DE202006009793U1 - Method for stabilizing thin stone or ceramic panels using carbon fiber matrix and carbon fiber stone support layer - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Stabilisierung von Steingut im weiteren Sinn, das heißt Naturstein, Kunststein, Beton und sonstiges Steingut, sowie Keramik bis hin zu glashaltigen Substanzen – im folgenden Steingut genannt – die durch eine spröde und bruchgefährdete Struktur gekennzeichnet sind. Hier sind besonders Natursteine wie Granit, granitähnliche Gesteine wie Gneis, Marmor, Kalkstein, hochfeste moderne Keramiken, Glaskeramik oder Glas zu erwähnen, sowie alle sonstigen Materialien aus Stein oder Keramik, natürlich oder künstlich entstandenes Steingut, die in der Regel hoch druckbelastbar sind.The The present invention relates to the stabilization of earthenware in the broader sense, that is Natural stone, artificial stone, concrete and other earthenware, as well as ceramics to glass-containing substances - in the following earthenware called - by a brittle and at risk of breakage Structure are marked. Here are especially natural stones such as granite, granite-like Rocks such as gneiss, marble, limestone, high-strength modern ceramics, To mention glass ceramic or glass, and all other stone or ceramic materials, natural or artificial created earthenware, which are usually high pressure resistant.
Diese Materialien zeichnen sich zwar einerseits durch eine hohe Belastbarkeit bei Druckbeanspruchung aus, sind dagegen aber fast völlig instabil bei Zug- und Biegebelastung, insbesondere dann, wenn Sie möglichst dünn und materialsparend ausgelegt werden sollen.These On the one hand, materials are characterized by a high load capacity under pressure, however, are almost completely unstable at Tensile and bending load, especially if possible thin and should be designed to save material.
Dabei handelt es sich vorwiegend um dünne Steingutplatten, die vermehrt im Fassadenbau Verwendung finden und als Tisch- und Arbeitsplatten dienen, aber auch in anderen Bereichen, wie dem Möbel- oder Armaturenbau, als Treppenstufen, Wandverkleidungen und Bodenfliesen eingesetzt werden.there are mainly thin stoneware slabs, which are increasingly used in facade construction and as a table and Worktops serve, but also in other areas, such as the furniture or Armaturenbau, as stairs, wall coverings and floor tiles be used.
Die vorliegende Erfindung schlägt einen Weg vor, solche dünn ausgelegten Steingutplatten oder Keramik- bzw. Kunststeinplatten nachhaltig auf preiswerte Weise so zu stabilisieren. Um dies zu erreichen ist es zwingend nötig die Steingutplatten oder Keramikplatten gegen Zug und damit verbundenen Bruch zu stabilisieren. Einen solchen Weg schlägt die Erfindung vor. Der Weg gewährleistet, daß sowohl Stein, als auch Keramik unter den unterschiedlichsten mechanischen Belastungen so stabilisiert wird, daß sie durch eine, für die jeweiligen Einsatz- und Belastungsfälle geeignete, Stabilisierung vor mechanischer Zerstörung einerseits, aber insbesondere auch vor thermisch bedingter Zerstörung geschützt werden. Dabei ist Formstabilität von zentraler Bedeutung.The present invention proposes a way to such thin designed earthenware or ceramic or artificial stone slabs sustainably stabilized in a cheap way so. To this, too it is absolutely necessary to reach it the earthenware or ceramic plates against train and associated Stabilize breakage. Such a way suggests the invention. The way guaranteed that both Stone, as well as ceramics among the most diverse mechanical Loads are stabilized so that they through one, for the respective Use and load cases suitable, stabilization against mechanical destruction on the one hand, but in particular also be protected against thermal destruction. At the same time, dimensional stability is of central importance Importance.
Eine wesentliche Eigenschaft des Verbundes der hie beschrieben Materilien ist die Resistenz gegen geometrische Veränderung durch thermische Belastung, sowie die Zerstörungs- und Verformungsfreiheit des Steins oder der Keramik bei Schockeinwirkung.A essential property of the composite of this described Materilien is the resistance to geometric change due to thermal stress, as well as the destruction and freedom of deformation of the stone or ceramic in shock.
Kern der Lösung, das für dünne Steinplatten am besten geeignete Stabilisierungsmatel zu finden ist es, Stein selbst dafuer zu verwenden, und zwar Stein, der selbst gegen Bruch geschützt ist. Ziel der Lösung soll sein, möglich wenig Carbonfasermaterial zu verwenden, ohne auf eine nachhaltige Stabilisierung zu verzichten. Diese Forderung wird zum Kern der Erfindung.core the solution, that for thin stone slabs at the To find the most suitable Stabilisierungsmatel it is, stone itself to use it, namely stone, which is itself protected against breakage. Goal of the solution should be, possible to use little carbon fiber material without resorting to a sustainable To renounce stabilization. This requirement becomes the core of Invention.
Die Erfindung basiert auf der Stabilisierung von Stein oder Keramik durch ein flächig auf dem Stein angebrachtes carbonfaserhaltiges Trägermaterial, welches ermöglicht, das für die Stabilisierung von dünnen Steinmaterialien benötigte Steingutmaterial möglichst dünn bzw. leicht und materialsparend zu halten.The Invention is based on the stabilization of stone or ceramics through a plane carbon fiber-based carrier material attached to the stone, which allows that for the stabilization of thin Needed stone materials Earthenware material as possible thin or easy to keep and material-saving.
Bekannt sind bisher Leichtbauformen bei denen wie bei dieser neuen Erfindung auch eine möglichst dünne Natursteinschicht flächig durch einen Unterbau verschiedener Trägermaterialien und Trägerformen, wie Rahmen und ähnliche Konstruktionen verstärkt und dadurch belastbar gemacht wird, beziehungsweise erst ermöglicht Steinplatten entsprechend dünn auszuführen. Das Trägermaterial ist dabei in der Regel bisher unter dem Gesichtspunkt ausgewählt worden, daß es bei ausreichender mechanischer Festigkeit hauptsächlich vondem Einsatz herkömmlicher Materialien wie Stahl und Aluminium bestimmt ist.Known are previously lightweight designs in which as in this new invention also one possible thin natural stone layer flat by a substructure of different carrier materials and carrier forms, like frames and the like Strengthen constructions and thus made resilient, or only allows stone slabs correspondingly thin perform. The carrier material is usually chosen from the point of view, that it with sufficient mechanical strength, mainly from the use of conventional ones Materials such as steel and aluminum is intended.
Es werden beispielsweise gewellte oder wabenförmige Metall- bzw. Aluminiumbleche als Trägermaterial verwendet, wobei eine dünne Steinschicht von 2-3mm nach dem Abstärken des ursprünglich 20 mm starken Materials auf diesem Träger verbleibt. Ein ähnliches Stabilisierungsverfahren ist die Verwendung von Glasfaser- oder Aramidfaserlaminaten, die den Stein stabilisieren, wobei die stabilisierende Schicht jedoch höchstens den gleichen Ausdehnungskoeffizienten hat, wie der zu stabilisierende Stein. Das Ergebnis ist eine druck- und zugspannungsbelastbare Platte, die in normalen Anwendungsfällen eine ausreichende Stabilisierung des Steins für Verkleidungsanwendungen im Innenbereich liefert, aber schon bei wechselnden und insbesondere steigenden Temperaturen keinen ausreichenden Schutz gegen Bruch mehr bietet.It For example, corrugated or honeycomb-shaped metal or aluminum sheets as a carrier material used a thin stone layer of 2-3mm after abrading of the original 20 mm thick material remains on this carrier. A similar Stabilization method is the use of glass fiber or Aramid fiber laminates stabilizing the stone, the stabilizing layer however, at most has the same coefficient of expansion as the stone to be stabilized. The result is a pressure- and tension-loadable plate, in normal use cases adequate stabilization of the stone for cladding applications in the Interior supplies, but already at changing and in particular rising temperatures do not provide adequate protection against breakage offers more.
In diesen Fällen ist eine verbesserte Stabilisierung der Steinpatte notwendig, die auch den thermisch/mechanisch bedingten Lastfall für den Stein zerstörungsfrei absichert.In these cases Improved stabilization of the stone disc is necessary also non-destructive to the thermal / mechanical load case for the stone safeguards.
Durch den Stand der Technik ist beschrieben Bauteile aus Stein oder Keramik, die extreme thermisch-statische, wie thermisch-dynamische Lasten aufnehmen müssen mit Carbonfasern zu stabilisieren.By The prior art describes components made of stone or ceramic, to absorb extreme thermal-static and thermal-dynamic loads have to to stabilize with carbon fibers.
Die Aufgabe, der Neigung von dünnen Naturstein- und/oder Keramikplatten zum Brechen oder Reißen sicher entgegenzuwirken, wird durch verbesserte stabilisierende Eigenschaften des Trägers gelöst. Zu diesem Zweck wird ein Trägermaterial eingesetzt, welches einen gleichen oder etwas geringeren Ausdehnungskoeffizienten hat, als die zu stabilisierende Steinplatte.The task of safely counteracting the tendency of thin natural stone and / or ceramic plates to break or crack is solved by improved stabilizing properties of the carrier. For this purpose, a carrier material is inserted sets, which has an equal or slightly lower coefficient of expansion than the stone plate to be stabilized.
Das Trägermaterial, im folgenden Träger genannt, besteht aus einer eine Faser verstärkten Matrix, die ein Kunstharz oder gegebenenfalls selbst ein Keramikmaterial ist. Es kommen dabei Carbonfasern zum Einsatz, die hohen Zugbelastungen standhalten und sich unter Wärmeeinwirkung zusammenziehen, also einen negativen Temperaturausdehnungskoeffizienten besitzen und einen mehr oder weniger langen Steinstab stabilisieren, der als auf diese Weise selbst stabilisiert zum Stabilisator der Steingutplatte wird. Dadurch wird die Platte insbesondere gegen Risse durch Überdehnung und Hitzeeinwirkung geschützt, sowie dem Bruch durch mechanische Belastung senkrecht auf das Steingut entgegengewirkt.The Support material in the following carrier called, consists of a fiber-reinforced matrix, which is a synthetic resin or optionally itself is a ceramic material. It comes here Carbon fibers are used to withstand high tensile loads and under heat contract, so a negative coefficient of thermal expansion own and stabilize a more or less long stone rod, stabilized as stabilizer of the stabilizer itself Earthenware plate is. As a result, the plate is especially against cracks by overstretching and heat protected, as well as the break by mechanical load perpendicular to the earthenware counteracted.
Dünne Steinplatten, zum Beispiel fassadenverkleidungen, werden durch die Erfindung insbesondere bei thermischer Belastung und der damit verbundenen Träger-Materialdehnung, die zu Rissen oder Oberflächenbrüchen des getragenen Stein-Materials führen würde, sicher gegen Rissbildung geschützt. Die üblicherweise entstehenden, unter Umständen mikroskopisch kleinen Haarrisse, die zum schnellen Verfall des Steins führen, insbesondere dann, wenn er im Außenbereich ständig wechselnden Temperaturen, Wasser und Frost ausgesetzt ist, werden durch die Erfindung vollständig ausgeschlossen. Selbst dünnste Steinplatten können mit Hilfe der Erfindung unter Beibehaltung ihrer Stabilität hergestellt werden, ohne beim Abstärken zu brechen. Auch die mechanische Beanspruchung, die bei Druckbelastung senkrecht auf den Stein ausgeübt werden, werden dehnungsfrei abgefangen, um den Stein gegen die gleiche Rissbildung, wie oben beschrieben, zu schützen. Besonders die Ausdehnung des Trägermaterials durch thermische Einwirkung ist nicht größer, als die des Steins selber. Dadurch wird vermieden, daß das dünne Steinmaterial durch die Trägerstäbe auseinandergezogen wird.Thin flagstones, For example, facade cladding, in particular by the invention under thermal stress and the associated carrier material expansion, which cause cracks or surface fractures of the lead worn stone material would, safely protected against cracking. The usual arising, under circumstances microscopic hairline cracks leading to the rapid decay of the stone to lead, especially when he is constantly changing outdoors Temperatures, water and frost is exposed by the Invention complete locked out. Even thinnest Stone slabs can produced by means of the invention while maintaining its stability be without distracting to break. Also the mechanical stress, the pressure load exercised vertically on the stone be intercepted without strain, to the stone against the same Cracking as described above to protect. Especially the expansion of the carrier material by thermal action is not greater than that of the stone itself. This avoids that thin stone material pulled apart by the support bars becomes.
Mit Hilfe des Einsatzes von zum Beispiel stabilen Epoxidharzen, Polyesterharzen, Harzen auf Phenol-, Polyimid-, Cyanatester-, Melamin-, Polyurethan- oder Silikonbasis, genannt Matrix, in Kombination mit Carbonfasern, die einen negativen Temperaturausdehnungs-koeffizienten haben, wird eine solche sichere Stabilisierung von Steinstäben, die ihrerseits der Stabilisierung der Steingutplatten dienen möglich. Kennzeichnend ist hierbei, daß der Faserverbund einen negativen thermischen Ausdehnungskoeffizient hat. Außerordentlich hilfreich für eine optimale Verbindung zwischen Stein und Faserverbund ist dabei die poröse und somit saugende Konsistenz von Stein. Ein Harz kann sich förmlich in den Stein saugen und führt so zu einer enorm stabilen Verbindung zwischen Stein und dem den Stein stabilisierenden Laminat. Wichtig ist dabei, daß das Harz bezüglich seiner Viskosität optimal den saugenden Eigenschaften des zu stabilisierenden Steins angepasst wird. Die sich gegenseitig stabilisierenden Komponenten "verschmelzen" dann regelrecht.With Help of the use of, for example, stable epoxy resins, polyester resins, Resins on phenolic, polyimide, cyanate, melamine, polyurethane or silicone base, called matrix, in combination with carbon fibers, which have a negative coefficient of thermal expansion becomes such a safe stabilization of stone rods, which in turn stabilize the earthenware plates are possible. Characteristic here is that the Fiber composite a negative coefficient of thermal expansion Has. extraordinarily helpful for An optimal connection between stone and fiber composite is included the porous one and thus absorbent consistency of stone. A resin can formally become suck the stone and leads so to an enormously stable connection between stone and the Stone stabilizing laminate. It is important that the resin in terms of its viscosity optimally the absorbent properties of the stone to be stabilized is adjusted. The mutually stabilizing components then "merge" downright.
Der Stein kann also zerstörungsfrei in gewissen Grenzen gebogen werden. Diese wichtige Eigenschaft des Steins, nämlich zerstörungsfrei komprimierbar zu sein, in Kombination mit der sich bei Wärmebelastung zusammenziehenden und extrem hochreißfesten Carbonfaser, die einer Überdehnung des Steins entgegenwirkt, sofern die beiden Bauelemente fest miteinander verbunden sind, wird zum Gegenstand der Erfindung und zur Realisierung der Nutzung solcher Bauteile, sogar für dynamische Belastungsfälle.Of the So stone can be non-destructive be bent within certain limits. This important property of Steins, namely destructively be compressible, in combination with the heat load astringent and extremely tear-resistant carbon fiber, which is an overstretching of the Steins counteracts provided the two components firmly together are connected, becomes the subject of the invention and the realization the use of such components, even for dynamic load cases.
Es wird darüber hinaus die Forderung erfüllt, die mechanische Belastbarkeit und Temperaturbelastbarkeit von dünnen bis dünnsten Steinverkleidungen so zu optimieren, daß der Gesamt-Ausdehnungskoeffizient der Platte in weiten Temperaturbereichen auf Null reduziert werden kann, um auch bei Außenfassaden eine zerstörungsfreie, das heißt ausdehnungsfreie Stabilisierung zu erreichen. Damit eine an einer Gebäudewand angebrachte, nahtlose Außenfassade entstehen kann, darf sich die Steinplatte unter Wärmeeinwirkung nicht ausdehnen. Der Stein erfährt dadurch, daß er durch die Trägerplatte beim Bestreben sich unter Wärme auszudehnen, gehindert wird, einen sehr hohen inneren Druck. Wie Ausführungen der Erfindung jedoch zeigen, sind Natursteine wie z.B. Granit aber so druckunempfindlich, daß dieser Zwang dem Stein erstaunlicherweise nicht schadet, sogar dann nicht, wenn der Stein durch die Stabilisierung vollkommen an einer thermisch bedingten Ausdehnung gehindert wird. Diese Erkenntnis ist vollkommen neu, wird nur bei ganz wenigen Materialien beobachtet und wird damit ebenso zum Kern der Erfindung, wie der selten beobachtete negative thermische Ausdehnungskoeffizient von Carbonfaser. Hier ist der Kern der Gründe dafür zu finden, warum die beiden Materialien in Verbindung ein so brauchbar gutes Ergebnis erzielen und sich auf so ideale Weise ergänzen..It gets over it addition to the requirement, the mechanical strength and temperature resistance of thin to thinnest To optimize stone cladding so that the overall coefficient of expansion the plate can be reduced to zero in wide temperature ranges can, even with exterior facades a non-destructive, this means to achieve expansion-free stabilization. So that one at a building wall attached, seamless exterior facade may arise, the stone plate may under heat do not stretch. The stone learns in that he through the carrier plate at Strive for warmth is prevented, a very high internal pressure. Like executions However, according to the invention, natural stones such as e.g. Granite but so insensitive to pressure that this Compulsion does not hurt the stone, surprisingly, even then, when the stone is completely stabilized by a thermal conditional expansion is hindered. This realization is perfect new, is only observed with very few materials and becomes so as well to the essence of the invention as the rarely observed negative thermal expansion coefficient of carbon fiber. Here is the Core of the reasons to find for that why the two materials in conjunction so useful good Achieve result and complement each other in such an ideal way ..
Die Erfindung wird somit realisiert durch die Verwendung von Carbonfaserverstärktem Steinstäben, die dünne Steingutplatten stabilisieren.The Invention is thus realized by the use of carbon fiber reinforced stone rods, the thin earthenware plates stabilize.
Die Steingutplatte wird so auf äußere Krafteinwirkung allgemein und auch auf Temperatureinwirkung im speziellen durch die komplementär der Ausdehnung gegenwirkende Kraft, die durch den Carbonfaserstein (CFS)-Träger erzielt wird, mechanisch gezwungen form- und oberflächenstabil zu bleiben. Sie erhalten dadurch nicht die geringste Möglichkeit zur Rissbildung.The Earthenware is so on external force in general and also on temperature influence in particular the complementary The expansion counteracting force passing through the carbon fiber stone (CFS) carrier achieved is, mechanically forced to remain dimensionally stable and stable. she do not get the slightest chance of cracking.
Eine weitere Variante ist die Verwendung von Steingutplatten, die partiell, der mit einer Schicht aus Carbonfaserstein-Trägern stabilisiert ist.A another variant is the use of earthenware plates that partially, stabilized with a layer of carbon fiber backing.
Ein wesentlicher Vorteil und somt Kern der Erfindung ist, dass die Carbonfaser durch die hier beschriebene Anordnung materialsparend eingestzt wird.One The main advantage of this invention is that the carbon fiber is material saving by the arrangement described here.
Der sehr entscheidender weiterer Vorteil ist, daß der Plattenverbund aus Steinplatte und Carbonfaserstein-Träer sich extrem gut und formstabil bearbeiten, d.h. schneiden und fräsen lässt, und das insbesondere auch bei unterschiedlichen Temperaturen. Stahl im Gegensatz dazu hat nur dann die gewünschte Länge, wenn er bei der gleichen Temperatur geschnitten wird, die beim späteren Einsatz herrscht.Of the Another very important further advantage is that the slab of stone slab and carbon fiber stone tanner working extremely well and dimensionally stable, i. cut and mill, and especially at different temperatures. stole in contrast, only if he has the desired length at the same Temperature is cut, which prevails during later use.
Eine
der vielen möglichen
Ausführungen
der Erfindung beschreibt einen rechteckigen Stab aus Stein (
Die
somit entstandenen Träger
(
Claims (5)
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DE202006009793U1 true DE202006009793U1 (en) | 2006-12-28 |
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DE202006009793U Expired - Lifetime DE202006009793U1 (en) | 2006-06-21 | 2006-06-21 | Method for stabilizing thin stone or ceramic panels using carbon fiber matrix and carbon fiber stone support layer |
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DE (1) | DE202006009793U1 (en) |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R207 | Utility model specification |
Effective date: 20070201 |
|
R150 | Term of protection extended to 6 years |
Effective date: 20091204 |
|
R151 | Term of protection extended to 8 years |
Effective date: 20120627 |
|
R152 | Term of protection extended to 10 years | ||
R152 | Term of protection extended to 10 years |
Effective date: 20140704 |
|
R071 | Expiry of right |