Der Entwickler Benjamin Hornblow testet das Longboard aus Verbundwerkstoff, um sicherzustellen, dass es sich auch gut fährt. (Bildquelle: Force Technology)

Der Entwickler Benjamin Hornblow testet das Longboard aus Verbundwerkstoff, um sicherzustellen, dass es sich auch gut fährt. (Bildquelle: Force Technology)

Force Technology, ein Technik-Dienstleister aus Dänemark, hat viel Erfahrung mit dem Design von Verbundmaterialen und erforscht sowohl die spezifischen Eigenschaften des Materials als auch neue Einsatzgebiete. In diesem Zusammenhang haben sich der Spezialist für Verbundwerkstoffe Benjamin Hornblow und sein Team vor Kurzem der Aufgabe gestellt, ein neues Longboard zu entwerfen. Ziel des Designs war es, die ideale Zusammensetzung des Boards aus Verbundmaterial zu finden, um so die Leistung zu optimieren, das Gewicht zu reduzieren und die Vibrationen, die bei der Fahrt mit einem Longboard entstehen, besser zu absorbieren.

Das Team hat sich dafür die derzeit bei Longboards gängigen Materialien angesehen – von Ahorn über Bambus bis hin zu verschiedenen anderen Werkstoffkombinationen – und hat die Eigenschaften und das Leistungspotenzial der jeweiligen Materialien verglichen. Der übliche Aufbau eines heutigen Boards besteht aus einer Sandwichstruktur, mit einer unteren, kohlefaserverstärkten Schicht, einer Kernschicht aus Ahorn und einer oberen, glasfaserverstärkten Schicht. Diesen Aufbau verwendeten die Entwickler als Referenz für das neue Design. Daraufhin untersuchten sie die Leistungsfähigkeit von Verstärkungsfasern, die als wichtigstes strukturelles Bauteil dienen sollen. Dabei verglichen sie fünf natürliche Fasermaterialien – Baumwolle, Flachs, Hanf, Jute und Kenaf – mit industriell hergestellten Materialien wie Glas- und Kohlefasern.

Die Querschnittsdarstellung des Longboards zeigt den Aufbau der Sandwichstruktur mit kohlefaserverstärkten Decklagen und PET-Schaum-Kern. (Bildquelle: Force Technology)

Die Querschnittsdarstellung des Longboards zeigt den Aufbau der Sandwichstruktur mit kohlefaserverstärkten Decklagen und PET-Schaum-Kern. (Bildquelle: Force Technology)

Kombination aus Flachs- und Kohlefaserverstärkung optimal

Im ersten Ansatz wurden Steifigkeit und Dämpfungseigenschaften der möglichen Werkstoffkandidaten untersucht. Dabei hat das Team die Software CES Selector von Granta Designs, Cambridge, Großbritannien, verwendet, um die infrage kommenden Materialien zu identifizieren. Dabei stellten die Entwickler fest, dass Flachsfasern im gleichen Steifigkeitsbereich lagen wie Glasfasern, beide Werkstoffe jedoch deutlich hinter die Steifigkeit von Kohlefasern zurückfielen.

Hinsichtlich der Zugfestigkeit wiederum konnten die natürlichen Fasern nicht mit den synthetischen mithalten. Dennoch war ihre Leistung für ein steifigkeitsgetriebenes Design ausreichend. Beim Vergleich der mechanischen Verlustkoeffizienten wurde deutlich, dass die Dämpfungseigenschaften von Flachsfasern dreimal höher waren als die von Glas- oder Kohlefasern. Dieses Ergebnis führte dazu, dass die Ingenieure sich bei der Auslegung des Boards für eine Kombination aus Flachs- und Kohlefaserverstärkung entschieden haben. So konnten die Steifigkeitseigenschaften der Kohlefasern mit den Dämpfungseigenschaften der Flachsfasern vereint werden. Da Flachs darüber hinaus auch leichter ist als Kohlefaser, konnten sie so auch potenzielle Gewichtsvorteile des Materials nutzen.

Eigenschaften von Verbundwerkstoffen simulieren

Mit dem Synthesizer Tool des CES Selector modellierte das Team anschließend die Leistung des Referenzboards und des neuen Boards mit bis zu sieben Lagen Verbundwerkstoff. Anschließend versahen sie eine grafische Auswertung mit einer Indexlinie, bei der die Biegesteifigkeit gegen die Dichte dargestellt wurde. Diese Indexlinie zeigte, wie sich ein leichtes, steifes Panel bei einer Biegung verhält. So identifizierte das Team die Materialien, die am besten geeignet sind. Demnach würde ein Board aus reinem Ahorn bessere Eigenschaften haben als ein Board aus Flachsfaser/Epoxidharz-Verbundmaterial, während Bambus noch besser geeignet wäre. Zur Überraschung aller zeigte das Referenzboard keine besseren Eigenschaften als das Board aus reinem Bambus.

Danach untersuchte das Team einen Leichtbauschaumkern. Dabei fand es heraus, dass eine Sandwichstruktur mit kohlefaserverstärkten Decklagen und PET-Schaum-Kern deutlich höhere Leistungen erbrachte als ein Bambusboard oder das Referenzboard. Mit diesen Ergebnissen hat das Team daraufhin ein neues siebenlagiges Modell erstellt. Dieses hatte eine dreilagige, kohlefaserverstärkte Außenhaut, eine Lage aus gleichlaufenden Kohlefasern und einer Lage aus bi-axialem Flachsgewebe mit PET-Schaumkern.

Das siebenlagige Design wurde in der CAD-Software Catia 3D von Dassault Systèmes modelliert, bevor die Ingenieure einen Prototyp erstellten und testeten. Das finale Longboard war etwas dicker als das Referenzboard und neigte sich bei einer Dreipunktbiegung etwas stärker. Aber es war über ein Kilogramm oder um 30 Prozent leichter. Und darüber hinaus bot es ein sanfteres und angenehmeres Fahrgefühl.

Hornblow kommentiert: „Durch das Multilagen Synthesizer Tool von CES Selector konnten wir die verschiedenen Materialien, Konzepte und Konfigurationen schon früh im Designprozess testen. Wir konnten wertvolle Zeit einsparen, da wir dank dieser Methode die Anzahl der nötigen Iterationen, die aus einen arbeitsintensiven CAD-Modellierungs- und Prototypen-Erstellungsprozess verschiedener Projektphasen resultieren würden, signifikant reduzieren. Im Ergebnis konnten wir ein Longboard mit einer deutlich besseren Leistung entwickeln.”


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Über die Autoren

ist Senior Product Manager für CES Selector bei Granta in Cambridge, Großbritannien. (Bildquelle: Granta)

Dr. Charlie Bream

ist Senior Product Manager für CES Selector bei Granta in Cambridge, Großbritannien.

ist Technical Communications Specialist bei Granta in Cambridge, Großbritannien. (Bildquelle: Granta)

John Downing

ist Technical Communications Specialist bei Granta in Cambridge, Großbritannien.