DE102016205194A1 - Strukturelement aus Furnier-Folie-Verbund und Verfahren zur Herstellung - Google Patents

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Abstract

Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Strukturelemente, die nach den Prinzipien des Leichtbaus mindestens teilweise aus Verbundstoffen aus Furnier und thermoplastischen Folien hergestellt sind. Darüber hinaus wird ein Verfahren vorgestellt, wie diese Strukturelemente in vorteilhafter Weise hergestellt werden können. Ausgangspunkt ist ein Furnier, das ein- oder beidseitig mit einer thermoplastischen Folie verbunden ist. Dieses Furnier wird an vorgesehenen Faltkanten eingeritzt oder auf sonstige Weise geschwächt. Anschließend wird das Furnier einzeln oder als Stapel umgeformt und mittels Klebens oder Aufschmelzens der thermoplastischen Folien in der umgeformten Lage fixiert.

Description

  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Strukturelemente, die nach den Prinzipien des Leichtbaus mindestens teilweise aus Verbundstoffen aus Furnier und thermoplastischen Folien hergestellt sind. Darüber hinaus wird ein Verfahren vorgestellt, wie diese Strukturelemente in vorteilhafter Weise hergestellt werden können.
  • Unter Strukturelementen werden im Folgenden Säulen, Träger, Platten, Verbinder und sonstige dreidimensionale Bauteile verstanden, aus denen Trag- oder Haltekonstruktionen zusammengesetzt werden können.
  • Unter Furnier wird eine ebene Holzschicht mit einer Dicke zwischen 0,1 mm und 6 mm verstanden, deren Holzstruktur erhalten ist.
  • Thermoplastische Folien sind flächige Folien mit einer Dicke zwischen 0,01 mm und 1 mm, die durch Überschreiten einer Erweichungstemperatur (70°C bis 250°C) wiederholt in einen plastischen Zustand gebracht werden können. Beispielhaft sind dies Polyolefine oder Co-Polymere. Wesentlich ist, dass die Temperaturen, bei denen die thermoplastischen Folien erweichen, unterhalb der Temperatur liegen, bei denen im Holz des Furniers negative Temperatureffekte (Verkohlung oder andere thermische Abbauerscheinungen) zu erwarten sind.
  • Die Herstellung von Furnier-Folien-Verbundwerkstoffen ist aus dem Stand der Technik bekannt.
  • So beschreibt die DE 2 259 800 A das ein- oder beidseitige Beschichten einer Holzplatte mit thermoplastischer Folie. Dabei wird die Folie mit einem thermoplastischen Klebstoff unter Druck- und Temperaturzufuhr auf einer oder den beiden gegenüberliegenden Seiten der Platte verklebt.
  • Die DE 10 2009 045 194 A1 beschreibt ein Verfahren, Furnierschichten und Schichten thermoplastischer Folien miteinander zu verbinden. Dabei wird insbesondere die Holzfeuchte in einem vorgegebenen Bereich eingestellt. Bei der Entwässerung zerfasert das Holz zumindest teilweise. In einer besonders einfachen Ausführungsform wird eine Schicht Furnier zwischen zwei thermoplastischen Folien eingeschlossen. Die Herstellung erfolgt ebenfalls unter Druck- und Temperaturzufuhr.
  • Furnier-Folien-Verbundwerkstoffe weisen, bei geringem Gewicht, insbesondere in Faserrichtung sehr gute Zugeigenschaften auf. Die Nutzung dieser Verbundwerkstoffe ist somit für Anwendungen, die derartige Beanspruchungen bereithalten, vorteilhaft.
  • Die US 2,348,703 A beschreibt ein Strukturbauteil, das Furnier-Folien-Verbundwerkstoffe nutzt. Als Furnier-Folien-Verbundwerkstoff kommt ein zweilagiges Furnier zum Einsatz, das nach dem Verfahren der US 2,335,624 (Ser. No. 376,586) gewonnen wird. Dabei ist eine thermoplastische Folie zwischen den zwei Furnierlagen angeordnet. Die US 2,348,703 A sieht vor, dass der Furnier-Folie-Verbund auf gegenüberliegenden Seiten wechselseitig mit Einkerbungen versehen wird, an denen der Werkstoff in Zick-Zack-Form gefaltet werden kann. Diese Zick-Zack-förmigen Faltungen werden als Stützelemente zwischen zwei Deckplatten angeordnet. Auf diese Weise entsteht ein tragfähiges Strukturelement reduzierten Gewichts. Nachteilig an diesem Vorgehen ist, dass die Einkerbungen den Verbundwerkstoff fast vollständig durchdringen müssen, um ein splitterfreies Falten der Furnierlage zu gewährleisten. Dies ist insbesondere problematisch, weil die dazu notwendige Dicke dieser verbleibenden Furnierschicht von der Holzfeuchte und der Holzart abhängig ist. Es besteht die Gefahr, dass die Furnierschicht an den Einkerbungen vollständig reißt und die leichte Verarbeitbarkeit der Zick-Zack-Faltung verloren geht.
  • Es stellt sich somit die Aufgabe, ein Strukturelement aus Furnier-Folien-Verbundwerkstoff anzugeben, das die genannten Nachteile überwindet und leicht herzustellen und zu verarbeiten ist.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Strukturelement aus Furnier-Folien-Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 gelöst.
  • Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung dieses Strukturelementes ist in Anspruch 6 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Strukturelementes bzw. des Verfahrens sind in den entsprechenden rückbezogenen Unteransprüchen offenbart.
  • Das erfindungsgemäße Strukturelement besteht aus Furnier-Folien-Verbundwerkstoff. In der einfachsten Form ist eine Lage Furnier auf einer Seite mit einer Lage thermoplastischer Folie beschichtet. Die Beschichtung bedeckt die gesamte Fläche dieser einen Seite. In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Furnierlage auf beiden Seiten mit thermoplastischer Folie beschichtet. Dies können identische oder unterschiedliche Folien sein. Im Falle unterschiedlicher Folien können sich diese in Materialart und/oder Materialdicke unterscheiden. Beide Seiten des Furniers sind dabei vollständig mit Folie beschichtet. Im Falle der beidseitigen Beschichtung des Furniers ragt die Folie bevorzugt über eine, mehrere oder alle Kanten des Furniers hinaus und die beiden Folienlagen sind in den überstehenden (hinausragenden) Bereichen miteinander verschweißt oder in sonstiger Weise verbunden. Das Strukturelement weist eine dreidimensionale Ausdehnung auf, wobei es entlang vorgeschwächter Kanten (Faltungskanten) mit geringem Radius gebogen (im Folgenden auch als „gefaltet“ bezeichnet) ist, so dass sich Abschnitte oder Bereiche aus der ursprünglich ebenen Form des Furnier-Folien-Verbundwerkstoff-Halbzeugs heraus erheben.
  • Aufgrund der thermoplastischen Zwischenfolien verhält sich der Mehrlagenverbund ebenfalls thermoplastisch. Thermoplastisch verhalten sich Kunststoffe, die sich in einem bestimmten Temperaturbereich verformen lassen. Dieser Vorgang ist reversibel, das heißt, er kann durch Abkühlung und Wiedererwärmung bis in den schmelzflüssigen Zustand beliebig oft wiederholt werden, solange nicht durch Überhitzung die thermische Zersetzung des Materials einsetzt.
  • Das Umformvermögen bzw. -verhalten des erfindungsgemäßen Furnier-Folien-Verbundwerkstoffes wird lediglich durch das Furnier selbst begrenzt. Dabei muss die Temperatur bis zum Schmelzpunkt des Thermoplastes (bei PE z. B. 180°C) erhöht werden. Dann tritt ein Gleiten in den Ebenen durch das flüssige Thermoplast ein und ermöglicht ein Verschieben der Lagen des Furnier-Folien-Verbundwerkstoffes gegeneinander. Bedingung hierbei ist, dass hinreichend dicke Thermoplastfolien-Schichten gewählt werden.
  • Wenn die Thermoplastfolien-Schichten so dünn gewählt sind, dass der Thermoplast vollständig oder nahezu vollständig in die benachbarten Furnierschichten eindringt, ist die Gleitebene zu gering, um die gewollte Verschiebung der Lagen gegeneinander bzw. untereinander zu ermöglichen. Das ist z. B. bei der Kombination von Thermoplastfolien mit einer Dicke von 20 µm und Furnieren mit einer Dicke von 0,5 mm der Fall. Diese Schichtkombination kann nur einmal zu einem Formteil verarbeitet und nicht reversibel verformt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Strukturelement mehrere Abfolgen von Furnierlagen mit dazwischen angeordneten thermoplastischen Folien auf. Aufgrund des Aufbaus aus Furnier-Folien-Verbundwerkstoffen, mit einseitig bzw. zweiseitig beschichtetem Furnier, sind dies bevorzugt eine oder zwei Lagen thermoplastischer Folien. Möglich sind auch weitere Lagen thermoplastischer Folien, falls diese als Verklebungsmittel zur Verbindung der Furnier-Folien-Verbundwerkstoff-Lagen genutzt werden.
  • Als Furnierholz kommt bevorzugt europäisches Laubholz, bspw. Rotbuche (Fagus sylvatica L.) zum Einsatz.
  • Die thermoplastische Folie besteht bevorzugt aus einem Thermoplast, bspw. einem Polyamid, vorzugsweise biobasiert (z. B. PA 11, PA 10.10), einem Polyolefin, vorzugsweise biobasiert (z. B. HDPE, LDPE, PP), einem biobasiertem und biologisch abbaubarem Polymer (z. B. Polylactid (PLA),) oder einem Gemisch aus den genannten oder anderen verschiedenen geeigneten thermoplastischen Polymeren.
  • Das erfindungsgemäße Strukturelement weist Faltungskanten auf. An diesen Kanten ist das Furnier in einem Winkel mit einem Biegeradius von vorzugsweise kleiner als 3 mm, besonders bevorzugt kleiner als 1,5 mm und ganz besonders bevorzugt kleiner als 0,5 mm gebogen, und formt so die Abschnitte oder Bereiche, die sich aus der ursprünglich ebenen Form des Furnier-Folien-Verbundwerkstoff-Halbzeugs heraus erheben. Der Biegeradius ist jedoch stets so groß, dass die thermoplastische Folie diesen ohne Zerstörung oder Beschädigung leisten kann. An den Faltungskanten ist das Material des Furnier-Folien-Verbundwerkstoffs bevorzugt ausgedünnt oder eingeschnitten. Besonders bevorzugt ist diese Ausdünnung als Kerbe bzw. Einkerbung ausgeführt, die vorzugsweise das Furnier im Kantenbereich schwächt. In einer bevorzugten Form ist die Einkerbung als Durchtrennung des Furniers ausgeführt. Im Falle eines beidseitig mit thermoplastischer Folie beschichteten Furniers kann somit auch eine der beiden thermoplastischen Folien durchtrennt sein.
  • Bei Strukturelementen, die aus mehreren Lagen von Furnier-Folien-Verbundwerkstoff-Halbzeugen aufgebaut sind, wird aufgrund der besonderen Vorteile der vorliegenden Erfindung in jeder Lage der genannte geringe Biegeradius erreicht.
  • Durch das Einkerben bzw. Durchtrennen des Furniers wird eine hervorragende Flexibilisierung des Furnier-Folien-Verbundwerkstoffs erreicht. Nur so ist es möglich, die angestrebten geringen Biegeradien zu realisieren. Durch geeignete Führung der Einkerbungen bzw. Durchtrennungen können die gewünschten Faltungen des Furnier-Folien-Verbundwerkstoffs entlang dieser realisiert werden.
  • Die Einkerbungen bzw. Durchtrennungen an den vorgesehenen Faltungskanten erfolgt bevorzugt mittels eines mechanischen Werkzeuges, wie z. B. einem Dorn oder einem Messer. Besonders bevorzugt wird ein Laser eingesetzt. Die Ausführung der Einkerbungen bzw. Durchtrennungen kann mit einem Konturzuschnitt verbunden werden, bei dem die äußere Form (Umriss) des Furnier-Folien-Verbundwerkstoffs der benötigten Form angepasst wird. Dazu wird überflüssiges Material abgetrennt. Der Konturzuschnitt kann auch vor oder nach dem Einkerben bzw. Durchtrennen erfolgen.
  • Die Form der Einkerbungen ist bevorzugt im Querschnitt dreieckig. Wenn die geschlossene, ohne Einkerbung verbliebene thermoplastische Folie auf der Außenseite der Faltung (also der vom eingeschlossenen Winkel abgewendeten Seite) liegt, ist der von den Wandungen der Kerbe eingeschlossene Winkel bevorzugt so gewählt ist, dass die Kerbe nach dem Falten geschlossen ist bzw. eine optionale Klebeschicht aufnimmt und damit geschlossen ist.
  • Als eingeschlossener Winkel wird der Winkel zwischen Furnier-Folien-Verbundwerkstoff und dessen gefalteten Bereich angesehen, der nach dem Falten der kleinere der beiden Winkel ist.
  • Die thermoplastische Folie ohne Einkerbung kann auch auf der Innenseite der Faltung liegen.
  • Nach dem Falten des Furnier-Folien-Verbundwerkstoffs an den Kanten entsteht die Ausgangsform eines dreidimensionalen Strukturelementes. Diesem fehlt es noch an Stabilität und Formbeständigkeit. Die notwendige Stabilität und Formbeständigkeit wird erreicht, indem an einem oder mehreren Punkten oder Kanten, an denen die thermoplastische Folie eines Bereichs mit Furnier oder thermoplastischer Folie eines anderen Bereichs stoffschlüssig verbunden wird. Dies kann durch geeignete Klebstoffe, insbesondere thermoplastische Klebstoffe, erfolgen.
  • Eine besonders bevorzugte Variante sieht vor, die thermoplastische Folie zu erweichen und so mit dem Furnier zu verkleben oder mit der thermoplastischen Folie eines anderen Bereiches zu verschweißen. Das Erweichen bzw. Verschweißen erfolgt besonders bevorzugt unter Lasereinsatz. Daneben sind auch bekannte Verfahren, wie die lokale Erwärmung des Verbundwerkstoffes, bevorzugt der thermoplastischen Folie oder der Einsatz von Klebstoffen, insbesondere Lösemittelklebstoffen oder wärmereaktiven Klebstoffen, möglich.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Strukturelementes sieht vor, dass ein Furnier-Folien-Verbundwerkstoff-Halbzeug, bevorzugt als flacher Verbund einer Furnierschicht mit einer thermoplastischen Folienbeschichtung auf einer oder zwei Seiten, zur Verfügung gestellt wird.
  • Anschließend wird das Furnier-Folien-Verbundwerkstoff-Halbzeug mit Einkerbungen oder Durchtrennungen an den Stellen versehen, die als Faltkanten vorgesehen sind. Dabei wird zumindest das Furnier, bei zweiseitig beschichteten Halbzeugen auch eine thermoplastische Folie gekerbt oder sogar getrennt. Dabei kommt ein mechanisches Werkzeug (Dorn, Messer oder Stanze) oder ganz besonders bevorzugt ein Laser (bspw. CO2-Laser) zum Einsatz. Gemeinsam mit diesem Arbeitsschritt oder davor bzw. danach erfolgt die Konturierung, bei der für das Strukturelement nicht benötigtes Material abgetrennt wird. Dies erfolgt ebenfalls bevorzugt mit einem Laser. Es sind jedoch auch andere Verfahren aus dem Stand der Technik möglich. Entlang der Einkerbungen oder Durchtrennungen ist das Furnier-Folien-Verbundwerkstoff-Halbzeug leicht faltbar und besonders flexibel.
  • Das erzeugte flexible Furnierhalbzeug kann zu einem Strukturelement in Form von Profilen weiterverarbeitet werden oder als umformbares flexibles Furnierhalbzeug für die Herstellung von Leichtbaustrukturen in Thermoform- oder Spritzgießverfahren verwendet werden. Es zeichnet sich durch hohe spezifische Strukturkennwerte in Verbindung mit ökologischen Vorteilen (beim Einsatz von Biopolymeren als thermoplastische Folien) aus. Zudem können bei der nachfolgenden Umformung des Furnierhalbzeuges größere Umformgrade als bei bekannten Furnierhalbzeugen nach dem Stand der Technik realisiert werden.
  • Anschließend wird das Furnier-Folien-Verbundwerkstoff-Halbzeug entlang der Einkerbungen oder Durchtrennungen gefaltet. Dabei kann die nicht durchtrennte thermoplastische Folie an der Innenseite oder der Außenseite der Faltung liegen.
  • Eine besonders bevorzugte Verfahrensweise sieht vor, mehrere, bereits mit Einkerbungen bzw. Durchtrennungen versehene Furnier-Folien-Verbundwerkstoff-Halbzeuge zu stapeln. Die Furnier-Folien-Verbundwerkstoff-Halbzeuge können dabei gleichartig oder verschiedenartig in Material, Dicke und ein- oder beidseitiger Beschichtung sein. Die Einkerbungen bzw. Durchtrennungen werden dabei so positioniert, dass beim Falten der einzelnen, übereinander angeordneten Lagen in jeder Lage der besonders vorteilhafte geringe Biegeradius erzielt wird.
  • Dies gelingt, indem die oberste Lage, die nach dem Falten die innerste Lage des Strukturelementes bilden wird, Kerbungen bzw. Durchtrennungen aufweist, die die gegenüber denen der darunter liegenden Lage um die Dicke des Furnier-Folien-Verbundwerkstoff-Halbzeugs versetzt sind. So liegt die Außenseite der obersten Lage nach dem Falten (Falten nach oben, in Richtung der obersten Lage) dicht an der gefalteten, darunter liegenden Lage an usw. Bei diesem Vorgehen wird vorteilhaft eine Zugspannung auf die unteren Lagen vermieden, die bei deckungsgleich übereinander liegenden Einkerbungen der Lagen bei der Faltung entstünde. Mittels Temperaturzuführung und Druck werden die thermoplastischen Folien der aneinander liegenden Furnier-Folien-Verbundwerkstoff-Halbzeuge erweicht und die Lagen miteinander verschweißt bzw. verklebt. Optional kann zusätzlich ein Klebstoff zum Einsatz kommen. Umformung (Falten) und Verschweißen bzw. Verkleben der thermoplastischen Folien der Lagen erfolgen bevorzugt in einem Arbeitsgang mittels Heißpressens o. ä.
  • Eine weitere bevorzugte Verfahrensweise sieht vor, die Furnier-Folien-Verbundwerkstoff-Halbzeuge einzeln derart umzuformen, dass zwei oder mehrere Strukturbasiselemente mit zunehmender Größe hergestellt werden. Diese Strukturbasiselemente sind dabei so gestaltet, dass sie eng anliegend ineinander geschachtelt werden können. Mittels thermischer Behandlung werden die thermoplastischen Folien anschließend erwärmt, so dass sie untereinander verkleben und das angestrebte Strukturelement bilden.
  • Im Allgemeinen (insbesondere bei einlagigen Strukturelementen oder Strukturbasiselementen) werden die Teile des Halbzeugs nach der Faltung in der angestrebten Lage fixiert. Dies erfolgt durch Klebstoffauftrag und Aushärtung oder besonders bevorzugt durch Laserschweißung der thermoplastischen Folie. Bei mehreren übereinanderliegenden Furnier-Folien-Verbundwerkstoff-Halbzeugen werden die Lagen untereinander, wie erläutert, flächig verklebt.
  • Das entstandene Strukturelement steht jetzt für Weiterverarbeitungen zu Verfügung. So kann es hinterspritzt oder in unterschiedlich gestalteten Trag- oder Stützkonstruktionen eingesetzt werden.
  • Eine besondere Weiterentwicklung zur Bereitstellung des Furnier-Folien-Verbundwerkstoffs sieht vor, die Furnierlage vor dem ein- oder beidseitigen Verbinden mit thermoplastischer Folie einzukerben oder zu durchtrennen.
  • Beim Einkerben wird die Furnierlage mittels eines Lasers, eines Messers, einer Stanze oder eines Dorns teilweise durchtrennt. Die dann immer noch zusammenhängend vorliegende Furnierlage wird mit bekannten Verfahren zwischen die thermoplastischen Folien eingebracht bzw. auf einer thermoplastischen Folie fixiert.
  • Beim Durchtrennen werden die einzelnen Abschnitte des Furniers in den beabsichtigten Positionen auf einer thermoplastischen Folie abgelegt und optional zwischenfixiert (bspw. mittels eines Klebstoffs). Anschließend erfolgt ein Verpressen mit erhöhter Temperatur bzw. das Auflegen der zweiten thermoplastischen Folie und dann das Verpressen bei erhöhter Temperatur. Temperatur und Druck sind dabei von den einzelnen Materialien abhängig und entsprechend dem bekannten Vorgehen aus dem Stand der Technik zu wählen.
  • Der Vorteil dieser besonderen Weiterentwicklung liegt darin, dass die thermoplastische Folie bei einseitiger Beschichtung nicht vom Einkerb- oder Durchtrennungsprozess beschädigt werden kann. Besonders vorteilhaft wird bei beidseitig mit Folie beschichteten Furnieren diese Folie auf beiden Seiten unbeschädigt erhalten und kann für die Verbindung (Kleben, Schweißen) der gefalteten Abschnitte des Halbzeugs genutzt werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben und in den Figuren dargestellt.
  • 1a zeigt einen Schnitt durch den Furnier-Folien-Verbundwerkstoff (1), der vor der Umformung als noch unbearbeitetes ebenes Halbzeug vorliegt. Die Furnierschicht (11) wird an ihrer Unterseite von der Schicht (12) aus thermoplastischer Folie und an ihrer Oberseite von der Schicht (13) aus thermoplastischer Folie bedeckt. Die Furnierschicht (11) ist dabei mit Ausnahme der umlaufenden Kanten vollständig an Ober- und Unterseite von thermoplastischen Folien bedeckt.
  • 1b zeigt den Schnitt durch den Furnier-Folien-Verbundwerkstoff aus 1a nach dem vollständigen Durchtrennen der thermoplastischen Folie (13) der Oberseite und der Furnierschicht (11). Die entstehende Kerbe (2) wird mit einem Laser oder einem mechanischen Werkzeugs hergestellt.
  • 1c zeigt einen Schnitt durch das Strukturelement, das nach dem Falten des Furnier-Folien-Verbundwerkstoffs nach 1b an den Kerben (21) entstanden ist. Die Kerben (21) wurden vor dem Falten mit Klebstoff gefüllt, der nach dem Aushärten die nach oben geklappten Abschnitte des U-förmigen Furnier-Folien-Verbundwerkstoffes in ihrer Position fixiert. Die Abrundung (Biegeradius) der unteren thermoplastischen Folie (12) ist nicht dargestellt.
  • 2a zeigt in einer Draufsicht ein zweilagiges Furnier-Folien-Verbundwerkstoff-Halbzeug vor dem Einkerben und Konturieren. Hier sind die Konturierungslinien (32) eingezeichnet, an denen überschüssiges Material abgetrennt wird. An den Einkerbelinien (31) erfolgt das Einkerben der Furnierschicht und nachfolgend das Falten zu der Figur nach 2b.
  • 2b zeigt in einer Seitenansicht einen Schnitt durch das aus dem Furnier-Folien-Verbundwerkstoff-Halbzeug nach 2a entstandene gerade Prisma mit dreieckiger Grundfläche. Die beiden, an den Kerben nach oben gefalteten Abschnitte des Halbzeugs werden entlang der Verbindungslinie (14) durch Verschweißen der thermoplastischen Folie (12) fixiert.
  • 3a zeigt in einer Draufsicht ein Furnier-Folien-Verbundwerkstoff-Halbzeug, bei dem die Konturierungslinien (32) eingezeichnet sind. Nach dem Konturieren werden die auszuschneidenden Anteile (15) entfernt und es liegt das Furnier-Folien-Verbundwerkstoff-Halbzeug nach 3b vor.
  • 3b zeigt schematisch in Furnier-Folien-Verbundwerkstoff-Halbzeug nach dem Konturieren. Eingezeichnet sind die Linien (31), an denen ein Einkerben des Furniers erfolgen wird. Nach dem Einkerben können die vier Seitenteile außerhalb der Kerblinien (31) nach oben geklappt und an den entstehenden Berührungskanten durch Verkleben fixiert werden. So entsteht als Strukturelement ein Quader mit einer offenen Deckfläche.
  • 4 zeigt schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturelementes aus zwei übereinander gelegten Furnier-Folien-Verbundwerkstoff-Halbzeugen (die konturiert dargestellten Pfeile deuten aufeinanderfolgende Verfahrensschritte an). Erkennbar sind die Einkerbungen des oberen Furnier-Folien-Verbundwerkstoff-Halbzeugs gegenüber denen des unteren Furnier-Folien-Verbundwerkstoff-Halbzeugs versetzt. Im Ergebnis lassen sich beide Halbzeuge gemeinsam umformen, wobei die Einkerbungen bewirken, dass die umgeformten Halbzeuge vollflächig aneinander anliegen, ohne dass das äußere Halbzeug (ehemals untere Halbzeug-Lage) Zugspannungen an den Umformkanten durch das innere Halbzeug (ehemals obere Halbzeug-Lage) erfahren würde.
  • 5 zeigt schematisch eine weitere bevorzugte Vorgehensweise zur Herstellung des Strukturelementes (die konturiert dargestellten Pfeile deuten aufeinanderfolgende Verfahrensschritte an). Hier werden die beiden Furnier-Folien-Verbundwerkstoff-Halbzeuglagen getrennt voneinander umgeformt und erst abschließend ineinander geschachtelt und durch Aufschmelzen der thermoplastischen Folie stoffschlüssig miteinander verbunden. Vorteilhaft ist hierbei, dass keine mechanischen Spannungen zwischen den Furnier-Folien-Verbundwerkstoff-Halbzeuglagen bestehen bleiben.
  • Ausführungsbeispiel 1:
  • Das Ausführungsbeispiel 1 beschreibt die Herstellung eines Furnier-Folien-Verbundwerkstoff (Prepreg) für die Weiterverarbeitung zur Umformung mit sehr geringen Umformgraden, beispielsweise für die Weiterverarbeitung in thermoplastischen Verarbeitungsverfahren, vorzugsweise im Spritzguss.
  • Ausgangsmaterialien für den Furnier-Folien-Verbundwerkstoff nach Ausführungsbeispiel 1 sind thermoplastische Standardkunststofffolien, hier Biopolymere, (Biopolyamid mit einer Dicke von 100 µm) und ein Furnier einer geringen Standarddicke, hier Furnier der Holzart Rotbuche der Dicke 0,5 mm.
  • Die Herstellung eines Prepregs erfolgt unter folgenden Bedingungen:
    • • Temperatur 190°C,
    • • Pressdruck 1,5 MPa,
    • • Presszeit 2 min.
  • Das Furnier wird nach 5 minütiger Vortrocknung bei 80°C auf beiden Seiten mit je einer Thermoplastfolie belegt und mit den o. g. Herstellungsbedingungen verpresst. Danach wird das Furnier-Folien-Verbundwerkstoff-Halbzeug mit einem Druck von ca. 0,5 MPa bei Raumtemperatur 2 min lang rückgekühlt.
  • Der Furnier-Folien-Verbundwerkstoff wird entsprechend der Weiterverarbeitung auf die Formkontur mit einem Messer ein- und zugeschnitten (zum Bsp. wie in 3a, 3b). Der zugeschnittene Verbundwerkstoff wird im Spritzgussverfahren mit einem Polyamid einseitig, vollflächig hinterspritzt und dabei in die 3D Form umgeformt. Die Spritzguss-Verarbeitungsparameter werden entsprechend des ausgewählten Polyamides ausgewählt.
  • Ausführungsbeispiel 2:
  • Das Ausführungsbeispiel 2 beschreibt die Herstellung eines Furnier-Folien-Verbundwerkstoff für die Weiterverarbeitung zur Umformung mit hohen Umformgraden durch weitere Flexibilisierung, insbesondere mit lokaler Steifigkeitsreduzierung, durch das anschließende Einbringen von Einkerbungen und Durchtrennungen.
  • Ausgangsmaterialien für den Furnier-Folien-Verbundwerkstoff nach Ausführungsbeispiel 2 sind Hotmeltfolien auf Basis von Polyolefinen mit einer Dicke von 60 µm, und ein Furnier der geringsten Standarddicke, hier Furnier der Holzart Rotbuche der Dicke 0,5 mm.
  • Die Herstellung eines Prepregs erfolgt unter folgenden Bedingungen:
    • • Temperatur 120°C,
    • • Pressdruck 1 MPa,
    • • Presszeit 2 min.
  • Das Furnier wird nach 5 minütiger Vortrocknung bei 80°C auf beiden Seiten mit je einer Hotmeltfolie belegt und mit den o. g. Herstellungsbedingungen verpresst. Danach wird das Prepreg mit einem Druck von ca. 0,5 MPa bei Raumtemperatur 2 min lang rückgekühlt und steht dann für die weitere Flexibilisierung zur Verfügung.
  • Anschließend wird der der Furnier-Folien-Verbundwerkstoff mit einem Messer eingekerbt und somit eine lokale Steifigkeitsreduzierung herbeigeführt. Die Flexibilisierung wird bei 2 Lagen des Verbundwerkstoffes entsprechend der Form des Strukturbauteils durchgeführt. Diese 2 Lagen werden gestapelt (4) und bei 120°C, 5 min lang erwärmt und anschließend in die auf 30°C temperierte Werkzeugform eingelegt. Die Werkzeugform wird geschlossen, wodurch die Formgebung erfolgt.
  • Ausführungsbeispiel 3:
  • Ausführungsbeispiel 3 beschreibt die Herstellung eines Furnier-Folien-Verbundwerkstoffes für die Weiterverarbeitung zu einem Brillengestell (Brillenfassung) mit integrierten Brillenbügeln und Nasensteg. Derartige Brillenfassungen, bevorzugt mit Vollrandfassung, werden als optisches Hilfsmittel, aber auch in zunehmendem Maße als modisches Accessoire, verwendet.
  • Ausgangsmaterialien für den Furnier-Folien-Verbundwerkstoff sind mehrere Schichten (bevorzugt 3 bis 9 Schichten, besonders bevorzugt 5 bis 7 Schichten) gleicher oder unterschiedlicher Furniere mit einer Schichtdicke von 0,5 mm mit dazwischen angeordneten Polymerfolien aus TPU mit einer Schichtdicke von 0,1 mm (alternativ: geeignete thermoplastische Elastomere auf Urethanbasis, wie Elastollan, Desmopan, Texin oder Utechllan), die zu ebenen Furnier-Folien-Verbunden verarbeitet werden. Dabei können die Furnier-Folien-Verbundschichten entsprechend der Kontur des zu fertigenden Brillengestells einzeln zugeschnitten und dann als Stapel verarbeitet werden. Dabei wird der Furnier-Folien-Stapel in einem Formteil bei einer Temperatur von 150°C 2 min erwärmt und unter Druck umgeformt (1 min, 2 MPa).
  • Alternativ können die Furnier-Folien-Verbundschichten als ebenes Halbzeug (rechteckige Platte entsprechend den Abmessungen der zu fertigenden Brillenfassung zuzüglich Aufmaß für den nachfolgenden Zuschnitt, die unter Temperatur und Druck umgeformt wird) bereitgestellt werden.
  • Im Anschluss wird der Furnier-Folien-Verbundwerkstoff auf die endgültige Kontur der Brillenfassung mit den integrierten Brillenbügeln mittels Laser zugeschnitten. Die Schwenkbarkeit der Brillenbügel wird durch die Schwächung des Furnier-Folien-Verbundwerkstoffes im Übergangsbereich von den Brillenbügeln zur Brillenfassung, insbesondere einer Vollrandfassung, durch Fräsen oder Laserbearbeitung realisiert.
  • Zum Einsetzen der Gläser werden die vorgefertigten Brillenfassungen auf ca. 50°C (zum Erweichen der verwendeten Polymerfolien, jedoch deutlich unterhalb des Schmelzpunktes der Polymerfolien) erwärmt, so dass die ursprüngliche Form der Brillenfassung erhalten bleibt. In die, bei einer Vollrandfassung vorhandenen Ausnehmungen werden nun die Gläser eingesetzt. Mit Abkühlen der Brillenfassung auf Raumtemperatur hat die komplettierte Brille (mit Gläsern) wieder ihre ursprüngliche Form angenommen.
  • Aufgrund der verwendeten Polymerfolien kann die Brillenfassung beliebig oft erwärmt und verformt werden, um z. B. den Sitz der Brillenfassung und/oder der Brillenbügel an die ergonomischen Besonderheiten des jeweiligen Brillenträgers anzupassen oder zu korrigieren oder einen Gläserwechsel vorzunehmen. Dieser Vorgang ist reversibel, das heißt, er kann durch Abkühlung und Wiedererwärmung beliebig oft wiederholt werden.
  • Durch die Verwendung unterschiedlicher Furniere aus unterschiedlichen Hölzern und/oder mit unterschiedlicher Schichtdicke können die Brillengestelle, speziell bei der Einzel- oder Kleinserienfertigung von Designerbrillen, an die individuellen Vorstellungen der Kunden oder der Augenoptiker angepasst werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Furnier-Folien-Verbundwerkstoff
    11
    Furnierlage
    12
    thermoplastische Folie (Unterseite)
    13
    thermoplastische Folie (Oberseite)
    14
    Verbindungsstelle thermoplastischer Folien
    15
    auszuschneidender Anteil des Furnier-Folien-Verbundwerkstoffs
    2
    Kerbe
    21
    mit Klebstoff gefüllte Kerbe nach dem Falten
    31
    Linie, an der die Furnierschicht eingekerbt bzw. durchtrennt wird
    32
    Linie, an der der gesamte Furnier-Folien-Verbundwerkstoff bei Konturieren geschnitten wird
    α
    eingeschlossener Winkel
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
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    • DE 102009045194 A1 [0007]
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    • US 2335624 [0009]

Claims (17)

  1. Strukturelement aus einer oder mehreren Lagen Furnier-Folien-Verbundwerkstoffs, bei dem eine oder mehrere Lagen eines Furniers jeweils einseitig oder beidseitig vollständig mit einer thermoplastischen Folie bedeckt sind, wobei jede Lage des Furniers eine oder mehrere Faltungskanten aufweist, an denen das Furnier geschwächt, eingekerbt oder durchtrennt ist und an denen der Furnier-Folien-Verbundwerkstoff biegbar ist.
  2. Strukturelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoplastische Folie aus biobasiertem Thermoplast, aus einem Polyamid, vorzugsweise biobasiert, wie PA 11, PA 10.10, einem Polyolefin, vorzugsweise biobasiert, wie HDPE, LDPE, PP, einem biobasiertem und biologisch abbaubarem Polymer, wie Polylactid (PLA) oder einem Gemisch aus den genannten oder anderen geeigneten thermoplastischen Polymeren besteht.
  3. Strukturelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der thermoplastischen Folien so gewählt ist, dass der Thermoplast nach dem Eindringen in die benachbarten Furnierschichten eine, zwischen den benachbarten Furnierschichten verbleibende Gleitschicht bildet, die beim Umformen bei Erweichungstemperatur ein Verschieben der Furnierschichten ermöglicht.
  4. Strukturelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der Thermoplastfolien 0,01 mm bis 1,0 mm, bevorzugt 0,1 mm bis 0,5 mm beträgt.
  5. Strukturelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Biegeradius an den Faltungskanten 0,5 mm bis 3,0 mm, bevorzugt 1,0 mm bis 2,5 mm beträgt.
  6. Strukturelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der, von den Wandungen der Kerbe nach dem Einkerben oder Durchtrennen eingeschlossene Winkel so gewählt ist, dass die Kerbe nach dem Falten geschlossen ist oder eine optionale Klebeschicht aufnimmt und damit geschlossen ist.
  7. Strukturelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kerbe nach dem Falten nicht im eingeschlossenen Winkel liegt.
  8. Strukturelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionale Form des Furnier-Folien-Verbundwerkstoffs fixiert ist, indem die thermoplastische Folie mit angrenzenden Bereichen des Furnier-Folien-Verbundwerkstoffs stoffschlüssig verbunden ist.
  9. Strukturelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brillengestell, vorzugsweise mit Vollrandfassung, mit integrierten Brillenbügeln und Nasensteg, aus einem ebenen oder gekrümmten Furnier-Folien-Verbundwerkstoff aus mehreren Schichten, bevorzugt 3 bis 9 Schichten, besonders bevorzugt 5 bis 7 Schichten) gleicher oder unterschiedlicher Furniere mit dazwischen angeordneten Polymerfolien aus TPU oder geeigneten thermoplastischen Elastomere auf Urethanbasis, wie Elastollan, Desmopan, Texin oder Utechllan besteht.
  10. Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Strukturelementes aus Furnier-Folien-Verbundwerkstoff aufweisend die Schritte: a. Bereitstellen einer oder mehrerer Lagen Furnier-Folien-Verbundwerkstoffs, bei denen jeweils eine Lage eines Furniers einseitig oder beidseitig vollständig mit einer thermoplastischen Folie bedeckt und stoffschlüssig verbunden ist, b. Einkerben oder Durchtrennen (wobei mindestens eine thermoplastische Folie ungekerbt bzw. nicht durchtrennt verbleibt) des Furnier-Folien-Verbundwerkstoffs an den Stellen, an denen Faltkanten vorgesehen sind und an denen der bereitgestellte Furnier-Folien-Verbundwerkstoff noch keine Einkerbung oder Durchtrennung aufweist, c. Falten des Furnier-Folien-Verbundwerkstoffs entlang der Faltkanten, d. Fixieren der gefalteten Abschnitte in der beabsichtigten Position.
  11. Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Strukturelementes aus Furnier-Folien-Verbundwerkstoff nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass vor, nach oder zeitgleich mit dem Einkerben oder Durchtrennen des Furnier-Folien-Verbundwerkstoffs ein Konturieren des Furnier-Folien-Verbundwerkstoffs zur Entfernung überflüssigen Furnier-Folien-Verbundwerkstoffmaterials erfolgt.
  12. Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Strukturelementes aus Furnier-Folien-Verbundwerkstoff nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einkerben, Durchdringen und/oder Konturieren ein mechanisches Schneidwerkzeug, ein Messer, eine Stanze oder ein Laser verwendet wird.
  13. Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Strukturelementes aus Furnier-Folien-Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixierung der gefalteten Abschnitte in der beabsichtigten Position erfolgt, indem diese mit anderen gefalteten oder nicht gefalteten Abschnitten des Furnier-Folien-Verbundwerkstoffs verbunden werden.
  14. Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Strukturelementes aus Furnier-Folien-Verbundwerkstoff nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigung stoffschlüssig mittels Klebstoff oder durch Verschweißen der thermoplastischen Folie erfolgt.
  15. Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Strukturelementes aus Furnier-Folien-Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Lagen Furnier-Folien-Verbundwerkstoffs überein-ander angeordnet und gemeinsam umgeformt werden, wobei die Einkerbungen oder Durchtrennungen der Furnier-Folien-Verbundwerkstofflagen so gegeneinander versetzt sind, dass die Furnier-Folien-Verbundwerkstofflagen im gefalteten Zustand aneinander anliegen und keine Zugspannungen auf die Faltungskanten ausgeübt werden.
  16. Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Strukturelementes aus Furnier-Folien-Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekenn-zeichnet, dass mehrere Lagen Furnier-Folien-Verbundwerkstoffs getrennt vonein-ander umgeformt, und anschließend ineinander geschachtelt werden, wobei gefaltete oder nicht gefaltete Teile des Furnier-Folien-Verbundwerkstoffs verschiedener Lagen flächig aneinander anliegen und durch thermische Behandlung miteinander verbunden werden.
  17. Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Strukturelementes aus Furnier-Folien-Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Bereitstellen des Furnier-Folien-Verbundwerkstoffs erfolgt, indem eingekerbte oder durchtrennte Furnierabschnitte ein- oder beidseitig in der beabsichtigten Anordnung mit thermoplastischer Folie beschichtet werden.
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