DE3328596A1

DE3328596A1 - Schalenkoerper fuer ein wassertransportfahrzeug, insbesondere ein segelsurfbrett und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE3328596A1
Application number: DE19833328596
Authority: DE
Inventors: Werner 8209 Westerndorf Kuhlmann; Heinrich Dipl.-Ing. 8213 Aschau Uphoff
Original assignee: Klepper Beteiligungs & Co GmbH
Current assignee: Klepper Beteiligungs & Co GmbH
Priority date: 1983-08-08
Filing date: 1983-08-08
Publication date: 1985-02-28
Also published as: JPS6058181A; AU574701B2; EP0142622A1; DE3461268D1; US4621002A; AU3168384A; ATE23499T1; DE3328596C2; EP0142622B1

Description

Beschreib u η g

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schalenkörper für ein Wassersportfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Schalenkörper für Wassersportfahrzeuge, insbesondere Segelsurfbretter, bestehen meist aus thermoplastischen Werkstoffen, die in Form von Bahnen extrudiert und dann in die erforderliche Form gebracht werden. Aus der DE-OS 31 46 381 sind unterschiedliche Werkstoffe und Verarbeitungsverfahren für einen solchen Schalenkörper angegeben.

Auch wenn die gewünschten Eigenschaften solcher Schalenkörper durch Auswahl und Modifikation ihrer Werkstoffe laufend verbessert werden konnten, schien eine weitere Verringerung des Gewichts des Schalenkörpers bei gleichbleibenden oder sogar noch verbesserten mechanischen Eigenschaften, wie Oberflächenhärte, Schlagzähigkeit und Elastizität nicht mehr möglich zu sein. Bei Verwendung von warmgeformten Platten aus Polystyrolderivaten sind für die Schalenkörper von Wassersportfahrzeugen Mindestausgangswanddicken der Platten von 2,2 bis 2,5 mm notwendig, da die mechanischen Eigenschaften der Thermoplaste, wie ihre Biegesteifigkeit, ihr E-Modul, ihre Schlag- und Kerbschlagzähigkeit eine weitere Ab-Senkung der Dicke nicht zulassen. Bei einer durchschnittlichen Oberfläche beispielsweise eines Segelsurfbrettes von 4,5 m und einer Plattendicke von 1,8 bis 2,5 mm entsteht dabei ein Schalenkörper mit einem relativ hohen Gewicht von 10,4 bis 11,7 kg. Man hat bereits versucht, Thermoplaste mit höheren spezifischen Festigkeitseigenschaften zu verwenden, um das Gewicht des

Schalenkörpers zu reduzieren. Versuche mit linearen Polyestern, wie PC (Polycarbonat), PETP (Polyäthylenterephthalat), PBTP (Polybutylenterephthalat) und PA6 (Polyamid 6) scheiterten daran, daß diese Kunststoffe ein ungünstiges bis schlechtes Warmformverhalten aufweisen, sehr schwer verkleb- bzw. verschweißbar sind und Warmformwerkzeuge benötigen, die auf Temperaturen über 100⁰C genau temperiert werden können. Ferner muß der Warmformtemperaturbereich auf i 2 C eingehalten werden, da diese Kunststoffe in einer sehr engen Temperaturspanne von einem zähharten in einen dünnflüssigen Zustand übergehen. Es scheiden daher normal ausgerüstete Warmformmaschinen und übliche Warmformwerkzeuge aus Holz bzw. Epoxydharz aus, so daß man auf wesentlich teurere Werkzeuge angewiesen war. Eine weitere Schwierigkeit bestand darin, daß diese Kunststoffe eine starke Schwindung von 2 bis 4 % aufweisen, so daß bei der üblichen Positivformung die Formteile auf das Werkzeug aufschrumpften, wodurch sich Formungsprobleme insbesondere an eingezogenen Stellen, wie Schwertkästen und Finnenkästen, ergaben. Die gegenüber den Polystyrolderivaten bezüglich ihrer spezifischen Festigkeitseigenschaften attraktiveren Polycarbonate neigten außerdem zu Spannungsrißkorrosionen, wenn sie mit Teer, Benzin oder üblichen Reinigungsmitteln in Berührung kamen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schalenkörper für ein Wassersportfahrzeug der eingangs genannten Art anzugeben, der bei den geforderten mechanischen Eigenschaften mit geringerem Gewicht herstellbar ist. Insbesondere soll der Schalenkörper die für ein Wassersportfahrzeug erforderliche Wetterbeständigkeit aufweisen.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Es ist zwar bereits ein Schichtaufbau aus coextrudierten Bahnen von Polycarbonat und Polystyrol für Verpackungsbehälter bekannt, bei denen die Haftung der Schichten aneinander und die Witterungsbeständigkeit keine vordergründiger. Probleme darstellten. Die einschlägige Fachwelt war bisher der Ansicht, daß die Verwendung einer derartigen Schichtkombination für relativ dickwandige Schalenkörper von Wassersportfahrzeugen aus folgenden Gründen nicht möglich war. Die Erweichungstemperaturen der linearen Polyester liegen im Bereich über 200 C, üblicherweise zwischen 225⁰C und 270⁰C, während die Glasübergangsbereiche der amorphen Polystyrolderivate, wie BS, ABS, ASA oder SAN, je nach ihrer Zusammensetzung zwischen nur 75⁰C bis 115°C liegen. Bei der erforderlichen Gesamtdicke des Schichtaufbaus in der Gegend von 2 mm erschien eine Coextrusion wegen der doch erheblichen Wärmekapazitäten in den Teilschichten und den großen Unterschieden in den physikalischen Parametern der einzelnen Materialien, insbesondere ihren Ausdehnungskoeffizienten, nicht handhabbar. Außerdem zeigte sich, daß ein Schichtaufbau aus coextrudiertem linearem Polyester und einem Polystyrolderivat nicht witterungsbeständig ist, weil sich die beiden Schichten unter dem Einfluß von Wasser, Temperaturschwankungen, und Sonnenlicht nach kurzer Zeit voneinander lösten. Es hat sich nun aber überraschenderweise gezeigt, daß ein Schichtaufbau aus coextrudiertem linearem Polyester und einem Polystyrolderivat mit einer Dimensionierung der Wanddicken der Teilschichten gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 und der zusätzlichen Maßnahme, die Schicht aus linearem Polyester lichtabsorbierend und/oder lichtreflektierend auszubilden, unproblematisch zu handhaben und witterungsbeständig ist. Trotz der

stark unterschiedlichen Schmelztemperaturen, des unterschiedlichen Wärmeverhaltens, der Ausdehnungs- und Schwindungswerte der beiden Schichten ist die Schichtanordnung im Warmformverfahren gut zu beherrschen, so daß daraus Schalenkörper herstellbar sind, die für Wassersportfahrzeuge zu überragenden Eigenschaften führen. Die linearen Polyester sind sehr hart, glänzend und kratzfest, die dem Schalenkörper die erforderliche Oberflächengüte und Formstabilität verleihen, während die Polystyrolderivate eine hohe Biegeelastizität und -Zähigkeit aufweisen. Diese Eigenschaften machten es möglich, die Wanddicke des Schalenkörpers von bisher etwa 2,2 bis 2,5 mm auf 0,88 bis 2,1 mm zu reduzieren, wobei man bei sogar noch verbesserten mechanischen Eigenschaften gegenüber dem einschichtigen Aufbau aus einem Polystyrolderivat zu einer Gewichtsreduzierung des Schalenkörpers für ein Segelsurfbrett bis zu 50 % gelangt. Damit sinkt nicht nur der Kostenaufwand durch die Materialersparnis, sondern es entsteht ein bis zu 5 kg leichteres Brett, das wesentlich bessere Surfeigenschaften besitzt. Es hat sich auch gezeigt, daß trotz aller Befürchtungen bei Verwendung von Polycarbonat als Deckschicht keine Spannungsrißkorrosion auftritt. Die Witterungsunbeständigkeit vergleichbarer Schichtaufbauten war, wie sich herausgestellt hat, offenbar darauf zurückzuführen, daß das die Deckschicht durchdringende Licht, insbesondere die UV-Strahlung, die Haftung der beiden Schichten aneinander beeinträchtigt.

Die im Anspruch 2 angegebene gegenseitige Dimensionierung der Wanddicken der beiden Teilschichten führt zu einer besonders guten Haftung und Warmformfähigkeit der Schichtanordnung

Eine wesentliche Weiterbildung des Anmeldungsgegenstandes ist im Anspruch 3 angegeben. Insbesondere bei Segelsurfbrettern treten die größten mechanischen Belastungen im Betrieb im Bereich der mittigen Trittflächen auf, so daß das Brett dort möglichst hart und üblicherweise an seiner Oberfläche auch noch aufgerauht sein muß, während die größten Beanspruchungen beim Warmverformen an den Rändern liegen. Durch Verwendung einer Deckschicht mit zu den Rändern hin abnehmender Wanddicke wird diesen beiden Bedürfnissen auf einfache Weise Rechnung getragen,■indem der Schalenkörper zum mittigen Bereich hin verstärkt wird und die Probleme, die sich beim Warmformen ergeben, stark vermindert werden.

Durch die im Anspruch 4 angegebene Maßnahme läßt sich eine weitere Gewichtsreduzierung des Schalenkörpers erreichen, die Verträglichkeit und das Haftvermögen der beiden Teilschichten miteinander verbessern und eine Erhöhung der Haftfestigkeit mit einem im Schalenkörper anzubringenden Schaumstoffkern erreichen.

Bevorzugte Materialien für die beiden Teilschichten sind in den Ansprüchen 5 und 6 angegeben.

Die im Anspruch 7 angegebene Maßnahme führt zu einer weiteren Haftungsverbesserung der beiden Teilschichten aneinander, wobei es vorzuziehen ist, nur die Schicht aus Polystyrolderivat mit linearem Polyester zu vermischen und die außen liegende Schicht aus linearem Polyester rein zu verwenden, um deren ausgezeichnete Oberflächeneigenschaften zu erhalten. Ein weiterer Vorteil in dieser Maßnahme besteht darin, daß Abfallprodukte aus bereits coextrudierten Schichten wieder verwendbar werden.

Die Maßnahmen nach Anspruch 8 dienen der weiteren Verbesserung der physikalischen Eigenschaften des Schichtaufbaus, insbesondere deren Zähigkeit und Bruchfestigkeit .

In den Ansprüchen 9 bis 11 sind bevorzugte Verfahren zum Herstellen des Schalenkörpers angegeben, wobei besonders wichtig die Maßnahme nach Anspruch 9 ist. Durch Verwendung von reaktiv wirkendem Gas beim Verbinden der coextrudierten Schichten wird eine ausgezeichnete und dauerhafte Haftung der Schichten aneinander erreicht.

Durch die Beheizung wenigstens der ersten Schicht nach ihrer Extrusion gemäß Anspruch 10 wird sichergestellt, daß die relativ dünne erste Schicht zu ihrer Verbindung mit der zweiten Schicht auf dem erforderlichen Temperaturniveau gehalten wird, da insbesondere bei der Verwendung von Polycarbonat oder Polyterephthalaten als erste Schicht die Temperatur dieser Schicht für das Erreichen einer guten Haftung eine wesentliche Rolle spielt. Eine besonders einfache Möglichkeit der Beheizung der ersten Schicht ist im Anspruch 8 angegeben.

Anhand eines in. der Zeichnung dargestellten Ausführungs-25

beispiels wird die Erfindung im folgenden näher erläutert .

Die einzige in der Zeichnung dargestellte Figur zeigt

einen Ausschnitt aus einem Segelsurfbrettkörper, be-30

stehend aus einem im Tiefziehverfahren hergestellten ein- oder zweiteiligen Schalenkörper mit dem hier wesentlichen Schichtaufbau, bestehend aus einer ersten Schicht 1 und einer zweiten Schicht 2. Der Hohlraum des Schalenkörpers ist mit Polyurethanschaumstoff 3 ausgeschäumt. Die erste Schicht 1 (Außenschicht) besteht aus

einem linearen Polyester, wie PC (Polycarbonat), PBTP (Polyäthylenterephthalat), PBTP (Polybutylenterephthalat) oder PA6 (Polyamid 6), vorzugsweise PC oder PBTP mit einer Schichtdicke von 0,08 bis 0,3 nun, vorzugsweise 0,2 mm. Die innenliegende zweite Schicht 2 besteht aus einem Polystyrolderivat, wie BS (Butadienstyrol), ABS (Acrylnitril), ASA (Acrylnitrilstyrolacrylester) oder SAN (Styrolacrylnitril) mit einer Wanddicke im Bereich von 0,8 mm bis 1,8 mm, vorzugsweise 1,2 bis 1,6 mm. Die beiden Thermoplaste sind in.

einem Coextrusionsverfahren gemeinsam extrudiert und unmittelbar nach ihrer Extrusion in noch plastischem Zustand miteinander, vorzugsweise unter Anwendung von Druck, unter Anwendung beispielsweise von Druckwalzen, miteinander verbunden und anschließend durch ein Warmformverfahren in die gewünschte Form des Schalenkörpers gebracht. Beide Schichten 1 und 2 aus den Thermoplasten X und Y können mit einem Anteil bis zu 35 % mit dem jeweils anderen Thermoplast Y bzw. X vermischt sein, wobei es sich aber empfiehlt, nur die Schicht 2 als Mischung auszubilden. Es besteht auch die Möglichkeit, zum Abmischen des Thermoplasten X bzw. Y nicht den identischen Thermoplasten Y bzw. X der jeweils anderen Schicht zu verwenden, sondern lediglich einen solchen aus der Reihe der linearen Polyester bzw. aus der Reihe der Polystyrolderivate. Wesentlich'ist, daß die Schicht 1 möglichst lichtundurchlässig ausgebildet ist, was durch verschiedene Maßnahmen, und auch Kombinationen dieser Maßnahmen erreicht werden kann. Eine Maßnahme besteht darin, den Thermoplasten X der Schicht 1 mit einem lichtabsorbierenden Farbmittel vor der Extrusion zu vermischen. Es eignen sich dafür Weißpigmente, z.B. Titandioxid oder Ruß oder Buntpigmente oder UV-Lichtabsorber bzw. deren Mischungen. Eine weitere Maßnahme ist darin zu sehen, lichtstreuende Partikel einzufügen, die die Weglänge des Lichtes in der Schicht 1 erhöhen und damit zur stärkeren Absorption des Lichtes führen. Eine weitere Maßnahme ist darin zu sehen, die außenliegende Fläche der Schicht 1 mit lichtabsorbierenden oder reflektierenden Materialien zu bedrucken oder zu

beschichten.

Wie bereits oben ausgeführt ist, werden die erste Schicht 1 und die zweite Schicht 2 gemeinsam extrudiert und in noch plastischem Zustand als ebene Bahnen miteinander verbunden. Die Verbindung erfolgt derart, daß auf die miteinander zu verbindenden Oberflächen ein reaktives Gas, wie Sauerstoff, Ozon, Chlor oder auch Mischungen dieser Gase mit Stickstoff, aufgeströmt v/erden, die Bahnen über zueinander parallele Führungfswalzen geführt werden, zwischen denen sie mit einem Druck von beispiels-

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weise 2 bis 12 kp/cm aufeinandergedruckt werden. Es können auch mehrere solcher Walzenpaare nacheinander vorgesehen sein, um Schrumpferscheinungen oder Verwerfungen, die sich mit dem Abkühlen der Materialien ergeben, entgegenzuwirken. Da die Schicht 1 aus linearem Polyester die Extrusionsdüse mit einer höheren Temperatur verläßt als die Schicht 2 aus Polystyrolderivat und beide Materialien im noch plastischen Zustand miteinander zur Vereinigung kommen, empfiehlt es sich, die Schicht 1 im Bereich zwischen der Düse und der Vereinigungsstelle oder auch an der Vereinigungsstelle selbst zu beheizen. Dies kann auf übliche Weise durch beheizte Führungs- oder Druckwalzen geschehen. Zur Beheizung sind auch Flächenstrahler oder heiße Gase denkbar.

Zur Abwandlung der mechanischen Eigenschaften dieser Schichtanordnung können die einzelnen Schichten auch noch Verstärkungsmaterialien, wie Glasfasern, Glasfäden oder daraus hergestellte Strukturen enthalten, wobei man diese Verstärkungsmaterialien üblicherweise nur in die Schicht 2 einbetten wird, um diese gegenüber der Schicht 1 aus linearem Polyester weichere Schicht 2 zu verfestigen und die ausgezeichneten Oberflächeneigenschäften, wie Glanz und Glätte, beispielsweise durch eine Polycarbonatschicht als Deckschicht nicht zu stören.

Gegebenenfalls kann die Schichtanordnung im allgemeinen Fall auch aus einer Verdoppelung des Aufbaus aus den Schichten 1 und 2 bestehen, oder aus zwei Schichten 1, die zwischen sich eine Schicht 2 einbetten. . '

Die Schicht 2 aus Polystyrolderivat kann ganz oder teilweise geschäumt sein, um das Gewicht des Schalenkörpers zu erniedrigen und die Hafteigenschaften zu den angrenzenden Schichten zu erhöhen.

Da die Zeichnung lediglich einen Ausschnitt aus einem Segelsurfbrettkörper zeigt, ist daraus nicht zu ersehen, daß die Schicht 1 über die Breite des Segelsurfbrettkörpers unterschiedlich stark ausgebildet ist. Während, sie im Mittelbereich entlang der Längsachse des Segelsurfbrettkörpers 0,3 mm beträgt, nimmt sie nach den Seiten kontinuierlich bis auf 0,15 mm ab.

Bei einem Gerät einer Länge von 3650 mm, einer Breite von 690 mm und eines Volumens von ca. 220 Liter reichte beim erfindungsgemäßen Verfahren eine Schalendicke von 1,2 bis 1,5 mm aus, was ein Gesaratgewicht von 16,5 kg ergab, um das gleiche Steifigkeitsverhalten wie ein Brett aus einschichtigem Polystyrolmaterial unter Verwendung von Schalen einer Dicke von 1,9 bis 2,5 mm mit einem Gesamtgewicht von 19,5 bis 22 kg bei gleicher Ausschäumung und Ausstattung zu erhalten. Zur Simulierung des Verhaltens des Gerätes bei aufschlagenden Wellen auf das Vorschiff wurden Surfbretter mit einer steigenden Gewichtskraft von 50 N bis 500 N auf den Bug belastet. Es wurde die Deformation kirn Kurzzeit- und im Langzeitversuch gemessen. Dabei zeigte .sich, daß das erfindungsgemäß hergestellte Brett wesentlich steifer als die Vergleichsbretter ist.

Nach Entlastung war die Rückstellung bei den erfindungsgemäß hergestellten Brettern wesentlich größer.

Bei Schwing- und bei Fahrversuchen erwiesen sich die erfindungsgemäß hergestellten Bretter steifer, schwingungsstabiler und die Fahrer hatten den Eindruck einer größeren Wendigkeit, eines schnelleren Anspringens und einer höheren Geschwindigkeit.

Für die Beurteilung des praktischen Verhaltens der Geräte gegen Beanspruchung durch Schlag oder Stoß wurde die Fallkörperprüfung herangezogen. Es zeigte sich, daß erfahrungsgemäß festgestellte ausreichende Schlagfestigkeiten von 30 kp/m bei Anwendung von herkömmlichem einschichtigem

f Material aus Polystyrolderivaten bestenfalls bei einer Materialdicke von>- 2,5 mm erreicht wurden, während dieser Grenzwert bei Verwendung von erfindungsgemäßem Material bei einer Dicke von 1,8 mm bei 0,2 mm PC-Beschichtung überschritten wird.

Als Beispiel für ein Wassersportfahrzeug, für das sich der angegebene Schichtaufbau eignet, ist oben lediglich das Segelsurfbrett angegeben. Weitere Wassersportfahrzeuge, für die sich dieser Schichtaufbau eignet, sind Bootskörper für Jollen und Katamarane, Kajaks und Kanus.

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- Leerseite -

Claims

Schalenkörper für ein Wassersportfahrzeug, insbesondere ein Segelsurfbrett und Verfahren zu seiner Herstellung

Patent an s ρ r ü c h e

'1. Schalenkörper für ein Wassersportfahrzeug, insbesondere ein Segelsurfbrett, mit einer Schicht aus extrudiertem, warmverformtem Thermoplast, dadurch ge

kennzeichnet

daß die Schicht aus wenigstens

zwei Teilschichten (1 und 2) besteht, die unmittelbar nach ihrer Extrusion in noch plastischem Zustand miteinander verbunden sind, daß die erste Schicht (1) überwiegend aus einem Thermoplast X aus der Reihe der linearen Polyester und die zweite Schicht (2) überwiegend aus einem Thermoplast Y aus der Reihe der Polystyrolderivate besteht, daß die erste Schicht (1) eine Wanddicke von etwa 0,08 bis 0,3 mm und die zweite Schicht (2) eine Wanddicke von etwa 0,8 bis 1,3 mm aufweist, und daß die erste Schicht (1) für Licht absorbierend und/oder reflektierend ausgebildet ist.

' 1 2. Schalenkörper nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ eichnet, daß die zweite Schicht (2) etwa die achtfache Wanddicke der ersten Schicht (1) aufweist.

3. Schalenkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Schicht (1) quer zu ihrer Extrusionsrichtung mit unterschiedlicher Wand dicke derart ausgebildet ist, daß ihre Wand dicke in der Mitte zwischen den seitlichen Rändern am größten ist und zu den seitlichen Rändern hin auf etwa 50 % dieser maximalen Wand dicke gleichmäßig abfällt.

4. Schalenkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet , daß die Dichte der zweiten Schicht (2) durch Aufschäumen beim Extrudieren auf etwa 90 % bis 50 % der Ausgangsdichte verringert ist.

5. Schalenkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Schicht (1) aus PC (Polycarbonat), PETP (Polyäthylenterephthalat), PBTP (Polybutylenterephthalat) oder PA6 (Polyamid 6) besteht.

6. Schalenkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet , daß die zweite Schicht (2) aus BS (Butadienstyrol), ABS (Acrylnitrilbutadienstyrol), ASA (Acrylnitrilstyrolacrylester) oder SAN (Styrolacrylnitril) besteht.

γ. Schalenkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Schicht (1) mit Thermoplasten Y aus der Reihe der Schicht 2 eines Gewichtsanteils bis zu 35 % und/oder daß die zweite Schicht (2) mit Thermoplasten X aus der Reihe der Schicht 1 eines Gewichtsanteils bis zu 35 % gemischt ist, vorzugsweise daß nur die Schicht (2) mit einem Anteil der Thermoplaste X vermischt ist.

8. Schalenkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet ,daß die erste Schicht (1) und/oder die zweite Schicht (2) mit Verstärkungsmaterialien, wie Glasfasern, Glasfäden, Glasmatten oder daraus hergestellten Strukturen vermischt ist.

9. Verfahren zum Herstellen eines Schalenkörpers nach . einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die miteinander zu verbindenden Schichten (1,2) vor ihrer Verbindung mit reaktiv wirkendem Gas, wie Sauerstoff, Ozon und/oder Chlor, oder Ihren Mischungen mit Stickstoff, behandelt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch g e k e η η zeichnet , daß wenigstens die erste Schicht (1) nach ihrer Extrusion beheizt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die erste Schicht (1) zur Beheizung über eine beheizte Walze geführt wird.