NIEDERSACHSEN. Bau eines Skateboards aus Kohlefaser-Verbundwerkstoff zur Reduzierung der Abnutzung und der Bruchgefahr

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1 ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht NIEDERSACHSEN Bau eines Skateboards aus Kohlefaser-Verbundwerkstoff zur Reduzierung der Abnutzung und der Bruchgefahr Lennert Kunschke Pascal Schimmler Schule: Athenaeum Stade Harsefelder Straße Stade Jugend forscht 2010

2 CFK-Skateboard Einleitung: Holzskateboards, wie sie im Handel zu kaufen sind, brechen sehr schnell, wenn man nach Sprüngen nicht richtig landet. Außerdem muss man es regelmäßig austauschen, da sich das Holz mit der Zeit abschürft/abnutzt. Deshalb haben wir uns gedacht, dass man ein Skateboard aus einem anderen Material bauen könnte. So sind wir, da gerade andere CFK-Projekte am Athenaeum liefen, auf dieses Material gekommen. Seite 1 von 13

3 CFK-Skateboard 1 Fragestellung: Wie baut man ein stabiles, abnutzungsfreies Skateboard? Methode: 1. Wir haben einen Holzkasten verwendet und angerührten Gips hinein gegeben. 2. Dann haben wir ein Skateboard, das oben mit Bauschaum bedeckt war, hinein gedrückt, so dass sich ein Abdruck der Unterseite des Skateboard entstanden ist. 3. Dies haben wir eine Woche lang trocknen lassen. 4. Dann haben wir das Holzskateboard mit samt dem Bauschaum heraus geholt. 5. Dann haben wir alle Unebenheiten mit einem Meißel entfernt. 6. Danach haben wir die Gipsform mit Silikon als Trennmittel eingestrichen. 7. Während dies trocknete, haben wir die CFK-Matten zurecht geschnitten. 8. Dann haben wir ein Holzkern zurecht gesägt, der allerdings nicht die volle Größe eines normalen Skateboards haben durfte, da er sonst beim benutzen beschädigt werden könnte und es möglicherweise dazu führen könnte, dass das Skateboard auseinander fällt. 9. Dann haben wir Kunstharz in die Gipsform gestrichen und die erste CFK- Seite 2 von 13

4 Matte hineingelegt. Diese Matte haben wir wieder mit Kunstharz bestrichen und die nächst daraufgelegt. 10. Danach haben wir den Holzkern, bei dem wir vorne und hinten die Rundungen abgesägt haben so hineingelegt, dass vorne und hinten nach oben zeigte und das Mittelstück auch hineingelegt. 11. Dies haben wir dann gepresst und trocknen lassen. An den Rand haben wir CFK-Bänder gelegt, damit es keine Höhenunterschiede gibt, danach haben wir die Bänder und den Holzkern mit Kunstharz bestrichen. 12. Eine weitere CFK-Matte daraufgelegt, erneut mit Kunstharz bestrichen und die letzte CFK-Matte daraufgelegt. 13. Nach einer Woche haben wir das fertige Skateboard aus der Gipsform entfernt und das Silikon abgemacht. Ergebnisse: Das Skateboard wiegt 1,878 Kg Diskussion: 1. Das Skateboard ist an manchen Stellen unterschiedlich dick. 2. Es wiegt 1,878Kg und ist damit schwerer und nicht wie geplant leichter als normale Skateboard-Decks. Das liegt unter anderem daran, dass unten in der Gipsform zu viel Harz war, das dann natürlich am Skateboard war. 3. Am Rand stehen die CFK-Streifen hoch. 4. Das Skateboard ist eben, hinten und vorne stehen die Enden nicht hoch wie bei einen normalen Skateboard. 5. Das Skateboard ist an der Oberseite nicht richtig getrocknet, da wir zu wenig Härter für das Kunstharz benutzt haben. Unterstützt von OPTION Skateshop Stade. Seite 3 von 13

5 CFK-SKATEBOARD 2 Fragestellung: Wie baut man ein abnutzungsfreies Skateboard aus CFK- Verbundwerkstoff? Methode: 1. Zuerst haben wir 4 Vlieseline-Matten mit Hilfe einer Pappschablone so ausgeschnitten, dass sie ein wenig größer waren, als ein normales Skateboard. 2. Danach haben wir diese so auf eine CFK-Matte aufgebügelt und ausgeschnitten, dass die Fasern längs und quer zur Boardkante verliefen.(dies macht man, damit eine optimale Stabilität zustande kommt. Man erhält diese durch die langen durchgehenden Fasern.) Dieses haben wir beim ersten Board vergessen. Pappschablone Vlieseline-Matte Kohlefaser-Matte Kohlefaser-Matte mit aufgebügelter Vieseline-Matte Seite 4 von 13

6 3. Nachfolgend haben wir 2 Holzskateboards jeweils einmal oben und einmal unten in Trennfolie eingewickelt, so dass möglichst keine Falten dabei entstehen. (An den Rundungen hinten und vorne, mussten wir dafür Keile ausschneiden.) Kleber,Trennfolie,Kleber auf Skateboard Das Skateboard an dem die Folie unten ist von oben gesehen 4. Anschließend haben wir das Skateboard, an dem die Trennfolie unten war, an der Folienseite mit einem Gemisch aus Epoxi-Harz und Härter für Epoxi-Harz bestrichen. 5. Daraufhin haben wir die erste (bzw. zweite, dritte, vierte) Matte so von der Nose (vorne) zum Tail (Hinten) gelegt, dass dabei möglichst keine Luft eingeschlossen wird. 6. Da man nach dem Auflegen der Matten nicht mehr sehen kann, ob es Lufteinschlüsse gibt, haben wir mit Pinseln von innen nach außen die möglicherweise vorhandenen Lufteinschlüsse hinaus gedrückt. [Dies haben wir bei unserem ersten Board zwar versucht, aber es hat nichts gebracht; da wir das Board in einer Gipsform gebaut haben, sind die Lufteinschlüsse am Rand geblieben (oder ganz im Board geblieben)]. 7. Darauf folgend haben wir die Matte mit dem Gemisch bestrichen. Seite 5 von 13

7 8. Dann haben wir die Punkte 5-7 noch dreimal wiederholt. 9. Als nächstes haben wir das Skateboard, an dem die Trennfolie oben war, umgedreht und so auf die anderen gelegt, dass das CFK-Skateboard in der Mitte war. 10. Danach haben wir Schraubzwingen so an den Holzskateboards befestigt, dass sie das CFK-Skateboard zusammen gepresst haben. 11. Zur Sicherheit haben wir noch Gewichte auf das obere Holzskateboard gestellt. 12. Nach zwei Tagen ist das Board so weit getrocknet, dass es belastbar ist. 13. Nun (nach 2 Tagen) haben wir die Holzskateboards gelöst. 14. Das CFK-Skateboard ist nach insgesamt 7 Tagen vollends ausgetrocknet. Fortschritte: (verglichen mit dem ersten Skateboard) 1. Keine Lufteinschlüsse. 2. Keine Luftlöcher an den Kanten. 3. Leichter als ein normales Skateboard (das Erste war schwerer). 4. Es hat die genaue Skateboardform (mit Ausnahme der Ränder). 5. Nicht mehr dicker als ein normales Skateboard. 6. Ganz ausgehärtet (beim ersten haben wir zu wenig Härter verwendet). Nachteile: (Am zweiten Skateboard) 1. Der Rand steht über. 2. Teilweise Falten auf der Oberfläche (Verursacht durch die nicht ganz faltenfrei aufgeklebte Trennfolie). 3. Durch die Schraubzwingen verursachte Einkerbungen im CFK- Seite 6 von 13

8 Skateboard. Ergebnisse: 1. Das CFK-Skateboard wiegt 1050g 2. CFK-Skateboard mit 4 Schichten Holzskateboard Belastung in kg Durchbiegung in mm 3,5 10, Unterstützt von OPTION, Skateshop Stade. Seite 7 von 13

9 Zwischenergebnis: Das erste Skateboard ist im Gegensatz zum Zweiten oben flach und unten durch die nicht eben aufgetragene Silikonschicht nicht glatt. Zu Anfang haben wir zu viel Kunstharz in die Gipsform, in der die Silikonschicht lag, gegeben, so dass das Skateboard schwerer als ein normales handelsübliches Skateboard ist. Außerdem hat das Skateboard nicht die Biegung nach oben im Querschnitt, sondern eher das Gegenteil. Durch den Holzkern ist diese Biegung dann völlig verloren gegangen. Und auch die nach oben stehenden Enden sind nicht mehr vorhanden. Es sind auch einige Luftblasen eingeschlossen worden, überwiegend am Rand. Dies kommt daher, dass die Luftblasen trotz des Herausstreichens nicht entweichen konnten; da wir das Board in einer Gipsform gebaut haben. So blieben die Luftblasen zwischen Gipsform und Skateboard eingeschlossen. Die obersten beiden CFK-Matten sind nicht vollends ausgetrocknet. Die Seiten des Boardes sind ausgefranst, so dass einige Fransen auf dem Board aufliegen. Die einzelnen Matten sind teilweise nicht miteinander verklebt. Das Skateboard ist teilweise unterschiedlich dick. Das zweite Skateboard haben wir frei verarbeitet, so konnten wir einige Nachteile des ersten Boardes vermeiden. Unter anderem auch die Lufteinschlüsse im gesamten Board und an den Kanten. Außerdem hat es die genaue Skateboardform. Tail und Nose sind nach oben gerichtet und auch die Biegung im Querschnitt nach oben ist vorhanden. Es ist nicht mehr schwerer, wie das erste Board, sondern leichter als ein handelsübliches Skateboard. Außerdem ist es nicht mehr dicker, sondern dünner als ein handelsübliches Skateboard. Allerdings hat es auch noch einige Nachteile: Der Rand ist ausgefranst und steht über. Es hat durch Schraubzwingen verursachte Einkerbungen. Die Oberfläche ist nicht faltenfrei, da sich teilweise ein wenig zu viel Epoxid- Harz angesammelt hat und es Unebenheiten durch die nicht ganz faltenfrei aufgetragene Trennfolie gibt. Seite 8 von 13

10 CFK-Skateboard 3 Fragestellung: Wie baut man ein stabiles abnutzungsfreies Skateboard? Methode: 1. Die Anfertigung erfolgte wie beim 2. Board, nur die Matten haben wir genauer zugeschnitten. 2. Unter anderem haben wir andere CFK-Matten verwendet; nämlich drei neue, zweifach vernähte und dickere Matten, jedoch auch zwei vom vorherigen Board. 3. Diese Matten haben wir dann in der Reihenfolge: dick, dünn, dick, dünn, dick verarbeitet. 4. Außerdem haben wir die Trennfolie nicht auf das obere Board, das wir zum Pressen verwendet haben, gespannt, wodurch beim 2. Board die Einkerbungen an Nose und Tail entstanden sind. 5. Wir haben die Folie, nachdem alle Lagen aufgetragen waren einfach auf die Lagen gelegt, dann glatt gestrichen und das Holzskateboard hinaufgelegt. Nachteile: 1. Es stand nur noch ein wenig Rand über. 2. Es gibt kaum noch vermeidbare Einkerbungen und Dellen. Vorteile: 1. Der Rand steht kaum noch ab. Seite 9 von 13

11 Fazit: Wenn man die Matten genauer zuschneidet, steht der Rand nicht mehr so weit über. Es lassen sich durch die andere Art des Aufbringens der Trennfolie einige Falten vermeiden. Vergleich 2. und 3. Board Board 3 von unten Board 3 von oben Maße der Skateboards Holz CFK 1 CFK 2 CFK 3 Dicke 11 mm 15 mm 6 mm 6 mm Gewicht g g 813 g 920 g Seite 10 von 13

12 Die Biegung bei Belastung des 2. und 3. CFK-Skateboards und eines handelüblichen Holz-Skateboards: 35,00 Vergleichender Belastungstest 30,00 25,00 Biegung in mm 20,00 15,00 10,00 Holz CFK 2 CFK 3 5,00 Letzter Messwert wg. Bruchgefahr 0,00 0,00 50,00 75,00 100,00 Belastung in Kg Biegung Belastung Holz CFK 2 CFK 3 0 Kg 0,00 mm 0,00 mm 0,00 mm 50 Kg 4,00 mm 3,50 mm 7,00 mm 75 Kg 5,00 mm 10,50 mm 10,50 mm 100 Kg Bruchgefahr 31,00 mm 11,50 mm Fazit: Man sieht beim 3. Board deutlich, dass die insgesamt fünf Lagen und die drei dickeren Matten deutlich mehr Stabilität in das Board bringen. Die Durchbiegung des dritten Boards beträgt nur 1 Zentimeter mehr als bei einem Holz-Skateboard. Im Gegensatz zu diesen beiden Boards biegt sich das zweite CFK-Board deutlich mehr durch. Seite 11 von 13

13 Zusammenbau Sägen des 2. und 3. CFK-Boards: Wir haben das 2. und 3. CFK-Board entlang der Kantenabdrücke, die durch das Pressen der CFK-Schichten mit den Holzskateboards entstanden sind, mit Hilfe einer Bandsäge zugesägt. Dies haben wir aus Sicherheitsgründen zusammen mit der Betreuerin gemacht. Bohren der Löcher beim 2. CFK-Skateboard: Der erste Bohrversuch ist gescheitert, da wir anhand der Abdrücke, die wir durch das Aufpressen der CFK-Schichten auf das Holzskateboard während des Laminierens erhalten haben, gebohrt haben. Die Abdrücke waren nicht an der richtigen Stelle des CFK-Boards. Beim zweiten Versuch haben wir mit einem Geodreieck die genauen Punkte, an denen wir bohren mussten ausgemessen. Dazu haben wir eine Mittellinie auf der Rückseite des Boards eingezeichnet. Vorne und hinten im ebenen Bereich des Boards haben wir die Breite gemessen und den Mittelpunkt mit einem Folienstift markiert. Beide Punkte haben wir dann miteinander verbunden. Mit einem 5mm Bohrer und einem Bohrmaschine im Bohrständer haben wir anschließend mit hoher Drehzahl ein senkrechtes Loch von der Unterzur Oberseite gebohrt. Wir haben ein Holzstück unter das Board gelegt, damit das Loch beim Durchbohren nicht ausfranst. Festschrauben der Achsen an das 2. CFK-Board: Damit die Senkköpfe der Schrauben, die für ein Holzskateboard gedacht sind, nicht in das CFK-Board drücken und es kaputt machen, haben wir Unterlegscheiben verwendet. Dann haben wir die Schrauben von der Oberseite durch das Bohrloch gesteckt und die Gewinde der Schrauben von Kohlefasern gereinigt (zwei Schrauben saßen fest und mussten abgesägt werden, weil Fasern im Seite 12 von 13

14 Gewinde waren). Auf der Unterseite haben wir auch Unterlegscheiben verwendet, da die Achsen kleine Zapfen besitzen, die sich in Holz eindrücken können, um fester zu sitzen, die aber CFK-Boards beschädigen können. Zum Schluss haben wir die Achsen auf die Schrauben gesetzt und mit Muttern von unten her am CFK-Board befestigt. Fazit: Die Kohlefasern können die Schraubgewinde verschmutzen, so dass sich die Muttern festsetzen. Daher müssen die Gewinde vor dem Festschrauben der Muttern gereinigt werden. Unterlegscheiben verhindern, dass sich die Schrauben und Achsen in das CFK-Board drücken, und es beschädigen. Ausblick auf weitere CFK-Boards: Wir haben vor, ein CFK-Skateboard wie folgt herzustellen: 1. Wir tränken die zugeschnittenen CFK-Matten in Epoxid-Harz 2. Dann legen wir die Matten formgerecht aufeinander 3. Anschließend werden die aufeinanderliegenden Matten in einem Spezialofen gebacken. Seite 13 von 13