WO2021146820A1

WO2021146820A1 - Flächiger körper aus faserverstärktem kunststoff als teil eines sportgeräts

Info

Publication number: WO2021146820A1
Application number: PCT/CH2021/050001
Authority: WO
Inventors: Martin Rudolph
Original assignee: Kunststoffwerk Ag Buchs
Priority date: 2020-01-20
Filing date: 2021-01-20
Publication date: 2021-07-29
Also published as: CH717056B1; CH717056A1

Abstract

Dargestellt und beschrieben ist ein flächiger Körper aus faserverstärktem Kunststoff als Teil eines Sportgeräts zur Kraftübertragung. Der flächige Körper weist eine Kunststoff matrix und in der Kunststoffmatrix aufgenommene Fasern auf und ist im Spritzgiessverfahren hergestellt. Erfindungsgemäss ist die Oberfläche mindestens eine der zwei Flachseiten des Körpers mindestens bereichsweise durch unidirektionales Fasergelege gebildet.

Description

Flächiger Körper aus faserverstärktem Kunststoff als Teil eines Sportgeräts

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft einen flächigen Körper aus faserverstärktem Kunststoff als Teil eines Sportgeräts zur Kraftübertragung gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfin dung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines flächigen Kunststoff-Körpers als Teil eines Sportgeräts.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Es ist allgemein bekannt, das Faser _Verstärkungen die mechanischen Eigenschaften von Kunststoffen erhöhen und somit den Einsatz von Kunststoffen unter Belastung in der Verwendung von Sportartikeln verbessern. Auch werden seit längerem bereits funkti onale Gewebeschichten angebracht, welche die Oberfläche verstärken, und somit eine allgemeine Erhöhung der Biegewiederstände erzeugen.

Diese Verstärkungen durch mit duroplastischen oder thermoplastischen Kunststoffen vorimprägnierten Fasergeweben, sogenannte Pre-Pregs bestehend aus Fasergewebe mit Längs- und Querschussfasern, werden meist vollflächig aufgebracht und sind kost spielig in der Verwendung und insbesondere in der Verarbeitung. Eine gezielte Steue rung der mechanischen Eigenschaften ist nur bedingt möglich, da aufgrund der Längs und Querfaserrichtung der Fasergewebe jeweils ein störender Einfluss der für die Ver- Stärkung nicht benötigten Faserrichtung auf der Druckseite eines auf Biegung bean spruchten Systems besteht. Die derzeitigen Lösungen im Markt verwenden aus schliesslich Fasergewebe, welche matrixartig das gesamte oder auch Teile eines Sport geräts aus Kunststoff auf beiden Seiten oberflächennah mit einem verstärkenden Faser gewebe versehen. Hierzu sind verschiedene Lösungen im Einsatz wie etwa im Wasser- sport in der Verwendung bei Wellenbrettem als Surffinne für den anspruchsvollen

Einsatz bei hohen Geschwindigkeiten und schnellen Richtungswechseln und Kurven radien.

In EP 3102482A1 ist ein Surfbrett offenbart, welcher mit faserverstärkten Kunststoff hergestellte Finnen aufweist. Die Aussenfläche der Finne umfasst ein sogenanntes Pre- Preg, welches ein Fasergewebe mit Längs- und Querschussfasern aufweist. Die Finne wird in einem Injektionsverfahren hergestellt, wobei es sich beim injizierten Polymer um ein anderes Polymer handelt als das im Fasergewebe imprägnierte Polymer. Der innere Kern der Finne ist durch ein weiteres drittes Material mit einer geringeren Dichte gebildet. Die Verwendung von Fasergeweben als Aussenfläche für die Finne führt zur Verwendung von Fasern, welche aufgrund ihrer Ausrichtung keinen Beitrag zur Biegesteifigkeit der Finne leisten und somit lediglich für höhere Material- und Her stellungskosten sorgen. Zugleich führt die Verwendung von unterschiedlichen Poly meren zu einem mehrschichtigen Aufbau der Finne mit unterschiedlichen Materialei genschaften.

In WO 2015046290 Al ist ein Herstellungsverfahren für ein mit unidirektionalen Fa sern verstärktes Tape gezeigt. Das faserverstärkte Tape umfasst eine Matrix aus Poly amid. Für die Herstellung des Tapes wird ein Bündel von Fasern durch ein Bad aus thermoplastischem geschmolzenem Material gezogen.

Das hiermit hergestellte Tape kann als Verstärkungselement in einem Spritzgiess-Ob- jekt angeordnet sein. Das während dem Spritzgiessen injizierte Material stellt dabei eine stoffschlüssige Verbindung mit der thermoplastischen Matrix des faserverstärkten Tapes her.

In EP 3078475 Al ist ein Verfahren zur Herstellung eines mit mindestens einem Ver stärkungselement verstärkten Formelement mittels Spritzgiessen und ein mit diesem Verfahren hergestellter Körper offenbart. In einem ersten Schritt wird ein endloser, fla cher Roving mit einer Schmelze eines ersten thermoplastischen Polymers zu einem Fa serbändchen imprägniert. Anschliessend wird ein Klebemittel auf das Faserbändchen bereichsweise aufgebracht und in eine Form gelegt. Das zweite thermoplastische Poly mer wird mittels Spritzgiess-Verfahren in die Form gefördert. Vorzugsweise entfaltet das Klebemittel eine Klebewirkung erst bei Erwärmung auf nicht niedriger als 20°K unterhalb des Schmelztemperaturbereichs des Klebemittels.

Die mit diesem Verfahren hergestellte Produkte finden Verwendung zur Herstellung von Automobilteilen sowie von Industrie- und Konsumgütern, wie zum Beispiel Sport geräten. In WO 2014076061 Al ist ein Spritzgussformteil gezeigt, welcher einen Grundkörper aus zumindest einem thermoplastischen Kunststoff und ein mit Endlosfasern versehe nes Verstärkungselement aufweist. Das Verstärkungselement ist vorgesehen, in Form einzelner Flächenelemente ausgeführt zu sein. Die Endlosfasern des Verstärkungsele ments können unidirektional oder bidirektional vorliegen. Die Verstärkungselemente können einseitig in einem Oberflächenbereich des Spritzgussformteiles ein- oder ange formt sein, oder in gegenüberliegenden Oberflächenbereichen des Spritzgussformteils. Die Verstärkungselemente können sich flächenparallel zur Oberfläche des Spritzguss formteils erstrecken, wobei sie insbesondere bündig zur Oberfläche des Spritzguss formteils verlaufen können.

AUFGABE

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen alternaüven flächigen Körper aus faserverstärktem Kunststoff als Teil eines Sportgeräts zur Kraftübertragung mit tieferen Herstellungskosten vorzuschlagen. Ferner ist es eine Aufgabe der Erfin dung, von den mechanischen Eigenschaften der Fasern in einem flächigen Körper aus faserverstärktem Kunststoff als Teil eines Sportgeräts zur Kraftübertragung gezielt Ge brauch zu machen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist das Aufzeigen eines Verfah rens zur Herstellung eines solchen Körpers.

BESCHREIBUNG

Die Aufgabe wird gelöst mit einem flächigen Körper aus faserverstärktem Kunststoff als Teil eines Sportgeräts zur Kraftübertragung mit den Merkmalen des Patentan spruchs 1. Weiterbüdungen und/ oder vorteilhafte Ausführungs _Varianten sind Gegen stand der abhängigen Patentansprüche.

Die Erfindung bezieht sich auf einen flächigen Körper aus faserverstärktem Kunststoff als Teil eines Sportgeräts zur Kraftübertragung, wobei der flächige Körper eine Kunst stoffmatrix und in der Kunststoffmatrix aufgenommene Fasern aufweist und im Spritz giessverfahren hergestellt ist. Erfindungsgemäss ist die Oberfläche mindestens eine der zwei Flachseiten des Körpers mindestens bereichsweise durch ein unidirektionales Fa sergelege gebildet. Die hauptsächlich auf Biegung beanspruchte Richtung eines flächigen Körpers ist in der Regel jene, welche senkrecht zur Flachseite des Körpers steht. Das Einbringen von Endlosfasern in der Oberfläche dieser Flachseiten ermöglicht das Biegeverhalten des Körpers zu verändern. Die Verwendung von unidirektionalem Faser gelege, das mindestens bereichsweise die Oberfläche der Flachseiten bildet, er- möglicht die opümale Nutzung der Faser-Eigenschaften zur Verbesserung des Biege verhaltens eines flächigen Körpers. Die Beanspruchung eines flächigen Körpers auf Biegung verursacht auf einer Flachseite eine Beanspruchung auf Zug, während die ge genüberliegende Seite auf Druck beansprucht wird. Die in Kunststoffen eingebetteten Fasern weisen ein ausgeprägt anisotropes Verhalten zur Aufnahme von Kräften auf und haben hervorragende Eigenschaften zur Aufnahme von Zugkräften in Richtung der Fasern. Der Erfindungsgegenstand zielt unter anderem darauf hin, von dieser Ei genschaft der in einem Kunststoff eingebetteten Fasern maximalen Gebrauch zu ma chen, indem unter anderem die Richtung der Fasern im Kunststoff- Körper derart ge wählt ist, dass die Fasern die aufgrund der Biegung des Kunststoff-Körpers entstehen- den Zugkräfte aufnehmen können. Die gezielte Ausrichtung der Fasern führt zu einer möglichst effektiven Verwendung der Fasern und damit zu möglichst tiefen Herstel- lungskosten eines faserverstärkten Kunststoff-Körpers, welcher als Teil eines Sportge räts zur Kraftübertragung dient.

Für das Spritzgiessverfahren, mit welchem der flächige Körper hergestellt wird, wird ein Polymer verwendet, welches gleichartig zum auf den Fasern des unidirektionalen Fasergeleges imprägnierten Polymer ist.

Um die Biegesteifigkeit eines flächigen Körpers zu erhöhen muss das axiale Flächenmo ment 2. Grades und somit auch das Widerstandsmoment erhöht werden. Für Recht eckige Elemente gilt folgende Beziehung:

I : Flächenmoment 2 Grades, b= Breite h = Höhe der Rechtecks.

Aufgrund der Seitenverhältnisse gilt für die Vorrichtungen dieser Erfindung somit ver einfachend die Beziehung I _Vorrichtung ~ a³ wobei a Abstand der Randfaser bzw. Oberfläche der Endlosfaserverstär kung zur Biegeachse ist.

Bei der Durchbiegung des flächigen Körpers spielt nebst dem Flächenmoment auch das Elastizitätsmodul eine bedeutende Rolle. Die Durchbiegung wird durch die Lösung der folgenden Differentialgleichung bestimmt:

M = —E I w" , mit M = Biegemoment, E = Elastizitätsmodul und w = Durchbiegung

Diese Gleichung sagt aus, dass je höher das Elastizitätsmodul und das axiale Flächen moment sind, desto geringer die Krümmung des flächigen Körpers ist. Eine geringe Krümmung bedeutet eine geringe Durchbiegung über eine gewisse Länge. Dies wird mit einer hohen Biegesteifigkeit erreicht. Eine hohe Biegesteifigkeit wird wiederum durch das Anordnen von Endlosfasern, die parallel zur Biegeachse aber auch möglichst weit von dieser entfernt zu liegen kommen, erzielt. Demzufolge müssen in einem flächi gen Körper die Fasern möglichst nahe an der Oberfläche der Flachseiten des Körpers zu liegen kommen. Vorteilhafterweise sind beide Flachseiten des flächigen Körpers durch ein unidirektio nales Fasergelege gebildet. Dies ermöglicht es, auf beiden Flachseiten eines flächigen Körpers von den Eigenschaften der Fasern Gebrauch zu machen. Das Widerstandsmo ment in beide Richtungen senkrecht zur Flachseite wird dadurch erhöht.

Die Biegeeigenschaften eines Körpers können gezielt durch die Vorausbestimmung der Verschiebung w mit Hilfe folgender Formel beeinflusst werden:

Die Biegesteifigkeit der gesamten Vorrichtung E I setzt sich aus der Biegesteifigkeit des als Matrix eingesetzten Kunststoffs und derjenigen der Endlosfaserverstärkung in Line arkombination zusammen. In einer bevorzugten Ausführungsform bildet der Bereich der Flachseite des Körpers, der durch ein unidirektionales Fasergelege gebildet ist, mindestens 40%, vorzugsweise mindestens 60%, der Fläche der Flachseite. Eine gezielte Steuerung der Biegesteifigkeit des flächigen Körpers erfolgt durch geometrische Reduküon der Flächenbereiche des unidirektionalen Fasergeleges. Das Verhältnis der Flächen mit einem unidirektionalen Fasergelege zur Gesamtfläche der Flachseite definiert einen Geometriefaktor, welcher für die Bestimmung des Biegeverhaltens eines flächigen Körpers mit der Biegesteifig keit multipliziert wird. Die Auswahl der Bereiche auf der Flachseite, welche aus unidi- rektionalem Fasergelege gebildet sind, beeinflusst auch die Torsionsfesügkeit des flä chigen Körpers. Nebst einer gewünschten Biegefestigkeit kann auch eine gewünschte Torsionsfestigkeit als Grundlage zur Bestimmung der Bereiche dienen, welche durch unidirektionale Fasergelege abzudecken sind.

Vorteilhafterweise weist der flächige Körper eine thermoplastische Matrix auf. Die Verwendung eines thermoplastischen Polymers ermöglicht eine einfachere Herstellung des flächigen Körpers. Das thermoplastische Polymer stellt für die Verwendung in ei nem Spritzgiess verfahren den idealen Kunststoff dar. Wie bereits oben erwähnt, wird die Biegesteifigkeit durch das Produkt aus dem Elastizitätsmodul E und dem Flächen moment I gebildet. Die Auswahl des Polymers hat einen direkten Einfluss auf die Bie gesteifigkeit des flächigen Körpers. Idealerweise weist das im flächigen Körper ver wendete Polymer einen E-Modul von 1000 MPa bis 20' 000 MPa auf.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das unidirektionale Fasergelege jeweils als Tape zur Verfügung gestellt. Idealerweise handelt es sich beim Tape um ein flexibles Tape. Der Gebrauch eines Tapes als Ausgangsmaterial für das unidirektionale Faserge- lege erlaubt die Nutzung von im Markt üblichen und leicht erhältlichen Standardpro dukten. Durch die einfache Zugänglichkeit und grosse Verfügbarkeit solcher Tapes werden die Kosten für die Herstellung des flächigen Körpers reduziert. Die Dicke des Tapes wird so gewählt, dass eine Flexibilität des Tapes stets gewährleistet ist und das Tape auf einer Rolle auf gerollt sein kann. Die Dicke des Tapes und somit auch dieje nige des unidirektionalen Fasergeleges liegt zwischen 0.1 und 1.0 mm.

Die Flächen der Flachseiten des flächigen Körpers sind zusammen bevorzugt mindes tens 5-mal grösser als die Gesamtfläche der restlichen Seiten zusammen. Der Einfluss der Fasern eines unidirektionalen Fasergeleges, welches mindestens bereichsweise eine Flachseite eines Körpers bildet, kommen zum Tragen solange diese Flachseite grössenmässig eine dominierende Seite im Körper einnimmt. Diese Dominanz ist ge währleistet, wenn die Summe der Fläche der Flachseiten zusammen um mindestens 5- mal grösser ist als die Gesamtfläche der restlichen Seiten.

Vorzugsweise beträgt das Verhältnis der Länge zur Dicke des flächigen Körpers min destens 5. Da es sich um einen flächigen Körper handelt, stellt die maximale Ausdeh nung einer Flachseite die Länge des flächigen Körpers dar. Die Dicke des flächigen Körpers ist die Ausdehnung senkrecht zur Flachseite des Körpers. Das unidirektiona- len Faser gelege, welches mindestens eine von zwei Flachseiten eines flächigen Körpers mindestens bereichsweise bildet, beeinflusst die Biegesteifigkeit eines flächigen Kör pers stärker, wenn dieser ein Verhältnis seiner Länge zu seiner Dicke von mindestens 5 aufweist.

In einer weiter bevorzugten Ausführungsform beträgt die Wandstärke des flächigen Körpers maximal 20 mm, insbesondere maximal 15 mm. Die Anwendung der Erfin dung beschränkt sich auf flächige Körper, welche in einer möglichen Ausführung eine eingeschränkte Wandstärke aufweisen können.

Vorteilhafterweise sind die Fasern des unidirektionalen Fasergeleges Kohlenstofffa sern. Die Kohlenstofffasern bringen gegenüber anderen Materialien den Vorteil mit sich, dass sie einen kleineren Durchmesser aufweisen können. Zusätzlich haben sie aufgrund ihrer geringen Dichte eine geringe Masse, was sich vorteilhaft auf das Ge wicht des flächigen Körpers auswirken kann. Vorstellbar ist, dass die Fasern Glasfa sern oder auch Naturfasern sein können. Die Auswahl des Materials für die Fasern kann auch auf die Dicke des unidirektionalen Fasergeleges Einfluss haben.

Das unidireküonale Fasergelege weist vorzugsweise einen Faseranteil von 30% bis 70%, insbesondere von 50% bis 70%, auf. Die Fasern nehmen mehrheitlich die auf den flächigen Körper wirkenden Kräfte auf, während die Kunststoff-Matrix für den Ver bund und den Zusammenhalt der Fasern innerhalb des Kunststoff-Körpers sorgt. Ein optimaler Bereich des Anteils von Fasern gegenüber der Matrix, in welchem die Vor züge beider Werkstoffe zum Tragen kommen, wird angestrebt. Bevorzugt verläuft die Richtung der Fasern im unidirektionalen Fasergelege derart, dass eine gewünschte Biegesteifigkeit des flächigen Körpers zustande kommt. Eine Einstel lung des Faserwinkels a, welcher einen Winkel der Hauptachse und der Fasern im un idirektionalen Faser gelege dar stellt, ist von der Kontur des flächigen Körpers und der Hauptbelastungsrichtung der Biegebeanspruchung des flächigen Körpers abhängig. Die gewünschten Biegeeigenschaften durch Einstellung des Faserwinkels a lässt sich durch Finite-Elemente-Simulaüon oder durch empirische Tests ermitteln.

Der Faserwinkel a definiert den Winkel zwischen der Richtung der unidirektionalen Fasern und der Verbindungslinie zwischen dem Flächenschwerpunkt des Einspannbe reichs des flächigen Körpers und dem Punkt der maximalen Auslenkung durch die Biegebelastung durch Krafteinwirkung auf den flächigen Körper. Der Flächenschwer punkt des Einspannbereichs ist entweder mechanisch durch die Anbindung des flächi gen Körpers an das Sportgerät mit einer Aufnahmevorrichtung oder durch den Punkt des manuellen Ergreifens des Körpers durch einen Sportler gebildet. Die Fasern weisen hervorragende Eigenschaften zur Aufnahme von Zugkräften auf, und können deshalb mithilfe des oberflächennahen Anbringens und der gezielten Ausrichtung des Faser winkels a die Biegesteifigkeit erheblich beeinflussen, und somit hinsichtlich der ge wünschten Eigenschaften des flächigen Körpers und damit des Sportgeräts wirken. Auch wird somit die Möglichkeit geschaffen, gezielt und kostengünstig Varianten des flächigen Körpers und somit des Sportgeräts hinsichtlich Biegeverhalten und damit für den Sportler spürbare Flexibilitätsunterschiede je nach Neigung des Sportlers zu er möglichen.

Für eine maximale Ausnutzung der Fasern hinsichtlich der Steigerung des Biegewider standes beträgt der Faserwinkel 0°.

Vorzugsweise ist eine Verbindungslinie zwischen dem Punkt der maximalen Auslen kung im Körper und dem Flächenschwerpunkt des Einspannbereichs des flächigen Körpers definiert und der Faserwinkel a zwischen der Richtung der unidirektionalen Fasern und dieser Ver bindungslinie beträgt maximal 25°, vorzugsweise maximal 20°.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines flächigen Kunststoffkörpers als Teil eines Sportgeräts, bei welchem mindestens eine der zwei gegenüberliegenden Hachseiten des Kunststoffkörpers mindestens bereichsweise durch ein unidirektionales Fasergelege gebildet ist. Die Herstellung weist folgende Verfahrensschritte auf; das unidirektionale Fasergelege wird in Form der Flachseite des flächigen Kunststoffkörpers aus einem flexiblen Tape ausgeschnitten, eine vorzugsweise aus zwei Hälften bestehende Spritzgiessform mit einem dem herzustellenden Kunststoffkörper entsprechenden Hohlraum wird her gestellt, das ausgeschnittene Fasergelege wird in die Spritzgiessform eingelegt und an eine Formhälfte angelegt, die Spritzgiessform wird geschlossen und mit einem thermoplastischen Kunst stoff ausgespritzt und danach wird der Kunststoffkörper entnommen.

Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern im flexiblen Tape unidirek- tional gerichtet und vorzugsweise Kohlestofffasern sind.

Vorteilhafterweise sind beide gegenüberliegenden Flachseiten des herzustellenden Kunststoffkörpers durch ein unidirektionales Fasergelege gebildet.

Genannte optionale Merkmale können in beliebiger Kombination verwirklicht werden, soweit sie sich nicht gegenseitig ausschliessen. Insbesondere dort wo bevorzugte Berei che angegeben sind, ergeben sich weitere bevorzugte Bereiche aus Kombinationen der in den Bereichen genannten Minima und Maxima. KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Be schreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezugnahme auf schema tische Darstellungen. Es zeigen in nicht massstabsgetreuer, schematischer Darstellung:

Figur 1: eine Seitenansicht einer Surfboard-Finne mit einer Seitenfläche, die bereichsweise durch ein unidirektionales Fasergelege gebildet ist;

Figur 2: die gleiche Ansicht der Finne wie in Figur 1 mit symbolischer Dar stellung der Richtung der Fasern; Figur 3: ein horizontaler Schnitt durch die Surfboard-Finne aus Figur 1 und

2;

Figur 4: eine Seitenansicht einer weiteren Finne mit zwei Bereichen auf der Flachseite ohne unidirektionalen Fasergelegen;

Figur 5: eine Draufsicht auf ein Paddelblatt mit einer Aufnahmevorrichtung für einen Schaft;

Figur 6: eine Seitenansicht des Paddelblattes aus Figur 5 mit Darstellung des Bereichs des unidirektionalen Fasergeleges und der Richtung der Fa sern;

Figur 7: eine Seitenansicht eines Hockeyschlägers mit einer Kelle, die be reichsweise ein unidirektionales Fasergelege aufweist; und

Figur 8 eine zweidimensionale Darstellung zur Beschreibung des Faserwin- kels a in einem flächigen Körper.

DETAILIERTE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Im Folgenden stehen gleiche Bezugsziffern für gleiche oder funktionsgleiche Elemente (in unterschiedlichen Figuren). Ein zusätzlicher Apostroph kann zur Unterscheidung gleichartiger bzw. funktionsgleicher oder funktionsähnlicher Elemente in einer weiteren Ausführung dienen.

In Figur 1 ist eine Finne 11 gezeigt, welche idealer weise an einem Surfbrett (hier nicht gezeigt) angebracht wird. Die Seitenansicht der Finne 11 in Figur 1 weist auf eine drei ecksähnliche Form der Finne 11 hin. Die längste Kante der Finne 11 ist die Angriffskante 13. Von den zwei kürzeren Kanten ist jene die Grundkante 15, welche auf dem Surfbrett zu liegen kommt. Die Hinterkante 17 ist beinahe gleich lang wie die Grundkante und schliesst mit dieser beinahe einen rechten Winkel ein. Die Finne 11 wird an ihrer Grund seite am Surfbrett angebracht. Die Grundseite der Finne 11 ist jene Seite, an welcher sich die Grundkante 15 befindet und senkrecht zur Darstellungsebene liegt. An der Grund seite der Finne 11 sind zwei lippenartige Vorsprünge unterschiedlicher Länge vorgesehen, welche in dafür vorgesehenen Aussparungen an einem Surfbrett eingreifen und für die Befestigung der Finne 11 am Surfbrett sorgen. Die Hinterkante 17 weist eine Biegung in Richtung nach innen der Dreiecksfläche auf. Die Angriffskante 11 weist im Bereich vor dem Schnittpunkt mit der Hinterkante 17 ebenfalls eine Biegung auf, wodurch die Hinterkante 17 kürzer zu stehen kommt als wenn die Angriffskante 13 ge rade wäre.

Die Fläche, welche von den drei oben beschriebenen Kanten 13,15,17 aufgespannt wird, stellt die Flachseite 21 und somit die grösste Fläche der Finne 11 dar. Ein Bereich 23 die ser Flachseite 21 ist durch ein unidirektionales Fasergelege gebildet. Im Weiteren wird der Bereich, welcher die Oberfläche der Flachseite mit dem unidirektionalem Faserge lege bildet, als faserverstärkter Bereich 23 bezeichnet.

In Figur 2 ist die Finne 11 in der gleichen Ansicht wie in Figur 1 gezeigt, jedoch ist zu sätzlich die Richtung der Fasern 25 im faserverstärkten Bereich 23 der Flachseite 21 dar gestellt. Die dargestellten Fasern 25 entsprechen nicht der gesamten Anzahl Fasern im faserverstärkten Bereich 23, sondern sollen lediglich die Richtung der Fasern 25 darstel len. Entgegen der Darstellung in Figur 2 ist der faserverstärkte Bereich 23 der Flachseite 21 vollständig mit Fasern versetzt. Die Fasern 25 verlaufen parallel zueinander und er strecken sich idealerweise von einem Rand bis zum anderen Rand des faserverstärkten Bereichs 23. Je nach Ausrichtung der Fasern kann eine Faser von einem Rand bis zum gegenüberliegenden Rand oder auch bis zum benachbarten Rand des faserverstärkten Bereichs 23 verlaufen.

Der faserverstärkte Bereich 23 deckt einen besümmten Bereich der Flachseite 21 der Finne 11 ab. Dieser Bereich wird derart gewählt, dass sowohl die Biegesteifigkeit als auch die Torsionssteifigkeit der Finne 11 ein gewünschtes Verhalten aufzeigen. In der in Figur 1 und 2 gezeigten Finne 11 ist dieser Bereich nebst der Angriffskante 13 und der Grundkante 15 durch einen zusätzlichen Rand 27 aufgespannt. Der zusätzliche Rand 27 definiert die Trennung vom faserverstärkten Bereich 23 zum nicht faserverstärkten Be reich der Flachseite 21 der Finne. Der zusätzliche Rand 27 ist beinahe parallel zur Hin terkante 17 angeordnet und schneidet die Grundkante 15. In Figur 3 ist eine zur Grundseite paralleler etwa mittig angesetzter Schnitt durch die Finne 11 gezeigt. Der faserverstärkte Bereich 23 erstreckt sich über die längere Kante 13 auf beide Flachseiten 21,21' der Finne 11. Die Trennungslinie in der Figur 3 zwischen dem faserverstärkten Bereich 23 und dem restlichen Körper dient lediglich der Veran schaulichung der Dimension des faserverstärkten Bereichs 23 und ist im realen Gegen stand so nicht vorzufinden. Der Grund dafür liegt darin, dass die Kunststoff-Matrix des faserverstärkten Bereichs 23 derjenige Kunststoff ist, aus dem auch der flächige Körper hergestellt ist.

In Figur 4 ist die gleiche Finne wie in Figur 1 gezeigt, wobei bei dieser Finne 11 das unidirektionale Fasergelege einen anderen Bereich der Flachseite der Finne 11 abdeckt. In dieser Ausführung gibt es zwei Ränder 27,27', welche eine Trennung des faserver stärkten Bereichs zum nicht faserverstärkten Bereich bilden. Der erste Rand 27 verläuft auch in dieser Ausführung von der Hinterkante 17 zur Grundkante 15. Dabei nimmt er eine Form an ähnlich einem Viertelkreis mit dem Schnittpunkt der beiden kurzen Kan ten 15,17 als dessen Mittelpunkt. Der zweite Rand 27' weist ebenfalls eine kreisbogen ähnliche Form auf, jedoch verläuft dieser von der Angriffskante 13 zur Hinterkante 17 und der Schnittpunkt dieser Kanten definiert etwa den Mittelpunkt dieses Kreisbogens. Die Auswahl eines unterschiedlichen Bereichs für die Abdeckung der Flachseite 21 einer Finne 11 mit einem unidirektionalen Fasergelege führt zu einem unterschiedlichen Ver halten der Finne 11 in Bezug auf Biegung und Torsion. Denn sowohl die Biegefestigkeit als auch Torsionsfestigkeit der Finne 11 wird durch die faserverstärkte Kunststoff-Lage in ihrer Oberfläche geändert. Mit der Richtung der Fasern 25 und des abzudeckenden Bereichs 23 der Flachseite 21 eines Körpers mit unidirektionalem Fasergelege kann ge zielt eine bestimmte Biege- und Torsionsfestigkeit erzielt werden.

In Figur 5 ist ein Paddelblatt 31 abgebildet. Das Paddelblatt 31 verfügt über eine Vor richtung 33 zur Aufnahme eines Schafts (hier nicht gezeigt). Die Aufnahme Vorrichtung 33 ist derart angeordnet, dass der Schaft des Paddels in Längsrichtung des Paddelblatts 31 in die Aufnahmevorrichtung 33 eingeführt werden kann. Das Paddelblatt 31 weist eine leichte Krümmung auf. Die innere Seite des gekrümmten Paddels ist die Unterseite 35, woraufhin die äussere Seite des gekrümmten Paddels die Oberseite 37 des Paddels definiert. In Figur 6 ist eine Aufsicht des Paddelblatts 31 aus Figur 5 dargestellt, wobei es sich bei der gezeigten Seite um die Unterseite 35 des Paddelblatts handelt. Der Grundriss des Paddelblattes 31 weist eine rechteckige Form mit abgerundeten Ecken auf. Die Aufnah mevorrichtung 33 für den Schaft ist an einer breiten Seite in etwa dessen Mitte angeord net. Das Paddelblatt 31 nimmt in Richtung zur Aufnahmevorrichtung 33 eine konstante Reduzierung seiner Breite vor.

Die Unterseite 35 ist in zwei Bereiche unterteilt. Der grössere Bereich ist schraffiert und bildet den Bereich 23, in welchem die Aussenfläche durch ein unidirektionales Faserge lege gebildet ist. Die Schraffur in diesem Bereich deutet auf die Richtung der zueinander parallel verlaufenden Fasern 25 hin. Sie verlaufen im Allgemeinen in Längsrichtung des Paddelblatts 31, weisen aber einen kleinen Winkel gegenüber der Längsrichtung des Paddelblatts auf, wobei die Längsrichtung des Paddelblatts durch die Mittelachse 39 der zylindrisch geformten Aufnahmevorrichtung 33 bestimmt wird. An der gegenüberlie genden Seite der Aufnahmevorrichtung 33 des Paddelblatts 31 sind Bereiche vorgese hen, welche keine mit Fasern verstärkte Oberfläche aufweisen. Der Gegenstand weist in Abhängigkeit der Bereiche, welche eine Oberfläche mit oder ohne unidirektionalem Fa sergelege umfasst, eine unterschiedliche Biegesteifigkeit auf, was wiederum zu einem unterschiedlichen Biegeverhalten führt. Durch die Auswahl der Bereiche auf der Flach seite 21 eines Gegenstandes, deren Aussenfläche durch ein unidirektionales Fasergelege gebildet ist, kann dessen Biege- und Tor sions verhalten gezielt gesteuert werden.

In Figur 7 ist ein Teil eines Sportgeräts gezeigt, welches im Gegensatz zu den vorherigen Ausführungsbeispielen nicht für die Verwendung im Wasser vorgesehen ist. Dabei han delt es sich um einen Hockeyschläger 41, wobei der Schaft 43 des Hockeyschlägers 41 nur teilweise abgebildet ist. Die Kelle 45 weist eine rechteckige Form mit abgerundeten Ecken auf. An einer Ecke der Kelle ist eine Aufnahmevorrichtung 47 für den Schaft 43 vorgesehen. Diese nimmt den Schaft 43 derart ein, dass der Schaft 43 und die Längsachse der Kelle 45 in einem Winkel von ungefähr 120° zu stehen kommen. Die Kelle 45 weist in besümmten Bereichen ihrer Flachseite 21 eine faserverstärkte Lage 23 als Aussenflä che auf. Diese Bereiche sind in Figur 7 durch eine Schraffur gekennzeichnet. Die Linien der Schraffur zeigen die Richtung der Fasern 25 auf. Die Kelle 45 weist an all ihren Ecken bis auf diejenige, an welcher die Aufnahmevorrich tung 47 angebracht ist, Bereiche auf, in welchen die Aussenfläche nicht durch ein unidi- rektionales Fasergelege gebildet ist. Auch innerhalb der Flachseite 21 sind drei schmale Bereiche der Aussenfläche vorhanden, welche frei von einem unidirektionalen Faserge lege sind. Diese Bereiche sind als schmale Rechtecke geformt, deren Breite durch einen Halbkreis gebildet wird. Die Fängsseite der schmalen Rechtecke verlaufen parallel zur Fängsseite der Kelle 45. Die drei schmalen Bereiche sind alle gleich lang und untereinan der angeordnet.

In Figur 8 ist eine mögliche Ausrichtung der Fasern 25 gegenüber der Verbindungslinie gezeigt, wobei die Verbindungslinie 52 den Flächenschwerpunkt 49 des Einspannbe reichs 48 mit dem Punkt der maximalen Auslenkung durch die Biegebelastung 51 ver bindet. Der Faserwinkel 50 ist als der Winkel zwischen der Faserrichtung 25 und der Verbindungslinie 52 definiert.

Die Herstellung einer wie in Figur 1 - 4 gezeigten Finne erfolgt folgendermassen:

Von einem flexiblen Tape werden unidirektionale Fasergelegen ausgeschnitten, welche die Form der Flachseiten 21 der Finne 11 aufweisen. Beim Ausschneiden der Stücke ist darauf zu achten, dass die Richtung der Fasern 25 in den ausgeschnitten Stücken so ver läuft, wie später auf der Finne 11 gewünscht. Mindestens auf einer Seite der ausgeschnit ten Stücke ist ein thermoplastisches Polymer imprägniert.

Falls nicht bereits vorhanden, wird eine Spritzgiessform her gestellt, welche idealerweise aus zwei Hälften besteht und einen der herzustellenden Finne 11 entsprechenden Hohl raum aufweist. Mit Hilfe von Haltevorrichtungen werden die zuvor von einem flexiblen Tape ausgeschnitten Fasergelegen in der Spritzgiessform angeordnet, so dass die Seiten der Fasergelegen mit dem imprägnierten thermoplastischen Polymer entgegengesetzt zueinander orientiert sind. Die Spritzgiessform wird geschlossen, indem die beiden Hälften aufeinander zu liegen kommen. Vom gleichen thermoplastischen Polymer, wie er auf den Fagen imprägniert ist, wird in die Spritzgiessform injiziert. Die Plastifizie rung der thermoplastisch imprägnierten Schicht auf den Fagen führt zu einem Verbund mit dem injizierten thermoplastischen Polymer. Nach Abkühlen des Polymers entsteht ein einheitlicher Körper in Gestalt einer Finne 11, dessen Flachseiten 21 bereichsweise durch unidirektionale Fasergelege gebildet sind. Das Öffnen der Spritzgiessform ermög licht die Entnahme der fertig hergestellten Firme 11 und schliesst somit den Herstel- lungsprozess ab.

Analog zum oben beschriebenen Vorgehen gestaltet sich die Herstellung aller übrigen erdenklichen Ausführungsmöglichkeiten. Falls nur eine Flachseite eines Gegenstandes unidirektionales Fasergelege aufweisen soll, wird bei der Herstellung nur ein vom fle xiblen, unidireküonalen Tape ausgeschnittenes Fasergelege in eine der beiden Haltevor richtungen der Spritzgiessform eingelegt. Die restlichen Verfahrensschritte bleiben gleich. W ährend die Erfindung vorstehend unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsfor men beschrieben wurde, ist es offensichtlich, dass Änderungen, Modifikationen, Varia tionen und Kombinationen ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen gemacht wer den können.

BEZUGSZEICHENLISTE:

11 Finne 13 Längskante der Finne 15 Erste Kurzkante der Finne 17 Zweite Kurzkante der Finne

21,21' Flachseite eines flächigen Körpers

23 Faserverstärkter Bereich der Flachseite 25 Fasern

27, 27', 27 Rand des faserverstärkten Bereichs 31 Paddelblatt 33 Aufnahmevorrichtung 35 Unterseite des Paddelblatts 37 Oberseite des Paddelblatts 39 Mittelachse der Aufnahmevorrichtung 41 Hockeyschläger 43 Schaft des Hockeyschlägers 45 Kelle des Hockeyschlägers

47 Aufnahmevorrichtung für Schaft

48 Einspannbereich

49 Flächenschwerpunkt

50 Faserwinkel a

51 Punkt der max. Auslenkung durch Biegebelastung

52 Verbindungslinie

Claims

ANSPRÜCHE

1. Flächiger Körper (11,31,41) aus faserverstärktem Kunststoff als Teil eines Sport geräts zur Kraftübertragung, wobei der flächige Körper (11,31,41) eine Kunst stoffmatrix und in der Kunststoffmatrix aufgenommene Fasern aufweist und im Spritzgiessverfahren hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche mindestens eine der zwei Flachseiten (21) des Körpers min destens bereichsweise durch ein unidirektionales Fasergelege gebildet ist.

2. Flächiger Körper (11,31,41) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche beider Flachseiten (21) des flächigen Körpers (11,31,41) durch ein unidirektionales Fasergelege gebildet ist.

3. Flächiger Körper (11,31,41) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der Flachseite (21) des flächigen Körpers (11,31,41), der durch ein unidirektionales Fasergelege gebildet ist, mindestens 40%, vorzugsweise mindestens 60%, der Fläche der Flachseite (21) bildet.

4. Flächiger Körper (11,31,41) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, dass der flächige Körper (11,31,41) eine thermoplastische Matrix auf weist.

5. Flächiger Körper (11,31,41) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, dass das unidirektionale Fasergelege jeweils als Tape zur Verfügung gestellt ist.

6. Flächiger Körper (11,31,41) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, dass die Fläche der Flachseiten (21) des flächigen Körpers (11,31,41) zusammen mindestens 5-mal grösser sind als die Gesamtfläche der restlichen Seiten zusammen.

7. Flächiger Körper (11,31,41) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, dass das Verhältnis der Länge zur Dicke des flächigen Körpers (11,31,41) mindestens 5 beträgt.

8. Flächiger Körper (11,31,41) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, dass die maximale Wandstärke des flächigen Körpers (11,31,41) 20 mm, insbesondere 15 mm, beträgt.

9. Flächiger Körper (11,31,41) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, dass die Fasern des unidireküonalen Fasergeleges Kohlenstofffasern sind.

10. Flächiger Körper (11,31,41) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn zeichnet, dass das unidirektionale Fasergelege einen Faseranteil von 30% bis 70% aufweist.

11. Flächiger Körper (11,31,41) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge kennzeichnet, dass die Richtung der Fasern im unidireküonalen Fasergelege derart verläuft, dass eine gewünschte Biegesteifigkeit des flächigen Körpers (11,31,41) zustande kommt.

12. Flächiger Körper (11,31,41) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge kennzeichnet, dass eine Verbindungslinie zwischen dem Punkt der maximalen Auslenkung im Körper und dem Flächenschwerpunkt des Einspannbereichs des flächigen Körpers definiert ist und der Faserwinkel a zwischen der Richtung der unidirektionalen Fasern und die ser Verbindungslinie maximal 35°, vorzugsweise maximal 25°, beträgt.

13. Flächiger Körper (11,31,41) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge kennzeichnet, dass der flächige Körper eine Kelle und/ oder das Sportgerät ei nen Schläger, vorzugsweise einen Hockeyschläger, umfasst.

14. Verfahren zur Herstellung eines flächigen Kunststoffkörpers (11,31,41) als Teil eines Sportgeräts, bei welchem mindestens eine der zwei gegenüberliegenden Flachseiten (21) des Kunststoffkörpers mindestens bereichsweise durch ein Fasergelege gebildet ist, und folgende Verfahrensschritte aufweist; die Lage von Fasern wird in Form der Flachseite (21) des flächigen Kunststoff körpers (11,31,41) aus einem flexiblen Tape ausgeschnitten, eine vorzugsweise aus zwei Hälften bestehende Spritzgiessform mit einem dem herzustellenden Kunststoffkörper entsprechenden Hohlraum wird her gestellt, die ausgeschnittene Lage von Fasern wird in die Spritzgiessform eingelegt und an eine Formhälfte angelegt, die Spritzgiessform wird geschlossen und mit einem thermoplastischen Kunst stoff ausgespritzt und danach wird der Kunststoffkörper entnommen, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern im flexiblen Tape unidireküonal gerichtet und vorzugsweise Kohlestofffasern sind.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass beide gegenüber liegenden Flachseiten (21) des Kunststoffkörpers (11,31,41) durch ein unidirek- tionales Fasergelege gebildet sind.