DE202006002413U1 - Material composition for e.g. sport boat body, has one layer made from carbon fiber material and another layer made from wood material connected with each other in flat manner by using adhesive e.g. synthetic resin - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Materialzusammensetzung für einen Bootskörper und auf den Bootskörper selbst. Die Erfindung wird nachfolgend am Beispiel eines Bootsrumpfes beschrieben. Diese Anwendung soll aber nicht als Einschränkung verstanden werden. Die erfindungsgemäße Materialzusammensetzung kann vielmehr für alle Teile des Boots Verwendung finden.The The present invention relates to a material composition for one hull and on the hull itself. The invention will be described below using the example of a boat hull. This application should not be construed as a limitation. The Inventive material composition can rather for use all parts of the boat.
Besonders bevorzugt ist die erfindungsgemäße Materialzusammensetzung für Sportboote geeignet.Especially the material composition according to the invention is preferred for pleasure boats suitable.
Bei der Gestaltung von Booten und insbesondere von Sportbooten kommt es besonders darauf an, die gewünschte Rumpfform mit einem Material hoher Festigkeit und geringem Gewicht auszuführen. Aus diesem Grund ist die klassische Holzbauweise gerade bei Sportbooten heute zunehmend durch einen Rumpfaufbau auf der Basis von Glasfaser-verstärkten Kunststoffen ersetzt worden.at the design of boats and in particular of pleasure boats comes it especially depends on the desired Hull shape with a material of high strength and low weight perform. For this reason, the classic wooden construction is just for sport boats Today increasingly by a fuselage structure based on glass fiber reinforced plastics been replaced.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass diese Rumpfbauten mit relativ großer Wandstärke, und damit hohem Gewicht, ausgeführt werden müssen, um den Festigkeitsanforderungen gerecht zu werden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass der Bootsrumpf von Schiffen einer hohen Biegewechselbeanspruchung unterliegt, die sich aus der Wellenbewegung des Wassers ergeben. Bei Segelbooten kommen zusätzlich hohe Kräfte dazu, die vom Mast über dessen Verspannung in den Bootsrumpf eingeleitet werden.It However, it has been shown that these fuselages with relatively large wall thickness, and high weight, executed Need to become, to meet the strength requirements. It is too consider, that the hull of ships of high bending cycles subject to the wave motion of the water. In sailing boats come in addition high forces in addition to that from the mast over whose tension is introduced into the boat hull.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Materialzusammensetzung anzugeben, die den Aufbau von Bootskörpern mit hoher Festigkeit bei geringem Gewicht erlaubt. Es ist weiterhin die Aufgabe der Erfindung, einen Bootsrumpf mit hoher Festigkeit bei geringem Gewicht zur Verfügung zu stellen.Of the The invention therefore has for its object to provide an improved material composition, the construction of hulls allowed with high strength at low weight. It is still the object of the invention, a boat hull with high strength available at low weight to deliver.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Der erfindungsgemäße Bootsrumpf ist Gegenstand der Ansprüche 22 und 23.These The object is achieved by the The subject of claim 1 solved. The boat hull according to the invention is the subject of the claims 22 and 23.
Bei der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung wird auch das Verfahren beschrieben, mit dem die Materialzusammensetzung und der Bootsrumpf hergestellt werden. Es wird darauf hingewiesen, dass sich der Anmelder vorbehält, den das Verfahren betreffenden Teil der Offenbarung zum Gegenstand von Ansprüchen zu machen, falls die Priorität der vorliegenden Anmeldung für weitergehende Anmeldungen in Anspruch genommen wird.at The following description of the invention also describes the process described with the material composition and the boat hull getting produced. It should be noted that the applicant reserves, the subject of the disclosure concerning the method of claims to do, if the priority of the present application for further applications are claimed.
Die Materialzusammensetzung beinhaltet wenigstens zwei Schichten, wobei wenigstens eine Schicht aus einem Kohlefaser enthaltenden Material und wenigstens eine Schicht aus einem Holz enthaltenden Material besteht, wobei diese beiden Schichten im wesentlichen flächig miteinander verbunden sind. Bei einer solchen Materialzusammensetzung wird der Vorteil der hohen Zug- und Scherfestigkeit der Kohlefasern genutzt. Auf der anderen Seite wird der Nachteil der Sprödheit des Kohlefaser-Materials durch die Eigenschaften der Holzschicht ausgeglichen.The Material composition includes at least two layers, wherein at least one layer of carbon fiber containing material and at least one layer consists of a material containing wood, wherein these two layers are connected substantially flat with each other. In such a material composition, the advantage of the high Tensile and shear strength of Used carbon fibers. On the other hand, the disadvantage of the brittleness of the carbon fiber material by the properties of the wood layer balanced.
Im Ergebnis ergibt sich ein hochfestes Material, das die Gestaltung von Bootsrümpfen erlaubt, deren Gewicht erheblich geringer ist, als das der derzeit verwendeten Bootsrümpfe.in the Result results in a high-strength material that enhances the design of boat hulls allowed, whose weight is considerably lower than that of the present used boat hulls.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Schichtaufbau so gestaltet, dass die Holzschicht auf der der Kohlefaserschicht abgewandten Seite zusätzlich mit einer Glasfaserschicht flächig verbunden bzw. laminiert ist. Da die Glasfaserschicht im wesentlichen durchsichtig gestaltet werden kann, hat dies den Vorteil, dass die Holzstruktur der Holzschicht sichtbar wird und dadurch der von vielen Benutzern bevorzugte ästhetische Eindruck einer Holzgestaltung entsteht.at a preferred embodiment the invention, the layer structure is designed so that the wood layer on the side facing away from the carbon fiber layer additionally with a glass fiber layer surface is connected or laminated. As the glass fiber layer is substantially transparent, this has the advantage that the Wood structure of the wood layer becomes visible and thereby that of many Users preferred aesthetic impression a wood design arises.
Darüber hinaus bietet die Glasfaserschicht den Vorteil einer hohen Bruchdehnung sowie eine hohe Abriebsfestigkeit und bei Einbettung in einer geeigneten Kunststoffmatrix ein sehr gutes Korrosionsverhalten. Zudem sind Glasfaserschichten vergleichsweise leicht zu verarbeiten und im Fall einer Beschädigung leicht zu reparieren. Die Verwendung von Glasfasern bei Umweltexponierten Bauteilen, insbesondere bei der Außenschicht eines Bootskörpers, der einer hohen mechanischen und chemischen Belastung ausgesetzt ist, ist deshalb besonders vorteilhaft.Furthermore the glass fiber layer offers the advantage of a high elongation at break and a high abrasion resistance and embedded in a suitable Plastic matrix a very good corrosion behavior. In addition are Glass fiber layers comparatively easy to process and in the Case of damage easy to repair. The use of glass fibers in the case of the environment Components, in particular in the outer layer of a hull, the is exposed to high mechanical and chemical stress, is therefore particularly advantageous.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Holzschicht auf der der Kohlefaserschicht abgewandten Seite zusätzlich mit einer Aramidfaserschicht flächig verbunden bzw. laminiert ist. Der besondere Vorteil dieser Faserart ist ihre geringe Dichte, wodurch sich Bauteile, wie z.B. der Bootskörper, mit geringer Masse fertigen lassen. Darüber hinaus weisen Aramidfasern eine sehr hohe Festigkeit, eine hohe Schlagzähigkeit, eine hohe Bruchdehnung, eine hohe Abriebsfestigkeit, ein gute Schwingungsdämpfung sowie eine hohe chemische Beständigkeit auf und sind deshalb besonders geeignet, um in Bauteilen wie einem Bootskörper verwendet zu werden, der einer hohen mechanischen und chemischen Belastung ausgesetzt ist.In a further embodiment of the invention It is envisaged that the wood layer on the carbon fiber layer opposite side in addition flat with an aramid fiber layer is connected or laminated. The special advantage of this type of fiber is their low density which causes components such as e.g. the hull, with low mass manufacture. In addition, aramid fibers have a very high strength, high impact strength, high elongation at break, a high abrasion resistance, a good vibration damping as well a high chemical resistance and are therefore particularly suitable to be used in components such as a hull to be of a high mechanical and chemical stress is exposed.
Die erfindungsgemäße Materialzusammensetzung aus den genannten Schichten sieht vor, dass diese durch Verkleben bzw. Laminieren flächig miteinander verbindbar sind. Als Klebemittel und als Trägermatrix für die vorgesehenen Faserschichten sind Kunststoffe, insbesondere Kunstharze geeignet. Als Verfahren zur Verleimung der Schichten der erfindungsgemäßen Materialzusammensetzung können alle bekannten Verfahren verwendet werden.The material composition according to the invention of the layers mentioned provides that these by bonding or laminating with can be connected to each other. As adhesives and as a carrier matrix for the intended fiber layers are plastics, in particular synthetic resins suitable. As the method for bonding the layers of the material composition of the present invention, any known methods can be used.
Bei dem herkömmlichen Verfahren der Formverleimung von Schichten mittels Kunstharzen wird das Klebemittel nachträglich auf die Schichten aufgebracht, die Schichten in eine Folie gegeben, die vorzugsweise durch Anlegen eines Unterdrucks evakuiert wird, wodurch das Klebemittel in die Faserschichten gesaugt wird. Dieses Verfahren kann auch zum Verkleben der Schichten der erfindungsgemäßen Materialzusammensetzung verwendet werden. Auf diese Weise wird eine Trägermatrix und Haftschicht für die Faserschichten erzeugt, die aber gegebenenfalls mehr Kunstharz erfordert, wodurch die erzeugten Bauteile schwer werden.at the conventional one Process of the mold bonding of layers by means of synthetic resins is the adhesive later Applied to the layers, the layers are preferably placed in a foil is evacuated by applying a vacuum, whereby the adhesive is sucked into the fiber layers. This procedure can also be used for Gluing the layers of the material composition according to the invention be used. In this way, a carrier matrix and adhesive layer for the fiber layers produced, but possibly requires more resin, thereby the components produced become heavy.
Die Erfindung schlägt deshalb auch ein alternatives Verfahren vorg, um die erfindungsgemäße Materialzusammenstellung herzustellen. Es ist vorgesehen, dass die Faserschichten vorzugsweise mit einem Kunststoff vorimprägniert sind, wobei der Kunststoff vorzugsweise ein duroplastischer Kunststoff ist. Dieser duroplastische Kunststoff ist in einem ersten Zustand ungehärtet und kann durch Behandlung mit einem physikalische Verfahren, insbesondere einer Erwärmung oder Ultraviolett-Bestrahlung der vorimprägnierten Faserschichten, in einen zweiten, gehärteten Zustand überführt werden. Vorzugsweise kann dieser duroplastische Kunststoff ein Epoxid-Kunstharz sein, es ist aber auch möglich, andere Kunststoffe zu verwenden. Die genannten vorimprägnierten Faserschichten können insbesondere sogenannte "pre-preg"-Faserschichten sein.The Invention proposes Therefore, an alternative method vorg to the inventive material composition manufacture. It is envisaged that the fiber layers are preferably preimpregnated with a plastic are, wherein the plastic is preferably a thermosetting plastic is. This thermosetting plastic is in a first state untempered and, by treatment with a physical method, in particular a warming or ultraviolet irradiation of the preimpregnated fiber layers, in a second, hardened Condition are transferred. Preferably, this thermosetting plastic is an epoxy resin but it is also possible to use other plastics. The aforementioned pre-impregnated Fiber layers can in particular so-called "pre-preg" fiber layers.
Der besondere Vorteil bei der erfindungsgemäßen Verwendung der genannten vorimprägnierten Faserschichten liegt in der vergleichsweise geringen Masse des erzeugten Bauteiles, wie z. B. eines Bootsrumpfes.Of the particular advantage in the inventive use of said preimpregnated fiber layers lies in the comparatively low mass of the produced component, such as B. a boat hull.
Ein weiterer Vorteil bei der erfindungsgemäßen Verwendung der genannten vorimprägnierten Faserschichten liegt in ihren guten Verarbeitungseigenschaften. Eine solche vorimprägnierte Faserschicht kann tagelang gelagert werden, ohne auszutrocknen, insbesondere steht eine längere Zeit zur Verarbeitung der Faserschichten zur Verfügung. Das Trocknen erfolgt gezielt durch eine Wärmebehandlung und durch das Anlegen von Unterdruck.One further advantage in the inventive use of said preimpregnated fiber layers lies in their good processing properties. Such a pre-impregnated Fiber layer can be stored for days without drying out, especially is a longer Time to process the fiber layers available. The drying specifically by a heat treatment and by applying negative pressure.
Bevorzugt ist vorgesehen, den Bootskörper, oder zumindest einen Teil des Bootskörpers, bei dem die vorimprägnierten Faser schichten in einem ersten ungehärteten Zustand sind, bei einer erhöhten Temperatur, bevorzugt zwischen 70 °C und 250 °C, bevorzugt zwischen 80 °C und 200 °C und bevorzugt zwischen 80 °C und 150 °C zu härten. Die Dauer der Härtung bei erhöhter Temperatur liegt bevorzugt zwischen 30 min und 300 min, bevorzugt zwischen 45 min und 180 min und bevorzugt zwischen 45 min und 120 min. Die Härtung erfolgt erfindungsgemäß in einem Ofen, der das zu härtende Teil bzw. den Bootskörper vollständig aufnehmen kann, wodurch eine kontrollierte und insbesondere gleichmäßige Temperaturverteilung erreicht werden kann.Prefers is provided, the hull, or at least part of the hull, where the preimpregnated Fiber layers are in a first uncured state, at one increased Temperature, preferably between 70 ° C and 250 ° C, preferably between 80 ° C and 200 ° C and preferably between 80 ° C and 150 ° C too cure. The duration of hardening at elevated Temperature is preferably between 30 min and 300 min, preferably between 45 minutes and 180 minutes and preferably between 45 minutes and 120 minutes minute The hardening takes place according to the invention in one Oven, the one to be cured Part or hull Completely which allows a controlled and especially uniform temperature distribution can be achieved.
Nach dem Härten befindet sich die Materialzusammensetzung in einem gehärteten zweiten Zustand, in dem sie erfindungsgemäß stabil miteinander verbundene Schichten aufweist, die gegenüber einer Belastung aus hohen Biege- und Scherkräften, die z. B. auf einen Bootskörper wirken, sehr resistent sind.To the hardening the material composition is in a cured second State in which they are stably interconnected according to the invention Has layers facing one Load from high bending and shear forces z. B. act on a hull, are very resistant.
Durch Anlegen eines Unterdrucks bei der Verarbeitung der vorimprägnierten Faserschichten wird eine besonders homogene Ausrichtung der verwendeten Materialien erreicht. Insbesondere wird die Gefahr verringert, dass die Materialzusammenstellung im gehärteten zweiten Zustand Blasen und andere Unregelmäßigkeiten aufweist. Dies geschieht insbesondere deshalb, weil die von den vorimprägnierten Faserschichten eingeschlossenen und unter Atmosphärendruck stehenden Gase abgesondert werden (Entgasen). Da das in den vorimprägnierten Faserschichten enthaltene Kunstharz zudem bei Unterdruck schneller zu kochen beginnt, können die damit verbundene Viskositätsverminderung des Kunstharzes und die konvektionsbedingten Transportvorgänge im Kunstharz das Austreten der Gase und das homogene Ausrichten der Schichten fördern.By Applying a negative pressure during the processing of the prepreg Fiber layers will be a particularly homogeneous alignment of the used Materials reached. In particular, the risk is reduced that the material composition in the cured second state bubbles and other irregularities having. This happens especially because of the pre-impregnated Fiber layers trapped and under atmospheric pressure Stagnant gases are separated (degassing). Because that in the preimpregnated fiber layers contained resin also begins to boil faster at low pressure, can the associated viscosity reduction of the resin and the Konvektionsbedingten transport operations in the resin the escape of the gases and the homogeneous alignment of the layers promote.
Deshalb ist es vorgesehen, dass der Innenraum des Ofens evakuierbar ist und dass auf diese Weise ein Unterdruck angelegt werden kann. Als weitere Möglichkeit zum Anlegen eines Unterdrucks ist vorgesehen, das zu härtende Teil bzw. den Bootskörper in eine Folie zu verpacken, die durch das Anlegen eines Unterdrucks evakuiert werden kann. Dabei ist es vorgesehen, dass die Folie gegenüber den beim Härtungsprozess verwendeten Temperaturen unempfindlich ist und nach dem Härtungsprozess vom Kunstharz der vorimprägnierten Faserschichten ablösbar ist.Therefore it is envisaged that the interior of the furnace is evacuated and that a negative pressure can be applied in this way. When another possibility for applying a negative pressure is provided, the part to be hardened or the hull to wrap in a film by applying a negative pressure can be evacuated. It is envisaged that the film against the during the curing process used temperatures is insensitive and after the curing process from the resin of preimpregnated Fiber layers removable is.
Die Verwendung der erfindungsgemäßen Materialzusammensetzung ist nicht auf Bootskörper oder auf Teile von Bootskörpern beschränkt, sondern ist auch für andere Bauteile in anderen Anwendungsbereichen möglich.The Use of the material composition according to the invention is not on hull or on parts of hulls limited, but is also for other components in other applications possible.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Zusammenhang mit den Figuren. Darin zeigen:Further advantages, features and possible applications of the present invention will become apparent from the following description of embodiments in connection with the Characters. Show:
Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche bzw. ähnliche Teile.Same Reference numerals in the figures denote the same or similar Parts.
Anhand
von
Anhand
von
Anhand
von
Anhand
von
Anhand
von
Anhand
von
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von
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von
Anhand
von
Anhand
von
Anhand
von
Für die Maße in den
Ausführungsbeispielen gemäß der
Die
Dicke einer Schicht aus einem Holz enthaltenden Material weist ein
Maß zwischen
0,5 mm und 3,0 mm auf, bevorzugt ein Maß zwischen 1,0 mm und 2,0 mm und
bevorzugt zwischen 1,3 mm und 1,7 mm.For the dimensions in the embodiments according to the
The thickness of a layer of wood-containing material has a dimension between 0.5 mm and 3.0 mm, preferably a dimension between 1.0 mm and 2.0 mm and preferably between 1.3 mm and 1.7 mm.
Die Masse pro Fläche einer Schicht aus einem Kohlefaser enthaltenden Material weist ein Maß zwischen 90 g/m2 und 800 g/m2 auf, bevorzugt ein Maß zwischen 120 g/m2 und 600 g/m2, bevorzugt ein Maß zwischen 150 g/m2 und 400 g/m2 und bevorzugt ein Maß zwischen 200 g/m2 und 300 g/m2.The mass per area of a layer of carbon fiber-containing material has a dimension of between 90 g / m 2 and 800 g / m 2 , preferably a dimension between 120 g / m 2 and 600 g / m 2 , preferably a dimension between 150 g / m 2 and 400 g / m 2 and preferably a level between 200 g / m 2 and 300 g / m 2 .
Die Masse pro Fläche einer Schicht aus einem Glasfaser enthaltenden Material weist ein Maß zwischen 25 g/m2 und 600 g/m2 auf, bevorzugt ein Maß zwischen 25 g/m2 und 400 g/m2, bevorzugt ein Maß zwischen 25 g/m2 und 300 g/m2 und bevorzugt ein Maß zwischen 25 g/m2 und 200 g/m2.The mass per area of a layer of glass fiber-containing material has a dimension between 25 g / m 2 and 600 g / m 2 , preferably a dimension between 25 g / m 2 and 400 g / m 2 , preferably a dimension between 25 g / m 2 and 300 g / m 2 and preferably a dimension between 25 g / m 2 and 200 g / m 2 .
Die Masse pro Fläche einer Schicht aus einem Aramidfaser enthaltenden Material weist ein Maß zwischen 60 g/m2 und 500 g/m2 auf, bevorzugt ein Maß zwischen 100 g/m2 und 400 g/m2, bevor zugt ein Maß zwischen 100 g/m2 und 300 g/m2 und bevorzugt ein Maß zwischen 150 g/m2 und 250 g/m2.The mass per area of a layer of aramid fiber-containing material has a dimension between 60 g / m 2 and 500 g / m 2 , preferably between 100 g / m 2 and 400 g / m 2 , preferably between 100 and 100 g / m 2 and 300 g / m 2 and preferably a measure between 150 g / m 2 and 250 g / m 2 .
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