THERMOVERFORMBARES VERBUNDMATERIAL

Die Erfindung betrifft ein thermoverformbares Verbundmaterial mit mindestens zwei Holzschichten und mindestens einer carbonfaserhältigen Schicht.

Weiters betrifft die Erfindung Gebrauchsgegenstände, wie beispielsweise Brillenmittelteile, Brillenbügel und allgemein Brillengestelle oder Armbänder bzw. Uhrenarmbänder.

Da Holz ein relativ günstiger Werkstoff mit sehr vorteilhaften Materialeigenschaften und sehr schönen optischen Eigenschaften ist, wurde schon lange Zeit versucht Holz auch für thermische Formgebungsverfahren zu nutzen. Hierbei sind jedoch große Probleme aufgetreten, da sich Holz nur sehr beschränkt bei Erhitzung formen lässt, und im Fall von Verbundmaterialien bei Erwärmung einzelne Holzschichten dazu neigen sich voneinander abzulösen. Daher war der Einsatz von Holz bei Gebrauchsgegenständen, bei welchen eine thermische Formbarkeit notwendig ist, wie beispielsweise Brillen, nur sehr beschränkt möglich.

Bei üblichen Brillengestellen aus Kunststoff, wird die thermische Verformbarkeit des Kunststoffes genutzt, um nach Erwärmen die Gläser in die Fassung einzufügen. Beim Abkühlen zieht sich der Kunststoff zusammen, und die Gläser sind somit über eine formund kraftschlüssige Verbindung in der Fassung gehalten.

Da Holz nachteiligerweise keine thermischen Materialeigenschaften wie Kunststoff aufweist, wurden Brillen aus Holz bisher mit Klemmschrauben hergestellt. Die Klemmschrauben sind in Unterbrechungen im Brillenmittelteil zum Einstellen der jeweiligen Rahmengröße angebracht und ermöglichen ein Einbringen der Gläser in die Fassung in einer aufgeschraubten Stellung. Nach Festziehen der Klemmschrauben zieht sich der Rahmen zusammen und die Gläser werden in der Brillenfassung gehalten.

In der WO 99/42676 A1 wird eine Möglichkeit der Verstärkung von Balken, Bindern, Trägern, Säulen bzw. stark belasteten Holzkonstruktionen vorgeschlagen, welche verschiedene Vorteile aufweisen soll. So fällt bei der Endbearbeitung von verstärkten Holzbauteilen teurer Abfall an, auch werden die Bearbeitungswerkzeuge stark beansprucht (vgl. Seite 2, Zeilen 20-25). Die Lösung gemäß der WO 99/42676 A1 besteht nun darin, dass an den Längsseiten der Verstärkungseinlagen schwächere Fasern vorgesehen werden (z.B. Hanf, Baumwolle, Polyester), vgl. Seite 3, Zeilen 12-25. Diese Fasern sind billiger und beanspruchen die zur Endbearbeitung eingesetzten Werkzeuge nicht so stark. Die Verstärkungseinlagen nehmen dabei etwa zwei Fünftel bis drei Fünftel der Länge des Bauteils ein (vgl. Seite 7, Zeilen 12-14) oder können auch über die gesamte Länge laufen. Jedenfalls sind an den Schmal(Breit-)seiten der Verstärkungseinlagen abschließend Holzteile vorgesehen (vgl. Seite 7, Zeilen 15-20). Dies bedeutet mit anderen Worten, dass die Verstärkungseinlage gemäß WO 99/42676 A1 nicht flächig über die gesamte Längs- und Breitenausdehnung des Bauteils vorgesehen ist, sondern im Bauteil eingeschlossen ist und keine homogene sich über die gesamte Fläche des Bauteils erstreckende Schicht darstellt. Demgemäß ist bei Erwärmung und Verformung eines Bauteils gemäß der WO 99/42676 A1 - sofern eine derartige Verformung aufgrund der Dicke des Bauteils überhaupt möglich sein sollte - jedenfalls kein gleichmäßiges Verschieben der einzelnen Schichten gegeneinander möglich.

Aus der EP 0 889 077 A1 ist ein carbonfaserverstärktes Holzmaterial bekannt, das zur Errichtung von großen Gebäuden, wie Schulen, Kirchen und auch Brücken verwendet werden soll. Für eine Erhöhung der Festigkeit von Holz sind einzelne Carbonfaserschichten vorgesehen, wobei diese nicht mit Hilfe eines Epoxyharzes als Bindemittel versehen sein dürfen, da Epoxyharz sehr temperaturempfindlich ist und schon bei geringer Erwärmung zähflüssig wird. Da bei diesem carbonfaserverstärktem äußerst festen Verbundmaterial keinesfalls eine thermische Verformbarkeit gegeben sein darf, da es ansonsten nicht als Baumaterial zu verwenden wäre, werden als Bindemittel resorcinhältige bzw. phenolhältige Verbindungen vorgeschlagen, durch deren Verwendung das Verbundmaterial auch bei Erwärmung äußerst starr bleibt.

In der GB 2 155 855 A schließlich wird ein Verbundmaterial geoffenbart, welches pyrolysierte Holzfurniere enthält. Gemäß Seite 1, Zeilen 49-56, werden hiefür drei spezifische Zusammensetzungen herangezogen, nämlich (a) die Verwendung von pyrolysierten Holzfurnieren für Faser-verstärkte Laminate, wobei gemäß Seite 2, Zeilen 32 bis 36, zur Bildung der Laminate zwei verschiedene Harzsysteme mit Härtern verwendet werden, (b) Holzlaminate ohne Faserverstärkung, jedoch mit einer pyrolysierten Holzfurnierschicht, welche wiederum mit Hilfe der zuvor genannten Harzzusammensetzung mit Härtern verbunden sind, sowie (c) Laminate ohne Faserverstärkung, welche mittels eines thermoplastischen Klebstoffes verbunden werden.

Ziel der Erfindung ist es hingegen ein Verbundmaterial der eingangs angeführten Art zu schaffen, das sich bei Erwärmung verformen lässt, etwa durch Verschieben der einzelnen Schichten gegeneinander, und das bei seiner Erstarrung seine kompakte Verformung beibehält, ohne dass sich einzelne Schichten voneinander lösen. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, Gebrauchsgegenstände, wie z.B. ein Brillengestell, zu schaffen, die im Wesentlichen aus Holz bestehen, wobei im Falle von Brillengestellen jedoch keine Klemmschraube zur Fixierung der Gläser vorgesehen sein muss.

Das Ziel wird erfindungsgemäß mit dem thermoverformbaren Verbundmaterial nach Anspruch 1 dadurch erreicht, dass zwischen den mindestens zwei Holzschichten mindestens eine Carbonfaserschicht vorgesehen ist, wobei die Schichten des sich über die gesamte Fläche der Schichten erstreckenden Verbundmaterials mittels eines thermisch erweichbaren Klebstoffes verklebt sind.

Auf diese Weise lassen sich die Schichten bei Erwärmung des Verbundmaterials gegeneinander verschieben und biegen, ohne dass ein Abblättern einer Holzschicht erfolgt. Daher kann mit Hilfe dieses Verbundmaterials vorteilhafterweise eine Vielzahl verschiedenster Gebrauchsgegenstände mit einem hohen Anteil an Holz hergestellt werden. In Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung weisen die Holzschichten vorzugsweise eine Dicke von etwa 0,1 - 1 mm auf.

Um ein möglichst isotropes Verbundmaterial zu erhalten, ist es vorteilhaft, wenn die Carbonfaserschicht einander kreuzende Carbonfasern aufweist.

Es wird vorteilhafterweise ebenfalls ein isotropes Verbundmaterial erhalten, wenn mindestens zwei Carbonfaserschichten vorgesehen sind, wobei die Carbonfasern einer Schicht zu den jeweils anderen Carbonfasern senkrecht stehen.

Um ein möglichst homogenes Verbundmaterial zu erhalten, bei dem die starke Inhomogenität von Holz ausgeglichen wird, ist es von Vorteil, wenn die Faserrichtungen der beiden jeweils an die mindestens eine Carbonfaserschicht angrenzenden Holzschichten senkrecht zueinander stehen.

Da das Verbundmaterial bei Erwärmung verformbar sein soll und nach Abkühlung wieder ein stabiles, kompaktes seine Verformung beibehaltendes Material bilden soll, ist es von Vorteil, wenn als Klebstoff zum Verkleben der Carbonfaserschicht(en) ein Polyurethanklebstoff vorgesehen ist, der die obengenannten Eigenschaften bei Erwärmung aufweist.

Für eine optisch unauffällige Schicht, welche trotzdem die gewünschte Verformbarkeit und Materialstabilität schafft, hat sich als günstig herausgestellt, wenn die Carbonfaserschicht eine Dicke von im Wesentlichen 0,2 mm aufweist.

Um eine kompakte Carbonfaserschicht zu schaffen, welche zuverlässig mit den angrenzenden Holzschichten verbunden werden kann und um ein Verbundmaterial zu schaffen, das bei Erwärmung verformbar ist, ist es vorteilhaft, wenn die Carbonfaserschicht mit Epoxyharz imprägniert ist.

Besonders günstige Materialeigenschaften weist ein Verbundmaterial auf, bei dem mindestens zwei Holzschichten zur Bildung eines Blocks direkt miteinander mittels eines thermisch erweichbaren, wasserfesten Holzleims verklebt sind, wobei die Faserrichtungen von benachbarten Holzschichten zueinander verdreht angeordnet sind. Da das Verbundmaterial thermisch verformbar sein soll, muss auch der mehrere Holzschichten verbindende Holzleim bei Erwärmung erweichen, und nach Abkühlen seine klebende Wirkung wiedererlangen. Um die anisotropen Eigenschaften von Holz auszugleichen, werden die Faserrichtungen der einzelnen Holzschichten verdreht zueinander angeordnet, um ein möglichst isotropes Verbundmaterial zu erhalten.

Wenn als Klebstoff zum Verkleben der mindestens zwei Holzschichten ein PVAc-Leim vorgesehen ist, erfolgt vorteilhafterweise eine schnelle Verbindung zwischen den Holzschichten und es sind nur äußerst kurze Presszeiten zum Fügen der Holzschichten notwendig.

Ein äußerst isotropes Verbundmaterial erhält man, wenn die Faserrichtungen der Holzschichten in einem Block sternförmig angeordnet sind, da hierdurch die sehr unterschiedlichen Materialeigenschaften von Holz in bzw. quer zur Faserrichtung ausgeglichen werden. Sollte daher ein Block mit zwei Holzschichten vorliegen, so sind diese senkrecht zueinander angeordnet, bei vier Holzschichten wären die Faserrichtungen um jeweils 45° zueinander verdreht, bei sechs Holzschichten um 30°, usw.. Durch diese sternförmige Anordnung wird somit ein äußerst homogenes Verhalten des Verbundmaterials erreicht.

Für eine gute Isotropie des Verbundmaterials bei nicht allzugroßem Fertigungsaufwand, hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn ein aus 2 bis 6 Holzschichten bestehender Block zwischen zwei Carbonfaserschichten vorgesehen ist.

Für die Herstellung eines Brillenmittelteils aus dem Verbundmaterial ist es günstig, wenn an eine Carbonfaserschicht eine aus einer Holzschicht bestehende Dekorschicht und an die andere Carbonfaserschicht ein aus bis zu 20 Holzschichten bestehender Endblock angrenzt, da in dem Endblock ein Scharniergelenk für die gelenkige Verbindung mit dem Brillenbügel anzubringen ist bzw. im Mittelteil die Nasenauflage einstückig hergestellt werden kann. Ein derartiges Verbundmaterial weist dabei vorzugsweise eine gesamte Dicke von bis zu 1,5 cm auf.

Der erfindungsgemäße Gebrauchsgegenstand der eingangs angeführten Art, ist dadurch gekennzeichnet, dass er zumindest teilweise aus einem Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 12 besteht. Durch Einsatz des Verbundmaterials ist der Gebrauchsgegenstand thermisch verformbar und es kann eine Vielzahl unterschiedlichster Gebrauchsgegenstände aus dem Verbundmaterial hergestellt werden.

Wenn ein Brillenmittelteil und/oder Brillenbügel zumindest teilweise aus dem Verbundmaterial bestehen, dann können vorteilhafterweise die Gläser nach Erwärmung des Brillenmittelteils eingefügt werden, welche nach Abkühlen über eine reib- und formschlüssige Verbindung fest im Brillenmittelteil gehalten werden. Somit kann das Vorsehen eines offenen Brillenmittelgestells - wie dies bei Holzbrillen bisher üblich war -, deren Öffnung zur Fixierung der Brillengläser über eine Klemmschraube verbunden ist, entfallen.

Daher kann der Brillenmittelteil aus einem in sich geschlossenen Verbundmaterial bestehen, in welchem nach Erwärmung ohne weitere Öffnung im Brillenmittelteil die Gläser eingesetzt werden können.

Nachdem aus einem Ausgangs-Verbundmaterial die Strukturen eines Brillengestells gefräst worden sind, ist es günstig, wenn der Brillenmittelteil und/oder die Brillenbügel mit Hilfe von Wärmebehandlung verformbar sind, um eine anatomisch angepasste Form des Brillengestells zu erhalten.

Ebenfalls kann vorteilhafterweise ein optisch äußerst attraktiver, umweltfreundlicher und gut hautverträglicher Gebrauchsgegenstand geschaffen werden, wenn ein Armband bzw. ein Uhrenarmband zumindest teilweise aus dem Verbundmaterial besteht.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, noch weiter erläutert. Im Einzelnen zeigen in der Zeichnung:

• Fig. 1 eine perspektivische auseinandergezogene Ansicht eines Verbundmaterials;
• Fig. 2 eine perspektivische geschnittene Ansicht eines Verbundmaterials mit zwei Carbonfaserschichten; und
• Fig. 3 ein Verbundmaterial im Schnitt.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische auseinandergezogene Ansicht eines Verbundmaterials 1. Das in Fig. 1 gezeigte Verbundmaterial 1 besteht aus insgesamt drei Schichten, wobei zwischen zwei Holzschichten 2 eine Carbonfaserschicht 3 vorgesehen ist. Die Carbonfaserschicht 3 besteht aus einander kreuzenden Carbonfasern 4, welche mit einem Epoxyharz imprägniert sind. Die Carbonfaserschicht 3, welche mittels eines Polyurethanklebstoffs, z.B. ICEMA® R145/44 von der Firma H.B. Fuller GmbH, mit den beiden Holzschichten 2 mit Hilfe von Druck- und Wärmeaufbringung verklebt ist, besteht vorzugsweise aus einem HexForm™ - Carbongewebe, das von der Firma HEXCEL Composites Ges.m.b.H. angeboten wird. Die Carbonfaserschicht 3 mit einander kreuzenden Carbonfasern 4 dient als eine Art Gleitschicht zwischen den beiden Holzschichten 2 bei Erwärmung.

Um ein möglichst isotropes Verbundmaterial zu erhalten dessen Materialeigenschaften in alle Richtungen im Wesentlichen ident sind, sind die Faserrichtungen 5 der Holzschichten 2 senkrecht zueinander angeordnet.

In Fig. 2 ist ein Verbundmaterial 1 gezeigt, bei dem zwei Carbonfaserschichten 3 vorgesehen sind. Die beiden Carbonfaserschichten 3 weisen Carbonfasern 4 auf, welche senkrecht zueinander stehen, um wiederum ein möglichst isotropes Verbundmaterial 1 zu erhalten. Die an eine Carbonfaserschicht 3 angrenzenden Holzschichten 2 weisen jeweils senkrecht zueinander stehende Faserrichtungen 5 auf, um die bezüglich der Faserrichtung 5 sehr unterschiedlichen Festigkeitseigenschaften der Holzschichten 2 auszugleichen.

In Fig. 3 ist ein erfindungsgemäßes Verbundmaterial 1 gezeigt, welches zwei Carbonfaserschichten 3 und eine Vielzahl von Holzschichten 2 aufweist. Die Holzschichten 2 lassen sich hierbei in eine in Fig. 3 zu unterst vorgesehene Dekorschicht 6, einen aus sechs Holzschichten bestehenden Mittelblock 7, der zwischen den beiden Carbonfaserschichten 3 vorgesehen ist, und einen aus ca. 20 Holzschichten bestehenden Endblock 8 unterteilen.

Die im Mittelblock 7 und im Endblock 8 direkt verklebten Holzschichten 2 sind mittels eines bei Erwärmung erweichenden, wasserfesten Holzleims, vorzugsweise eines PVAc-Holzleims, z.B. RAKOLL®-GLX-3-Holzleim von der Firma H.B. Fuller GmbH, verklebt.

Um wiederum ein möglichst isotropes Verbundmaterial zu erhalten, sind die an die jeweiligen Carbonschichten angrenzenden Holzschichten 2 mit jeweils senkrecht zueinander stehenden Faserrichtungen 5 vorgesehen. Die Faserrichtungen 5 der Holzschichten im Mittelblock 7 bzw. im Endblock 8 sind sternförmig zueinander verdreht, d.h. die sechs Holzschichten des Mittelblocks 7 sind fortlaufend jeweils um 30° zueinander verdreht, um möglichst eine Ausrichtung einer Faserrichtung über 360° gesehen zu erreichen. Die Faserrichtungen 5 des Endblocks 8 sind dementsprechend geringer zueinander verdreht, wobei sich bei 20 Holzschichten eine Verdrehung von jeweils ca. 9° ergibt. Es ist ebenfalls möglich, dass in einem Block mehrfach die Faserrichtungen 5 der Holzschichten 2 um jeweils 45°, 90°, usw. verdreht sind, und somit eine Art Unterblock aus beispielsweise zwei oder vier Holzschichten 2 entsteht.

Das in Fig. 3 gezeigte Verbundmaterial 1 eignet sich besonders gut zur Herstellung von Brillenmittelteilen, da im relativ dicken Endblock 8 ausreichend Platz für die Anbringung eines Scharniergelenks zur Verbindung mit den Brillenbügeln vorhanden ist.