EP0142622B1

EP0142622B1 - Schalenkörper für Wassersportfahrzeug, insbesondere ein Segelsurfbrett und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: EP0142622B1
Application number: EP84109372A
Authority: EP
Inventors: Werner Kuhlmann; Heinrich Dipl.-Ing. Uphoff
Original assignee: Klepper Beteiligungs & Co Bootsbau KG GmbH
Current assignee: Klepper Beteiligungs & Co Bootsbau KG GmbH
Priority date: 1983-08-08
Filing date: 1984-08-07
Publication date: 1986-11-12
Also published as: US4621002A; DE3328596A1; AU3168384A; DE3461268D1; DE3328596C2; AU574701B2; JPS6058181A; ATE23499T1; EP0142622A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schalenkörper für Wassersportfahrzeuge nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie auf ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Es ist bereits bekannt, die·OberfIächenschicht des Schalenkörpers aus mehreren Teilschichten herzustellen, um die außen liegende Fläche möglichst hart und kratzfest auszubilden und der gesamten Schicht dennoch die erforderliche Elastizität zu verleihen. Aus der DE-A-28 50 342 ist ein Surfbrettkorper bekannt, auf dessen Schaumstoffkern eine Schicht aus Polyurethan aufgespritzt ist, die nach ihrem Aushärten mit einer ebenfalls im Spritzverfahren aufgetragenen Polyesterschicht bedeckt ist.
Aus dem DE-U-7534898 geht ein Surfbrettkörper als bekannt hervor, bei dem die von einem Schaumstoffkern umgebene Schicht aus einer außen liegenden Schicht Polyurethan-Lack besteht, an die sich nach innen eine oder mehrere Schichten Polyurethan-Integralschaum anschließen. Der Schichtaufbau wird dort dadurch erreicht, daß die einzelnen Schichten nacheinander in eine Negativform eingestrichen oder eingespritzt werden.
Diese bekannten Laminierverfahren sind sehr arbeitsintensiv und führen zu Schichten, die in ihren Dicken nicht mit der wünschenswerten Genauigkeit konstant zu halten sind. Für eine industrielle Fertigung sind diese Verfahren deshalb wenig geeignet.
Aus der DE-A-31 46 381 ist es zwar auch bereits bekannt, die Schale von Segelsurfbrettkörpern dadurch herzustellen, daß zunächst plattenförmiges Material aus einem thermoplastischen Werkstoff in einem Extrusionsverfahren hergestellt wird, das anschließend in einem Warmformverfahren in die gewünschte Form gebracht wird. Auch wenn die gewünschten Eigenschaften solcher Schalenkörper durch Auswahl und Modifikation ihrer Werkstoffe laufend verbessert werden konnten, schien eine weitere Veringerung 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 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 Absenkung der Dicke nicht zulassen. Bei einer durchschnittlichen Oberfläche beispielsweise eines Segelsurfbrettes von 4.5 m² 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 bei Temperaturen über 100° genau temperiert werden können. Ferner muß der Warmformtemperaturbereich auf ±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 auf Holz bzw. Epoxydharz aus, so daß man auf wesentlich teurere Werkzeuge angewiesen ist. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, daß diese Kunststoffe eine starke Schwindung von 2 bis 4 % aufweisen, so daß bei der üblichen Positivformung die Formteile auf das Werkzeug aufschrumpfen, wodurch sich Formungsprobleme insbesondere an eingezogenen Stellen, wie Schwertkästen und Finnenkästen, ergeben. Die gegenüber den Polystyrolderivaten bezüglich ihrer spezifischen Festigkeitseigenschaften attraktiveren Polycarbonate neigen außerdem zu Spannungsrißkorrosionen, wenn mit Teer, Benzin oder üblichen Reinigungsmitteln in Berührung kommen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schalenkörper für ein Wassersportfahrzeug der eingangs genannten Art anzugeben, der bei den geforderten mechanischen Eigenschaften mit geringstem Gewicht und trotzdem ausreichender Festigkeit herstellbar ist. Insbesondere soll der Schalenkörper die für ein Wassersportfahrzeug erforderliche Witterungsbeständigkeit aufweisen.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Dem Anmeldungsgegenstand liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein Schichtaufbau aus coextrudiertem linearen 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 machen es auch möglich, die Wanddicke des Schalenkörpers stark zu reduzieren, wobei man bei sogar noch verbesserten mechanischen Eigenschaften gegenüber dem einschichtigen Aufbau aus einem Polystyrolderivat zu einer Gewichtsreduzierung des Schalenkörpers für einen Segelsurfer 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 Segelsurfern treten die größten mechanischen Belastungen im Betrieb im Bereich der mittigem Trittflächen auf, so daß das Brett dort möglichst hart und üblicherweise an seiner Oberfläche auch noch aufgerauht sein muß, während die größten Beanspruchungen beim Warmformen an den Rändern liegen. Durch Verwendung einer Deckschicht mit zu den Rändern hin abnehmbarer 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 Warmverformen 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 insbesondere 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 Ausführungsbeispiels wird die Erfindung im folgenden näher erläutert.
Die einzige in der Zeichnung dargestellte Figur zeigt einen Ausschnitt aus einem Segelsurfbrett, bestehend 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), PETP (Polyäthylenterephthalat), PBTP (Polybutylenterephthalat) oder PA6 (Polyamid 6), vorzugsweise PC oder PBTP mit einer Schichtdicke von 0,08 bis 0,3 mm, vorzugsweise 0,2 mm. Die innen liegende zweite Schicht 2 besteht aus einem Polystyrolderivat, wie BS (Butadienstyroi), ABS (Acrylnitril), ASA (Acrylnitrilstyrolacrylester) oder SAN (Styrolacrylnitril) mit einer Wanddicke im Bereich von 0,8 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 Thermoplast X und Y können mit einem Anteil bis zu 35 % mit dem jeweils anderen Thermoplasten Y bzw. X vermischt sein, wobei es sich aber empfiehlt, nur die Schicht 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. Titanoxid 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 außen liegende 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 werden, die Bahnen über zuinander parallele Führungswalzen geführt werden, zwischen denen sie mit einem Druck von beispielsweise 2 bis 12 kp/cm² aufeinandergedrückt 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 plastichen 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 Oberflächeneigenschaften, 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 auch 0,15 mm ab.
Bei einem Segelsurfer mit einer Länge von 3 650 mm, einer Breite von 690 mm und einem Volumen von ca. 220 Liter reichte beim erfindungsgemäßen Verfahren eine Schalendicke von 1.2 bis 1,5 mm aus, was ein Gesamtgewicht 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 im Kurzzeit- und im Langzeitversucht gemessen. Dabei zeigte sich, daß das erfindungsgemäß hergestellte Brett wesentlich steifer als die Vergleichsbretter ist.
Bei Schwing- und 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/m² bei Anwendung von herkömmlichem einschichtigen 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.

Claims

1. Schalenkörper für ein Wassersportfahrzeug, insbesondere ein Segelsurfbrett, mit einer Schicht aus thermoplastischem Kunststoff, die wenigstens zwei miteinander verbundene Teilschichten (1, 2) aufweist, deren eine Teilschicht aus einem thermoplastischen Polyester oder Polyamid 6 besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teilschichten (1, 2) gemeinsam extrudiert und 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 oder Polyamid 6 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 1,8 mm aufweist, und daß die erste Schicht (1) für Licht absorbierend und/oder reflektierend ausgebildet ist.

2. Schalenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 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 Wanddicke derart ausgebildet ist, daß ihre Wanddicke in der Mitte zwischen den seitlichen Rändern am größten ist und zu den seitlichen Rändern hin auf etwa 50 % dieser maximalen Wanddicke 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), PBTB (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 (Acrylnitrilbutadienstyroi), ASA (Acrylnitrilstyrolacrylester) oder SAN (Styrolacrylnitril) besteht.

7. 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 gekennzeichnet, 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 gekennzeichnet, daß wenigstens die erste Schicht (1) nach ihrer Extrusion beheizt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (1) zur Beheizung über eine beheizte Walze geführt wird.