. funktionsgleicher oder funktionsähnlicher Elemente in einer weiteren Ausführung dienen.

[0031] In Figur 1 ist eine Finne 11 gezeigt, welche idealerweise an einem Surfbrett (hier nicht gezeigt) angebracht wird. Die Seitenansicht der Finne 11 in Figur 1 weist auf eine dreiecksähnliche Form der Finne 11 hin. Die längste Kante der Finne 11 ist die Angriffskante 13. Von den zwei kürzeren Kanten ist jene die Grundkante 15, welche auf dem Surfbrett zu liegen kommt. Die Hinterkante 17 ist beinahe gleich lang wie die Grundkante und schliesst mit dieser beinahe einen rechten Winkel ein. Die Finne 11 wird an ihrer Grundseite am Surfbrett angebracht. Die Grundseite der Finne 11 ist jene Seite, an welcher sich die Grundkante 15 befindet und senkrecht zur Darstellungsebene liegt. An der Grundseite der Finne 11 sind zwei lippenartige Vorsprünge unterschiedlicher Länge vorgesehen, welche in dafür vorgesehenen Aussparungen an einem Surfbrett eingreifen und für die Befestigung der Finne 11 am Surfbrett sorgen. Die Hinterkante 17 weist eine Biegung in Richtung nach innen der Dreiecksfläche auf. Die Angriffskante 11 weist im Bereich vor dem Schnittpunkt mit der Hinterkante 17 ebenfalls eine Biegung auf, wodurch die Hinterkante 17 kürzer zu stehen kommt als wenn die Angriffskante 13 gerade wäre.

[0032] Die Fläche, welche von den drei oben beschriebenen Kanten 13,15,17 aufgespannt wird, stellt die Flachseite 21 und somit die grösste Fläche der Finne 11 dar. Ein Bereich 23 dieser Flachseite 21 ist durch ein unidirektionales Fasergelege gebildet. Im Weiteren wird der Bereich, welcher die Oberfläche der Flachseite mit dem unidirektionalem Fasergelege bildet, als faserverstärkter Bereich 23 bezeichnet.

[0033] In Figur 2 ist die Finne 11 in der gleichen Ansicht wie in Figur 1 gezeigt, jedoch ist zusätzlich die Richtung der Fasern 25 im faserverstärkten Bereich 23 der Flachseite 21 dargestellt. Die dargestellten Fasern 25 entsprechen nicht der gesamten Anzahl Fasern im faserverstärkten Bereich 23, sondern sollen lediglich die Richtung der Fasern 25 darstellen. Entgegen der Darstellung in Figur 2 ist der faserverstärkte Bereich 23 der Flachseite 21 vollständig mit Fasern versetzt. Die Fasern 25 verlaufen parallel zueinander und erstrecken sich idealerweise von einem Rand bis zum anderen Rand des faserverstärkten Bereichs 23. Je nach Ausrichtung der Fasern kann eine Faser von einem Rand bis zum gegenüberliegenden Rand oder auch bis zum benachbarten Rand des faserverstärkten Bereichs 23 verlaufen.

[0034] Der faserverstärkte Bereich 23 deckt einen bestimmten Bereich der Flachseite 21 der Finne 11 ab. Dieser Bereich wird derart gewählt, dass sowohl die Biegesteifigkeit als auch die Torsionssteifigkeit der Finne 11 ein gewünschtes Verhalten aufzeigen. In der in Figur 1 und 2 gezeigten Finne 11 ist dieser Bereich nebst der Angriffskante 13 und der Grundkante 15 durch einen zusätzlichen Rand 27 aufgespannt. Der zusätzliche Rand 27 definiert die Trennung vom faserverstärkten Bereich 23 zum nicht faserverstärkten Bereich der Flachseite 21 der Finne. Der zusätzliche Rand 27 ist beinahe parallel zur Hinterkante 17 angeordnet und schneidet die Grundkante 15.

[0035] In Figur 3 ist eine zur Grundseite paralleler etwa mittig angesetzter Schnitt durch die Finne 11 gezeigt. Der faserverstärkte Bereich 23 erstreckt sich über die längere Kante 13 auf beide Flachseiten 21,21' der Finne 11. Die Trennungslinie in der Figur 3 zwischen dem faserverstärkten Bereich 23 und dem restlichen Körper dient lediglich der Veranschaulichung der Dimension des faserverstärkten Bereichs 23 und ist im realen Gegenstand so nicht vorzufinden. Der Grund dafür liegt darin, dass die Kunststoff-Matrix des faserverstärkten Bereichs 23 derjenige Kunststoff ist, aus dem auch der flächige Körper hergestellt ist.

[0036] In Figur 4 ist die gleiche Finne wie in Figur 1 gezeigt, wobei bei dieser Finne 11 das unidirektionale Fasergelege einen anderen Bereich der Flachseite der Finne 11 abdeckt. In dieser Ausführung gibt es zwei Ränder 27,27', welche eine Trennung des faserverstärkten Bereichs zum nicht faserverstärkten Bereich bilden. Der erste Rand 27 verläuft auch in dieser Ausführung von der Hinterkante 17 zur Grundkante 15. Dabei nimmt er eine Form an ähnlich einem Viertelkreis mit dem Schnittpunkt der beiden kurzen Kanten 15,17 als dessen Mittelpunkt. Der zweite Rand 27' weist ebenfalls eine kreisbogenähnliche Form auf, jedoch verläuft dieser von der Angriffskante 13 zur Hinterkante 17 und der Schnittpunkt dieser Kanten definiert etwa den Mittelpunkt dieses Kreisbogens. Die Auswahl eines unterschiedlichen Bereichs für die Abdeckung der Flachseite 21 einer Finne 11 mit einem unidirektionalen Fasergelege führt zu einem unterschiedlichen Verhalten der Finne 11 in Bezug auf Biegung und Torsion. Denn sowohl die Biegefestigkeit als auch Torsionsfestigkeit der Finne 11 wird durch die faserverstärkte Kunststoff-Lage in ihrer Oberfläche geändert. Mit der Richtung der Fasern 25 und des abzudeckenden Bereichs 23 der Flachseite 21 eines Körpers mit unidirektionalem Fasergelege kann gezielt eine bestimmte Biege- und Torsionsfestigkeit erzielt werden.

[0037] In Figur 5 ist ein Paddelblatt 31 abgebildet. Das Paddelblatt 31 verfügt über eine Vorrichtung 33 zur Aufnahme eines Schafts (hier nicht gezeigt). Die Aufnahmevorrichtung 33 ist derart angeordnet, dass der Schaft des Paddels in Längsrichtung des Paddelblatts 31 in die Aufnahmevorrichtung 33 eingeführt werden kann. Das Paddelblatt 31 weist eine leichte Krümmung auf. Die innere Seite des gekrümmten Paddels ist die Unterseite 35, woraufhin die äussere Seite des gekrümmten Paddels die Oberseite 37 des Paddels definiert.

[0038] In Figur 6 ist eine Aufsicht des Paddelblatts 31 aus Figur 5 dargestellt, wobei es sich bei der gezeigten Seite um die Unterseite 35 des Paddelblatts handelt. Der Grundriss des Paddelblattes 31 weist eine rechteckige Form mit abgerundeten Ecken auf. Die Aufnahmevorrichtung 33 für den Schaft ist an einer breiten Seite in etwa dessen Mitte angeordnet. Das Paddelblatt 31 nimmt in Richtung zur Aufnahmevorrichtung 33 eine konstante Reduzierung seiner Breite vor.

[0039] Die Unterseite 35 ist in zwei Bereiche unterteilt. Der grössere Bereich ist schraffiert und bildet den Bereich 23, in welchem die Aussenfläche durch ein unidirektionales Fasergelege gebildet ist. Die Schraffur in diesem Bereich deutet auf die Richtung der zueinander parallel verlaufenden Fasern 25 hin. Sie verlaufen im Allgemeinen in Längsrichtung des Paddelblatts 31, weisen aber einen kleinen Winkel gegenüber der Längsrichtung des Paddelblatts auf, wobei die Längsrichtung des Paddelblatts durch die Mittelachse 39 der zylindrisch geformten Aufnahmevorrichtung 33 bestimmt wird. An der gegenüberliegenden Seite der Aufnahmevorrichtung 33 des Paddelblatts 31 sind Bereiche vorgesehen, welche keine mit Fasern verstärkte Oberfläche aufweisen. Der Gegenstand weist in Abhängigkeit der Bereiche, welche eine Oberfläche mit oder ohne unidirektionalem Fasergelege umfasst, eine unterschiedliche Biegesteifigkeit auf, was wiederum zu einem unterschiedlichen Biegeverhalten führt. Durch die Auswahl der Bereiche auf der Flachseite 21 eines Gegenstandes, deren Aussenfläche durch ein unidirektionales Fasergelege gebildet ist, kann dessen Biege- und Torsionsverhalten gezielt gesteuert werden.

[0040] In Figur 7 ist ein Teil eines Sportgeräts gezeigt, welches im Gegensatz zu den vorherigen Ausführungsbeispielen nicht für die Verwendung im Wasser vorgesehen ist. Dabei handelt es sich um einen Hockeyschläger 41, wobei der Schaft 43 des Hockeyschlägers 41 nur teilweise abgebildet ist. Die Kelle 45 weist eine rechteckige Form mit abgerundeten Ecken auf. An einer Ecke der Kelle ist eine Aufnahmevorrichtung 47 für den Schaft 43 vorgesehen. Diese nimmt den Schaft 43 derart ein, dass der Schaft 43 und die Längsachse der Kelle 45 in einem Winkel von ungefähr 120° zu stehen kommen. Die Kelle 45 weist in bestimmten Bereichen ihrer Flachseite 21 eine faserverstärkte Lage 23 als Aussenfläche auf. Diese Bereiche sind in Figur 7 durch eine Schraffur gekennzeichnet. Die Linien der Schraffur zeigen die Richtung der Fasern 25 auf.

[0041] Die Kelle 45 weist an all ihren Ecken bis auf diejenige, an welcher die Aufnahmevorrichtung 47 angebracht ist, Bereiche auf, in welchen die Aussenfläche nicht durch ein unidirektionales Fasergelege gebildet ist. Auch innerhalb der Flachseite 21 sind drei schmale Bereiche der Aussenfläche vorhanden, welche frei von einem unidirektionalen Fasergelege sind. Diese Bereiche sind als schmale Rechtecke geformt, deren Breite durch einen Halbkreis gebildet wird. Die Längsseite der schmalen Rechtecke verlaufen parallel zur Längsseite der Kelle 45. Die drei schmalen Bereiche sind alle gleich lang und untereinander angeordnet.

[0042] Die Herstellung einer wie in Figur 1 - 4 gezeigten Finne erfolgt folgendermassen: Von einem flexiblen Tape werden unidirektionale Fasergelegen ausgeschnitten, welche die Form der Flachseiten 21 der Finne 11 aufweisen. Beim Ausschneiden der Stücke ist darauf zu achten, dass die Richtung der Fasern 25 in den ausgeschnitten Stücken so verläuft, wie später auf der Finne 11 gewünscht. Mindestens auf einer Seite der ausgeschnitten Stücke ist ein thermoplastisches Polymer imprägniert.

[0043] Falls nicht bereits vorhanden, wird eine Spritzgiessform hergestellt, welche idealerweise aus zwei Hälften besteht und einen der herzustellenden Finne 11 entsprechenden Hohlraum aufweist. Mit Hilfe von Haltevorrichtungen werden die zuvor von einem flexiblen Tape ausgeschnitten Fasergelegen in der Spritzgiessform angeordnet, so dass die Seiten der Fasergelegen mit dem imprägnierten thermoplastischen Polymer entgegengesetzt zueinander orientiert sind. Die Spritzgiessform wird geschlossen, indem die beiden Hälften aufeinander zu liegen kommen. Vom gleichen thermoplastischen Polymer, wie er auf den Lagen imprägniert ist, wird in die Spritzgiessform injiziert. Die Plastifizierung der thermoplastisch imprägnierten Schicht auf den Lagen führt zu einem Verbund mit dem injizierten thermoplastischen Polymer. Nach Abkühlen des Polymers entsteht ein einheitlicher Körper in Gestalt einer Finne 11, dessen Flachseiten 21 bereichsweise durch unidirektionale Fasergelege gebildet sind. Das Öffnen der Spritzgiessform ermöglicht die Entnahme der fertig hergestellten Finne 11 und schliesst somit den Herstellungsprozess ab.

[0044] Analog zum oben beschriebenen Vorgehen gestaltet sich die Herstellung aller übrigen erdenklichen Ausführungsmöglichkeiten. Falls nur eine Flachseite eines Gegenstandes unidirektionales Fasergelege aufweisen soll, wird bei der Herstellung nur ein vom flexiblen, unidirektionalen Tape ausgeschnittenes Fasergelege in eine der beiden Haltevorrichtungen der Spritzgiessform eingelegt. Die restlichen Verfahrensschritte bleiben gleich.

[0045] Während die Erfindung vorstehend unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen beschrieben wurde, ist es offensichtlich, dass Änderungen, Modifikationen, Variationen und Kombinationen ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen gemacht werden können.

BEZUGSZEICHENLISTE:

[0046] 11 Finne 13 Längskante der Finne 15 Erste Kurzkante der Finne 17 Zweite Kurzkante der Finne 21,21' Flachseite eines flächigen Körpers 23 Faserverstärkter Bereich der Flachseite 25 Fasern 27, 27', 27" Rand des faserverstärkten Bereichs 31 Paddelblatt 33 Aufnahmevorrichtung 35 Unterseite des Paddelblatts 37 Oberseite des Paddelblatts 39 Mittelachse der Aufnahmevorrichtung 41 Hockeyschläger 43 Schaft des Hockeyschlägers 45 Kelle des Hockeyschlägers 47 Aufnahmevorrichtung für Schaft

Claims

1. Flächiger Körper (11,31,41) aus faserverstärktem Kunststoff als Teil eines Sportgeräts zur Kraftübertragung, wobei der flächige Körper (11,31,41) eine Kunststoffmatrix und in der Kunststoffmatrix aufgenommene Fasern aufweist und im Spritzgiessverfahren hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche mindestens eine der zwei Flachseiten (21) des Körpers mindestens bereichsweise durch ein unidirektionales Fasergelege gebildet ist.

2. Flächiger Körper (11,31,41) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche beider Flachseiten (21) des flächigen Körpers (11,31,41) durch ein unidirektionales Fasergelege gebildet ist.

3. Flächiger Körper (11,31,41) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der Flachseite (21) des flächigen Körpers (11,31,41), der durch ein unidirektionales Fasergelege gebildet ist, mindestens 40%, vorzugsweise mindestens 60%, der Fläche der Flachseite (21) bildet.

4. Flächiger Körper (11,31,41) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der flächige Körper (11,31,41) eine thermoplastische Matrix aufweist.

5. Flächiger Körper (11,31,41) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das unidirektionale Fasergelege jeweils als Tape zur Verfügung gestellt ist.

6. Flächiger Körper (11,31,41) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche der Flachseiten (21) des flächigen Körpers (11,31,41) zusammen mindestens 5-mal grösser sind als die Gesamtfläche der restlichen Seiten zusammen.

7. Flächiger Körper (11,31,41) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Länge zur Dicke des flächigen Körpers (11,31,41) mindestens 5 beträgt.

8. Flächiger Körper (11,31,41) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Wandstärke des flächigen Körpers (11,31,41) 20 mm, insbesondere 15 mm, beträgt.

9. Flächiger Körper (11,31,41) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern des unidirektionalen Fasergeleges Kohlenstofffasern sind.

10. Flächiger Körper (11,31,41) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das unidirektionale Fasergelege einen Faseranteil von 30% bis 70% aufweist.

11. Flächiger Körper (11,31,41) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung der Fasern im unidirektionalen Fasergelege derart verläuft, dass eine gewünschte Biegesteifigkeit des flächigen Körpers (11,31,41) zustande kommt.

12. Verfahren zur Herstellung eines flächigen Kunststoffkörpers (11,31,41) als Teil eines Sportgeräts, bei welchem mindestens eine der zwei gegenüberliegenden Flachseiten (21) des Kunststoffkörpers mindestens bereichsweise durch ein Fasergelege gebildet ist, und folgende Verfahrensschritte aufweist; die Lage von Fasern wird in Form der Flachseite (21) des flächigen Kunststoffkörpers (11,31,41) aus einem flexiblen Tape ausgeschnitten, eine vorzugsweise aus zwei Hälften bestehende Spritzgiessform mit einem dem herzustellenden Kunststoffkörper entsprechenden Hohlraum wird hergestellt, die ausgeschnittene Lage von Fasern wird in die Spritzgiessform eingelegt und an eine Formhälfte angelegt, die Spritzgiessform wird geschlossen und mit einem thermoplastischen Kunststoff ausgespritzt und danach wird der Kunststoffkörper entnommen, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern im flexiblen Tape unidirektional gerichtet und vorzugsweise Kohlestofffasern sind.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass beide gegenüberliegenden Flachseiten (21) des Kunststoffkörpers (11,31,41) durch ein unidirektionales Fasergelege gebildet sind.