DE102009032663B4

DE102009032663B4 - Hochelastischer Verbundwerkstoff sowie Sportbogen aus einem hochelastischen Verbundwerkstoff

Info

Publication number: DE102009032663B4
Application number: DE102009032663.4A
Authority: DE
Inventors: Werner Dequet; Dr. Tank Volker
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Dequet Werner De
Priority date: 2009-07-09
Filing date: 2009-07-09
Publication date: 2014-08-28
Anticipated expiration: 2029-07-10
Also published as: DE102009032663A1

Abstract

Hochelastischer Verbundwerkstoff für Sportbögen mit mindestens einem Kern (2) aus Holz und mit den Kern an zwei gegenüberliegenden Seiten abdeckenden Deckschichten (3), wobei mindestens einer der Kerne (2) aus einem leichten Holz im Hirnholzschnitt besteht, derart, dass die Fasern (4) im Wesentlichen orthogonal zu den Deckschichten (3) verlaufen.

Description

Die Erfindung betrifft einen hochelastischen Verbundwerkstoff nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In vielen Bereichen der Technik werden Materialien benötigt, die unterschiedliche Eigenschaften in unterschiedlicher Ausprägung miteinander vereinigen. Oftmals stehen keine Materialien zur Verfügung, die alle geforderten Eigenschaften aufweisen. Zum Beispiel bestehen sehr häufig Forderungen nebeneinander, nämlich die nach höchster Festigkeit und die nach geringster Masse für Bauteile. Die geforderten Eigenschaften laufen in der Regel einander entgegen, da beispielsweise leichte Materialien meist von nur geringer Festigkeit sind.
Um dennoch den verschiedenen geforderten Eigenschaften möglichst nahe zu kommen, ist es bekannt, durch die Kombination und technische Verbindung verschiedener Materialien Komposite herzustellen.
Ferner können zu den geforderten Eigenschaften weitere Forderungen hinzukommen, z. B. die Forderung nach einer bestimmten Elastizität, gekoppelt mit einer bestimmten Steifigkeit und Dämpfung.
Die genannten Forderungen sind beispielsweise typisch für Sportgeräte, wie beispielsweise Tischtennisschläger oder Sportbogen. Bei derartigen Sportgeräten sind hohe Festigkeit und geringe Masse meist erwünscht. Die gewünschte Steifigkeit, Elastizität und Dämpfung hängen von den jeweiligen Geräten oder Geräteteilen ab.
Bei einem Sportbogen soll der Bogenhandgriff zumeist sehr steif sein und nicht elastisch, während der Wurfarm sehr elastisch sein soll und in der Steifigkeit an die Kraft des jeweiligen Bogenschützen angepasst sein muss.
Eine besondere Anforderung an die Wurfarme eines Sportbogen ist die hohe Elastizität und Dämpfung. Dies bedeutet, dass bei vorübergehender Verformung durch Belastung und darauf folgender Entlastung das Bauteil möglichst schnell in seine ursprüngliche Form zurückkehren soll, ohne dabei nachzuvibrieren. Die schnelle Rückkehr der verformten Wurfarme in die ursprüngliche Form ist bei Sportbogen deshalb notwendig, damit die mit dem Sportbogen verschossenen Pfeile eine hohe Beschleunigung widerfahren und somit eine hohe Pfeilgeschwindigkeit erreicht wird.
Diese Forderung wird insbesondere dann erfüllt, wenn die Wurfarme des Bogens aus einem leichten Material hergestellt sind. Aus der US 4 207 859 A ist ein Sportbogen aus Balsaholz oder Kunststoffschaum bekannt, der faserverstärkt ist. Bei vielen Anwendungen der eingangs genannten Art werden Kompositbauteile verwendet, die beispielsweise einen Kern aus Kunststoffschaum besitzen, der auf beiden Außenflächen mit Deckschichten aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) oder kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) versehen ist. Durch die verwendeten Materialien sind Masse und Festigkeit vorgegeben. Wenn die Elastizität von den Eigenschaften des Kernmaterials und seiner Dicke sowie der gesamten zu bewegenden Masse abhängt, wird die Steifigkeit sowohl von den Eigenschaften der Deckschichten aber auch durch den Abstand der Deckschichten von einander bestimmt und technisch eingestellt.
Ferner werden aus Gründen der geforderten Festigkeit als Kern häufig Materialien verwendet, die eine relativ hohe Dichte und damit eine relativ große spezifische Masse aufweisen. Dabei ist es beispielsweise bekannt, für den Kern dichte und somit schwere Holzarten, wie beispielsweise Ahorn, Esche oder Eibe, zu verwenden, wobei diese Hölzer jedoch aufgrund ihres Gewichtes nachteilig sind.
Bei den traditionellen Sportgeräten, wie beispielsweise Sportbogen, wird häufig verlangt, dass das Sportgerät zumindest teilweise aus Holz gefertigt ist, um der Tradition gerecht zu werden.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen auf Holz basierenden hochelastischen Verbundwerkstoff von hoher Elastizität und hoher Festigkeit bei geringer Masse zu schaffen.
Zur Lösung der Aufgabe dienen die Merkmale des Anspruchs 1.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein hochelastischer Verbundwerkstoff mindestens einen Kern aus Holz und den mindestens einen Kern abdeckende Deckschichten aufweist. Dabei ist vorgesehen, dass mindestens einer der Kerne aus einem leichten Holz im Hirnholzschnitt besteht, derart, dass die Fasern orthogonal zu den Deckschichten verlaufen.
Mit anderen Worten: Bei einem Kern aus leichtem Holz eines sich beispielsweise in Längsrichtung erstreckenden aus dem hochelastischen Verbundwerkstoff gefertigten Bauteils besteht der Kern aus einer Vielzahl von sich in etwa parallel zueinander erstreckenden Fasern, die in etwa orthogonal auf die Deckschichten treffen und somit quer zu der Längsrichtung des Bauteils verlaufen.
Ein leichtes Holz, wie beispielsweise Balsa oder Pappel, hat parallel zu den Fasern eine höhere Druckfestigkeit als ein Holz hoher Dichte, wie beispielsweise Ahorn, senkrecht zu den Fasern. Auf diese Weise kann mit leichten Hölzern eine höhere Druckfestigkeit im Kern des Bauteils erreicht werden, wobei die Deckschichten für eine ausreichende Bruch- bzw. Reißfestigkeit sorgen.
Durch den Schnitt des als Kern verwendeten leichten Holz senkrecht zur Faser (Hirnholzschnitt) wird der Kern bei einer Biegung parallel zur Faser belastet.
Zumeist werden die Deckschichten mit dem Kern aus leichtem Holz verklebt, wobei die Verwendung des Kerns aus einem Holz im Hirnholzschnitt den Vorteil hat, dass der verwendete Klebstoff in vorteilhafter Weise zwischen die Fasern des Kerns in die offenen Faserkanäle dringen kann und somit eine gute Verankerung des Klebstoffs in dem Kern erfolgt. Auf diese Weise können die Deckschichten sehr gut mit dem Kern verklebt werden.
Es kann vorgesehen sein, dass mindestens einer der Kerne aus zwei oder mehreren ersten Schichten aus leichtem Holz im Hirnholzschnitt besteht, wobei die zwei oder mehreren ersten Schichten vorzugsweise miteinander verklebt sind.
Je nach Anforderung an den Verbundwerkstoff kann somit beispielsweise durch Verwendung von unterschiedlichen leichten Holzarten der Verbundwerkstoff an die Anforderungen in Bezug auf Druckfestigkeit angepasst werden. Dadurch, dass die mehreren ersten Schichten aus leichtem Holz im Hirnholzschnitt bestehen, ist eine vorteilhafte Verklebung der Schichten möglich, da der Klebstoff zwischen die Fasern des leichten Holzes dringen und somit gut in dem Holz verankert sein kann.
Die Deckschichten können aus einem Fasermaterial bestehen, wobei die Fasern der Deckschichten quer zu den Fasern des leichten Holzes des mindestens einen Kerns verlaufen. Auf diese Weise wird eine hohe Bruch- bzw. Reißfestigkeit des Verbundwerkstoffes ermöglicht.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Deckschichten aus einem unidirektionalen Faserverbundwerkstoff, vorzugsweise Glasfaser, Kohlefaser oder Basaltfaser bestehen. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass die Deckschichten aus einem festen Holz bestehen.
Die Verwendung eines unidirektionalen Faserverbundwerkstoffes als Deckschichten hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen. Mit einem derartigen Faserverbundwerkstoff ist die für die Deckschichten geforderte Bruch- bzw.
Reißfestigkeit im besonderen Maße gegeben. Die Verwendung eines festen Holzes als Deckschicht kann ebenfalls eine hohe Reißfestigkeit bewirken, wobei darüber hinaus der hochelastische Verbundwerkstoff nahezu vollständig aus Holz besteht.
Ein derartiger erfindungsgemäßer hochelastischer Verbundwerkstoff ist daher insbesondere in den Bereichen, in denen ein Holzwerkstoff gefordert wird, in vorteilhafter Weise einsetzbar. Darüber hinaus kann die Verwendung von Holz auch aus ökonomischen Gründen von Vorteil sein, da Holz ein nachwachsender Rohstoff und umweltverträglich ist.
Es kann vorgesehen sein, dass mindestens einer der Kerne mindestens eine zweite Schicht aus Fasermaterial aufweist, wobei die Fasern der zweiten Schicht quer zu den Fasern des leichten Holzes des mindestens einen Kerns verlaufen. Durch das Vorsehen einer zweiten Schicht aus Fasermaterial, wobei die Schichten quer zu den Fasern des leichten Holzes des mindestens einen Kerns verlaufen, kann der hochelastische Verbundwerkstoff mit einer sehr hohen Festigkeit geschaffen werden. Je nach Anforderung an den Werkstoff kann daher durch das Vorsehen einer zweiten Schicht aus Fasermaterial der hochelastische Verbundwerkstoff mit den geforderten Eigenschaften bereit gestellt werden. Dabei können beispielsweise die Fasern der mindestens einen zweiten Schicht nicht nur quer zu den Fasern des leichten Holzes des mindestens einen Kerns verlaufen, sondern auch quer zu den Fasern der Deckschichten, so dass eine entsprechende Reißfestigkeit quer zu der Faserrichtung der Deckschichten vorliegt.
Dabei kann die mindestens eine zweite Schicht aus einem Faserlaminat oder einem Holz aus hoher Dichte bestehen.
Ferner kann vorgesehen sein, dass mindestens einer der Kerne mindestens eine dritte Schicht aus Fasermaterial aufweist, wobei die dritte Schicht zwischen Deckschicht und dem mindestens einen Kern, zwischen der Deckschicht und der zweiten Schicht oder zwischen der zweiten Schicht und dem mindestens einen Kern angeordnet ist. Die mindestens eine dritte Schicht weist in unterschiedliche Richtungen orientierte Fasern auf, die kreuzweise zueinander angeordnet sind. Die mindestens eine dritte Schicht kann beispielsweise aus zwei unidirektionalen Faserschichten, die mit sich kreuzenden Fasern angeordnet sind, gebildet sein. Es ist vorgesehen, dass die mindestens eine dritte Schicht derart angeordnet ist, dass die Fasern in einem Winkel zu den Fasern der Deckschicht und/oder der zweiten Schicht verlaufen. Auf diese Weise kann die Torsionssteifigkeit des erfindungsgemäßen hochelastischen Verbundwerkstoffes erhöht werden. Die Fasern der dritten Schicht können beispielsweise in einem 90° Winkel zueinander verlaufen, wobei die dritten Schichten vorzugsweise derart angeordnet sind, dass die Fasern in einem 45° Winkel zu den Fasern der Deckschicht und/oder der zweiten Schicht verlaufen.
Es kann auch vorgesehen sein, dass mindestens einer der Kerne aus mehreren ersten Schichten aus leichtem Holz im Hirnholzschnitt und mehreren zweiten Schichten aus Fasermaterial besteht, wobei die Schichten alternierend angeordnet sind.
Es hat sich herausgestellt, dass auf diese Weise eine Kombination der unterschiedlichen Eigenschaften des leichten Holzes im Hirnholzschnitt und des Fasermaterials in vorteilhafter Weise ermöglicht wird.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind mehrere Kerne aus einem leichten Holz im Hirnholzschnitt vorgesehen, wobei die Kerne durch Trennstreifen voneinander getrennt sind. Auf diese Weise kann eine hohe Stabilität des Verbundwerkstoffes erreicht werden, wobei gleichzeitig eine hohe Elastizität des Verbundwerkstoffes vorliegt. Die Trennstreifen können dabei ebenfalls aus Fasermaterial bestehen, wobei vorzugsweise die Fasern der Trennstreifen quer zu den Fasern der Kerne angeordnet sind.
Die Trennstreifen können beispielsweise aus dem gleichen Material wie die Deckschichten bestehen.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Trennstreifen jeweils aus einer Holzschicht aus einem Holz hoher Dichte bestehen, die mit einem Faserlaminat kaschiert ist, wobei sich die Holzschicht parallel zu den Fasern des leichten Holzes der Kerne erstreckt. Es hat sich herausgestellt, dass ein hochelastischer Verbundstoff mit derartigen Trennstreifen eine hohe Bruchfestigkeit und beispielsweise für den Bogenbau eine vorteilhafte Steifigkeit besitzt.
Es kann vorgesehen sein, dass jeder Kern des Verbundwerkstoffes eine konstante Dicke aufweist, wobei vorzugsweise alle Kerne die gleiche Dicke besitzen.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass sich mindestens einer der Kerne in eine Richtung hin verjüngt.
Durch das Vorsehen von Kernen konstanter Dicke kann auch ein Verbundwerkstoff einer konstanten Dicke hergestellt werden. Durch das Vorsehen von sich in eine Richtung hin verjüngende Kerne kann ein Verbundwerkstoff geschaffen werden, der einen verjüngten Bereich aufweist, in dem besondere Eigenschaften in Bezug auf die Elastizität vorliegen. Dies kann beispielsweise für den Bau von Sportbogen von besonderem Vorteil sein.
Die Erfindung betrifft ferner einen Sportbogen mit zwei Wurfarmen, wobei die Wurfarme aus einem hochelastischen Verbundwerkstoff gemäß der vorliegenden Erfindung bestehen. Ein Sportbogen, bei dem die zwei Wurfarme aus dem erfindungsgemäßen elastischen Verbundwerkstoff hergestellt sind, erfüllt nicht nur die Anforderungen in Bezug auf Elastizität, Steifigkeit, Bruchfestigkeit und Dämpfung, sondern gleichzeitig wird auch dem von Bogenschützen häufig gestellten Wunsch nach einem Sportbogen aus Holzmaterial nachgekommen.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der Verbundwerkstoff, aus dem die Wurfarme gefertigt sind, einen Kern aus zwei oder mehreren ersten Schichten aufweist, wobei sich alle oder einzelne Schichten des Kerns zu einem Ende des Wurfarms hin verjüngen. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass die Elastizität des Wurfarmes zu dem jeweiligen Ende des Wurfarmes hin zunimmt, was besonders vorteilhaft bei Wurfarmen von Sportbogen ist.
Es kann auch vorgesehen sein, dass der Verbundwerkstoff einen Kern aus zwei oder mehreren ersten Schichten aufweist, wobei sich die Schichten unterschiedlich lang erstrecken, derart, dass die Anzahl der Schichten zu einem Ende des Wurfarmes hin abnimmt. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass die Elastizität des Wurfarmes zu einem Ende hin zunimmt.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Zeichnungen die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung eines ersten erfindungsgemäßen hochelastischen Verbundwerkstoffes,
2 eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen hochelastischen Verbundwerkstoffes,
3 eine schematische Schnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen hochelastischen Verbundwerkstoffes,
4 eine schematische Schnittdarstellung eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen hochelastischen Verbundwerkstoffes,
5 eine schematische Darstellung eines Wurfarmes eines Sportbogens in Teilschnittdarstellung,
6 eine schematische Schnittdarstellung eines sich verjüngenden Bauteils aus einem erfindungsgemäßen hochelastischen Verbundwerkstoff.
In den 1 bis 4 sind vier verschiedene Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen hochelastischen Verbundwerkstoffes schematisch im Schnitt dargestellt.
1 zeigt einen Ausschnitt eines Bauteils 1 aus einem erfindungsgemäßen hochelastischen Verbundwerkstoff. Der hochelastische Verbundwerkstoff weist einen Kern 2 aus Holz auf, der an zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils eine den Kern 2 abdeckende Deckschicht 3 besitzt. Der Kern 2 besteht aus einem leichten Holz, das im Hirnholzschnitt und somit quer zu der Faser 4 geschnitten wurde.
Der Kern 2 aus Holz ist derart angeordnet, dass die Fasern 4 in etwa orthogonal zu den Deckschichten 3 verlaufen. Da der Kern aus Holz und somit aus einem natürlichen Material hergestellt ist, verlaufen selbstverständlich die Fasern 4 nicht exakt parallel und treffen somit auch nicht in einem exakten 90° Winkel auf die Deckschichten 3, sondern nur im Wesentlichen orthogonal.
Die Deckschichten 3 sind aus einem Fasermaterial hergestellt, wobei die Fasern quer zu den Fasern 4 des Kerns 2 verlaufen. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel verlaufen die Fasern der Deckschichten senkrecht zu der Darstellungsebene. Das Fasermaterial der Deckschichten 3 kann ein unidirektionaler Faserverbundwerkstoff, beispielsweise ein Glasfaser-, Basaltfaser- oder Kohlefaserwerkstoff sein. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass es sich bei den Deckschichten um ein Holzmaterial handelt, wobei vorzugsweise ein festes Holzmaterial einer dichten Holzart, wie beispielsweise Bambus, Esche, Eibe, Hickory, Osage Orange, Ulme, Robinie oder Ahorn verwendet wird.
Der Vorteil der Verwendung eines Kerns aus leichtem Holz im Hirnholzschnitt liegt im Wesentlichen darin, dass die Druckfestigkeit derartiger Hölzer parallel zu der Faser sehr hoch ist. Beispielsweise beträgt die Druckfestigkeit von Balsa parallel zu der Faser bis zu 28 MPa und die Druckfestigkeit von Pappel parallel zur Faser 38 MPa. Um eine Bruch- bzw. Reißfestigkeit des Verbundwerkstoffes zu gewährleisten, verlaufen die Fasern der Deckschichten 3 entsprechend quer zu den Fasern 4 des Kerns 2.
Die Deckschichten 3 sind vorzugsweise mit dem Kern 2 verklebt, beispielsweise mit Hilfe von Epoxidklebstoff. Bei der Verklebung hat die Ausbildung des Kerns 2 aus einem leichten Holz im Hirnholzschnitt den Vorteil, dass der Klebstoff in vorteilhafter Weise zwischen die Fasern 4 in die Faserkanäle dringen kann und somit eine gute Verankerung des Klebstoffs an dem Kern 2 vorliegt.
In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen hochelastischen Verbundwerkstoffes schematisch im Schnitt dargestellt. Der hochelastische Verbundwerkstoff besteht aus einem Kern 2 aus einem leichten Holz im Hirnholzschnitt, wobei der Kern an zwei gegenüberliegenden Seiten mit Deckschichten 3 abgedeckt ist. Der Kern 2 besteht aus zwei ersten Schichten 5. Die zwei ersten Schichten 5 bestehen jeweils aus einem leichten Holz und sind jeweils im Hirnholzschnitt geschnitten. Dabei kann vorgesehen sein, dass die zwei ersten Schichten 5 aus dem gleichen Holz oder einem unterschiedlichen Holz bestehen. Vorzugsweise sind die zwei ersten Schichten 5 miteinander verklebt. Die Deckschichten 3 bestehen aus einem Fasermaterial und sind mit dem Kern 2 ebenfalls verklebt. Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel verlaufen die Fasern der Deckschichten 3 quer zu den Fasern 4 des Kerns 2. Die in 2 dargestellte obere Deckschicht 3 besitzt dabei Fasern, die senkrecht zu der Darstellungsebene der 2 verlaufen, während die in 2 dargestellte untere Deckschicht 3 Fasern besitzt, die quer zu den Fasern der oberen Deckschicht 3 verlaufen.
Auf diese Weise kann eine Bruchfestigkeit des Verbundwerkstoffs in zwei unterschiedliche Richtungen erreicht werden.
Durch das Vorsehen von einem Kern 2 aus zwei oder mehreren ersten Schichten 5, die aus dem gleichen oder unterschiedlichem leichten Holz bestehen, kann je nach Anforderung ein Verbundwerkstoff mit den geforderten Elastizitätswerten erstellt werden.
In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen hochelastischen Verbundwerkstoffes schematisch im Schnitt dargestellt. Genauso wie bei den vorangegangenen Ausführungsbeispielen besteht der Kern 2 aus einem leichten Holz im Hirnholzschnitt. Orthogonal zu den Fasern 4 des Kerns 2 wird der Kern 2 an zwei gegenüberliegenden Seiten von Deckschichten 3 aus Fasermaterial abgedeckt.
Der Kern besteht aus einer ersten Schicht 5 und zwei zweiten Schichten 6, so dass sich die erste Schicht 5 sandwichartig zwischen den zwei zweiten Schichten 6 befindet. Die zwei zweiten Schichten 6 verlaufen parallel zu den Deckschichten 3.
In dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist nur die erste Schicht 5 aus einem leichten Holz im Hirnholzschnitt gefertigt. Die zweiten Schichten 6 bestehen aus einem Fasermaterial, wobei die Fasern quer zu den Fasern der ersten Schicht 5 verlaufen.
Die Deckschichten 3 bestehen ebenfalls aus einem Fasermaterial, wobei die Fasern der Deckschichten 3 quer zu den Fasern 4 der ersten Schicht 5 des Kerns 2 verlaufen. Die Fasern der Deckschichten 3 verlaufen ferner auch quer zu den Fasern der zweiten Schichten 6 des Kerns 2. Es kann vorgesehen sein, dass beim erfindungsgemäßen hochelastischen Verbundwerkstoff gemäß dem Ausführungsbeispiel der 3 sich die Fasern der unterschiedlichen Schichten jeweils in eine der drei Raumrichtungen erstrecken. Somit wird erreicht, dass sich die Fasern von mindestens einer der Schichten in jeweils eine der drei Raumrichtungen erstrecken und somit eine Bruch- bzw. Reißfestigkeit in alle Raumrichtungen gewährleistet wird.
In 4 ist ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen hochelastischen Verbundwerkstoffes dargestellt. Der Verbundwerkstoff weist mehrere Kerne 2 aus einem leichten Holz im Hirnholzschnitt auf. Zwischen den Kernen 2 sind Trennschichten 8 angeordnet. Die Trennschichten 8 bestehen aus einem Fasermaterial. Die aus den Kernen und den Trennschichten 8 gebildete Schicht wird an zwei gegenüberliegenden Seiten von Deckschichten 3 abgedeckt. Die Deckschichten 3 bestehen ebenfalls aus einem Fasermaterial. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Trennschichten 8 und die Deckschichten 3 aus dem gleichen Material bestehen und die Fasern in die gleiche Richtung gerichtet sind.
Die Trennstreifen 8 können auch aus einer Holzschicht aus einem Holz hoher Dichte bestehen, wobei die Trennstreifen 8 mit einem Faserlaminat 9 kaschiert sind. Die Holzschicht erstreckt sich dabei parallel zu den Fasern 4 des leichten Holzes der Kerne 2.
Genauso wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen erstrecken sich die Fasern der Deckschichten 3 quer zu den Fasern 4 der Kerne 2.
Durch das Vorsehen der Trennstreifen 8 zwischen den Kernen 2 bilden die Trennschichten 8 zusammen mit den Deckschichten 3 eine H-Anordnung, wodurch eine hohe Bruchfestigkeit erreicht wird.
Bei der Verwendung eines derartigen erfindungsgemäßen hochelastischen Verbundwerkstoffes in einem elastischen, langgestreckten Bauteil, wie beispielsweise dem Wurfarm eines Sportbogens, erstrecken sich die Trennschichten 8 in Längsrichtung des Bauteils, um somit die Elastizität des Bauteils zu gewährleisten.
In 5 ist ein Wurfarm 11 eines Sportbogens 10, der aus einem erfindungsgemäßen hochelastischen Verbundwerkstoff hergestellt worden ist, schematisch in Teilschnittdarstellung gezeigt.
Der Wurfarm besitzt einen Kern 2 aus einem leichten Holz im Hirnholzschnitt. Dabei verlaufen die Fasern 4 des Kerns 2 im Wesentlichen quer zu der Längsrichtung des Wurfarmes. An zwei gegenüberliegenden Seiten des Kerns ist der Kern durch Deckschichten 3 abgedeckt, derart, dass die Fasern 4 des Kerns 2 im Wesentlichen orthogonal zu den Deckschichten 3 verlaufen. Die Deckschichten 3 bestehen aus einem Fasermaterial, wobei die Fasern sich in Längsrichtung des Wurfarmes 11 des Sportbogens 10 erstrecken.
Mit Hilfe des Kerns 2 aus leichtem Holz im Hirnholzschnitt wird eine hohe Elastizität des Sportbogens erreicht, wobei der Kern gleichzeitig eine hohe Druckfestigkeit besitzt. Die Deckschichten 3 mit in Längsrichtung des Wurfarmes 11 gerichteten Fasern wirken als Verstärkung, so dass eine Bruch- bzw. Reißfestigkeit des Wurfarmes gewährleistet wird.
Zu einem freien Ende 12 des Wurfarmes 11 hin verjüngt sich der Wurfarm 11. Dies wird erreicht, indem sich der Kern 2 zu diesem Ende hin ebenfalls verjüngt.
Dadurch wird erreicht, dass die Elastizität zu dem freien Ende 12 des Wurfarmes 11 hin zunimmt, so dass auch die Federkraft zu dem Ende des Wurfarmes hin abnimmt.
In 6 ist ein Abschnitt eines sich verjüngenden Bauteils 1 aus einem erfindungsgemäßen hochelastischen Verbundwerkstoff schematisch dargestellt. Das Bauteil 1 weist einen aus mehreren ersten Schichten 5 bestehenden Kern 2 auf, wobei die ersten Schichten 5 aus einem leichten Holz im Hirnholzschnitt hergestellt sind. Die ersten Schichten 5 können aus dem gleichen aber auch aus unterschiedlichem Holz bestehen. Je nach Anforderung an das Bauteil kann somit die gewünschte Elastizität des Bauteils erhalten werden.
Der Kern 2 ist auf zwei gegenüberliegenden Seiten mit einer Deckschicht 3 aus Fasermaterial abgedeckt. Die Fasern des Fasermaterials 3 erstrecken sich quer zu den Fasern 4 der ersten Schichten 5 des Kerns 2. Durch die Verwendung eines Holzes im Hirnholzschnitt für die ersten Schichten 5 erstrecken sich die Fasern 4 im Wesentlichen orthogonal zu den Deckschichten 3, wobei aufgrund der Verjüngung des Kerns die in 6 dargestellte obere Deckschicht 3 in einem Winkel zu der unteren Deckschicht 3 bzw. zu den ersten Schichten 5 des Kerns verläuft. Dadurch verlaufen die Fasern 4 nicht exakt orthogonal zu der oberen Deckschicht 3, sondern in einem Winkel von ungefähr 90° (im Wesentlichen orthogonal).
Die Verjüngung des Bauteils 1 wird erreicht, indem sich einzelne der ersten Schichten 5 zu einer Seite hin ebenfalls verjüngen. Auf diese Weise kann ein sich zu einer Seite hin verjüngendes Bauteil auf einfache Art und Weise aus dem erfindungsgemäßen hochelastischem Verbundwerkstoff hergestellt werden.
In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Wurfarme eines Sportbogens zwei dritte Schichten auf, die jeweils zwischen der Deckschicht und dem Kern angeordnet ist. Jede dritte Schicht besteht aus einem Fasermaterial und weist kreuzweise zueinander angeordnete Fasern auf. Beispielsweise kann die dritte Schicht aus zwei aufeinander liegenden unidirektionalen Faserschichten gebildet sein. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Fasern der dritten Schicht jeweils ungefähr orthogonal zueinander verlaufen. Die dritte Schicht ist derart angeordnet, dass die Fasern in einem Winkel zu der Längsachse des Wurfarms verlaufen. Dieser Winkel kann beispielsweise 45° betragen. Durch das Vorsehen der dritten Schichten wird gewährleistet, dass der Wurfarm eine hohe Torsionssteifigkeit besitzt.
Bei den zuvor erläuterten Ausführungsbeispielen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Deckschichten und/oder die einzelnen Schichten des Kerns sowie die sich zwischen den Kernen befindlichen Trennschichten verklebt sind.
Dazu können herkömmliche Klebstoffe, wie beispielsweise ein auf Polyurethanmaterialien basierender Klebstoff, verwendet werden. Auch können die Klebstoffe Zweikomponentenklebstoffe sein, die auf Epoxyd, Polyester oder Polyurethanbasis basieren. Es ist vorteilhaft, wenn die Klebefuge zwischen den Materialien möglichst dünn ist, um die Eigenschaften des Holzverbundes nicht oder nur im geringen Maße zu beeinträchtigen.
Die Deckschichten können je nach Anforderung aus einem unidirektionalen Faserverbundwerkstoff, wie beispielsweise Glas-, Basalt- oder Kohlefaser, oder auch aus einem Holzwerkstoff aus einem Holz hoher Dichte, wie beispielsweise Bambus, Esche, Eibe, Hickory, Osage Orange, Ulme, Robinie oder Ahorn bestehen. Die Faserrichtung der Deckschichten, der zweiten Schichten des Kerns oder der als Verstärkung dienenden Trennschichten wird je nach Belastungserwartung des aus dem erfindungsgemäßen hochelastischen Verbundwerkstoff hergestellten Bauteils gewählt, so dass durch die Deckschichten, die zweiten Schichten des Kerns oder die Trennschichten ein Auseinanderreißen der Fasern des Kerns im zuverlässigen Maße verhindert wird.
Es hat sich herausgestellt, dass ein Verhältnis der Dicke des Kerns und den Deckschichten für den Sportbogenbau zwischen 2:1 und 3:1 besonders vorteilhaft ist. Beispielsweise kann bei einer Gesamtdicke des Wurfarms von 4 mm der Kern ca. 2,8 mm dick sein, während die Deckschichten jeweils 0,6 mm dick sind.
Für die Trennschichten können beispielsweise Bambusstreifen von beispielsweise einer Dicke von 1 mm verwendet werden, die beispielsweise beidseitig mit ca. 0,3 mm dicken Faserlaminaten aus beispielsweise unidirektionalen glas-, basalt- oder kohlefaserverstärkten Kunststoffen kaschiert sind.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Fasern der Kerne im Wesentlichen orthogonal zu den Deckschichten verlaufen. Aufgrund der Formung des Wurfarms eines Bogens oder aufgrund einer Verjüngung eines Bauteils kann es dabei jedoch vorkommen, dass die Fasern des Kerns nicht exakt im 90° Winkel zu den Deckschichten verlaufen, sondern in einem Winkel von etwa 90°, beispielsweise zwischen 80° und 100°.
Darüber hinaus besteht der Kern des erfindungsgemäßen hochelastischen Verbundwerkstoffes aus Holz, was ein Naturwerkstoff ist. Dadurch verlaufen die Fasern des Kerns nicht exakt parallel, wodurch die Fasern des Kerns ebenfalls nicht exakt orthogonal zu den Deckschichten verlaufen. Diese Umstände werden bei der vorliegenden Erfindung dadurch beschrieben, dass die Fasern der Kerne im Wesentlichen orthogonal zu den Deckschichten verlaufen.

Claims

Hochelastischer Verbundwerkstoff für Sportbögen mit mindestens einem Kern (2) aus Holz und mit den Kern an zwei gegenüberliegenden Seiten abdeckenden Deckschichten (3), wobei mindestens einer der Kerne (2) aus einem leichten Holz im Hirnholzschnitt besteht, derart, dass die Fasern (4) im Wesentlichen orthogonal zu den Deckschichten (3) verlaufen.
Hochelastischer Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Kerne (2) aus zwei oder mehreren ersten Schichten (5) aus leichtem Holz im Hirnholzschnitt besteht, wobei die zwei oder mehreren erste Schichten (5) vorzugsweise miteinander verklebt sind.
Hochelastischer Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschichten (3) aus Fasermaterial bestehen, wobei die Fasern der Deckschichten (3) quer zu den Fasern (4) des leichten Holzes des mindestens einen Kerns (2) verlaufen.
Hochelastischer Verbundwerkstoff nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschichten (3) aus einem unidirektionalen Faserverbundwerkstoff, vorzugsweise Glasfaser, Kohlefaser oder Basaltfaser bestehen.
Hochelastischer Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Kerne (2) mindestens eine zweite Schicht (6) aus Fasermaterial aufweist, wobei die Fasern der zweiten Schicht quer zu den Fasern (4) des leichten Holzes des mindestens einen Kerns (2) verlaufen.
Hochelastischer Verbundwerkstoff nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine zweite Schicht (6) aus einem Faserlaminat oder einem Holz hoher Dichte besteht.
Hochelastischer Verbundwerkstoff nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Kerne aus mehreren ersten Schichten (5) aus leichtem Holz im Hirnholzschnitt und mehreren zweiten Schichten (6) aus Fasermaterial besteht, wobei die Schichten (5, 6) alternierend angeordnet sind.
Hochelastischer Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Kerne (2) mindestens eine dritte Schicht aus Fasermaterial aufweist, wobei die Fasern der dritten Schicht kreuzweise in unterschiedliche Richtungen orientiert sind, wobei die dritte Schicht derart angeordnet ist, dass die Fasern der dritten Schicht in einem Winkel zu den Fasern der Deckschichten (3) und/oder in einem Winkel zu den Fasern der zweiten Schicht (6) verlaufen.
Hochelastischer Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch mehrere Kerne (2) aus einem leichten Holz im Hirnholzschnitt, wobei die Kerne (2) durch Trennstreifen (8) voneinander getrennt sind.
Hochelastischer Verbundwerkstoff nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennstreifen (8) aus Fasermaterial bestehen, wobei vorzugsweise die Fasern der Trennstreifen (8) quer zu den Fasern (4) der Kerne (2) angeordnet sind.
Hochelastischer Verbundwerkstoff nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennstreifen (8) aus dem gleichen Material wie die Deckschichten (3) bestehen.
Hochelastischer Verbundwerkstoff nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennstreifen (8) jeweils aus einer Holzschicht aus einem Holz hoher Dichte bestehen, die mit einem Faserlaminat (9) kaschiert ist, wobei sich die Holzschicht parallel zu den Fasern (4) des leichten Holzes der Kerne (2) erstreckt.
Hochelastischer Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kern (2) eine konstante Dicke aufweist, wobei vorzugsweise alle Kerne (29) die gleiche Dicke besitzen.
Hochelastischer Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Kerne (2) sich in eine Richtung hin verjüngt.
Sportbogen (10) mit zwei Wurfarmen (11), wobei die Wurfarme aus einem hochelastischen Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 14 bestehen.
Sportbogen nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff einen Kern (2) aus zwei oder mehreren ersten Schichten (5) aufweist, wobei sich alle oder einzelne Schichten (5) des Kerns (2) zu einem Ende (12) eines Wurfarms (11) hin verjüngen.
Sportbogen nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff einen Kern (2) aus zwei oder mehreren ersten Schichten (5) aufweist, wobei sich die Schichten (5) unterschiedlich lang erstrecken, derart, dass die Anzahl der Schichten zu einem Ende (12) eines Wurfarms (11) hin abnehmen.