DE10053255A1

DE10053255A1 - Lumineszierende Säulen und Freiformkörper

Info

Publication number: DE10053255A1
Application number: DE10053255A
Authority: DE
Inventors: Lothar Kroll; Raimund Grothaus; Werner Hufenbach
Original assignee: East 4d Lightweight Struc GmbH
Current assignee: EAST 4D Carbon Technology GmbH
Priority date: 2000-10-26
Filing date: 2000-10-26
Publication date: 2002-05-16

Abstract

Die Erfindung betrifft lumineszierende Freiformkörper insbesondere Säulen und Stelen für Anwendungen im Bauwesen und als Designobjekt, wobei erfindungsgemäß die Trag- und Funktionselemente aus faser- bzw. textilverstärkten Kunststoffverbunden (F/TKV) sowie deren Kombinationen bestehen. Die Fadenausrichtung und -architektur ist sowohl auf die wirkenden Beanspruchungen als auch auf die gewünschten globalen und lokalen Lichteffekte abgestimmt. Eine besonders vorteilhafte Ausführung ist dabei die Einbettung transparenter Fasern (wie Glasfaser, spezieller synthetischer Faser) in eine lichtdurchlässige Kunststoffmatrix (z. B. Epoxyd- und Acrylharz). Zusätzlich können auch Lichtwellenleiter und andere Faserarten als Hybridverstärkung in das Matrixsystem eingebracht werden, wobei die Verbundstruktur neben den gewünschten optischen Effekten insbesondere auch Tragfunktion für statisch und dynamisch belastete Konstruktionen übernehmen kann. Zur Erzielung der Lumineszenz wird vorgeschlagen, die Faserverbundobjekte (1) mit einer separaten Lichtquelle (2) anzustrahlen bzw. Licht innerhalb des Materials zu leiten, etwa mittels Lichtwellenleitern (3).

Description

Die Erfindung betrifft lumineszierende Freiformkörper, insbesondere Säulen und Stelen, für Anwendungen im Bauwesen und als Designobjekt.

Für die architektonische Gestaltung von zukünftigen Wohn-, Forschungs- sowie Produktionsanlagen und vor allem von Erlebnisparks und Ausstellungsgeländen besitzt die äußere Beleuchtung einen besonders hohen Stellenwert, wobei ein starkes Interesse für größere leuchtende, unterschiedlich geformte Strukturen besteht, die nach Möglichkeit auch eine Tragfunktion übernehmen sollen und damit selbst in die Bauobjekte integriert werden können.

Die gemäß dem allgemeinen Stand der Technik verfügbaren Leuchtröhren besitzen den Nachteil, dass für die lichtdurchlässigen Leuchtelemente Werkstoffe mit einer hohen Lichttransmission wie etwa Glas oder thermoplastische Kunststoffe verwendet werden, die nur geringe mechanische Festigkeiten und Steifigkeiten aufweisen, so dass die Beleuchtungssysteme bei einer gewissen Baugröße zusätzliche lasttragende Strukturen z. B. aus Metall besitzen müssen. In monolithischer Bauweise ist somit nur eine Leuchte kleiner Bauart für Außenanwendungen unter Bewitterung möglich. Nach dem Stand der Technik besitzt eine konventionelle Stele etwa eine zylindrische Metallstruktur, die am Ende lokal durch den Leuchtenkörper abgeschlossen wird, was auch in US 5,975,726 zum Ausdruck kommt. Die Realisierung frei stehender schlanker Stelen unter Windlasten, z. B. mit einem Durchmesser von 500 mm und einer Länge von 15 m, ist in reiner Glasbauweise physikalisch nicht möglich.

In EP 0 603 933 B1 wird eine vorteilhafte chemische Glaszusammensetzung einer elektrischen Lampe beschrieben, welches keine Verstärkungsfasern enthält und nicht für o. g. strukturelle Anwendungen geeignet ist. In US 5,985,465 und US 5,474,853 werden hingegen nicht lichtdurchlässige Verbundwerkstoffe für Lampenreflektoren beschrieben, die auch lediglich Kurzfasern als Verstärkungsmaterial enthalten. In US 5,831,375 wird auf mehrschichtige optische Filme für Lampen verwiesen, die keine Tragfunktion ausüben können.

Aufgabe der Erfindung ist es, die nach dem Stand der Technik nur mangelhafte Stabilität der Leuchtenkörper durch Einsatz geeigneter Materialien zu verbessern. Diese Aufgabe wird gelöst, indem faser- bzw. textilverstärkte Kunststoffverbunde (F/TKV) sowie deren Kombinationen als Strukturkomponente zum Einsatz kommen. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 exemplarische Gestaltungsformen von lumineszierenden Schalen und Freikörpern

Fig. 2 eine kegelförmige lumineszierende Stele mit indirekter (fremde Lichtquelle) und direkter (integrierte Lichtwellenleiter) Beleuchtung

Fig. 3 elementare Faser- und Textilmuster

Fig. 4 eine zylindrische Säule in funktionaler Mischbauweise

Fig. 5 eine vereinfachte Schnittdarstellung des Wirkprinzips bei Verwendung spannungsoptisch aktiver Materialien

Bei den erfindungsgemäßen Lumineszenz-Körpern wird durch die gezielte Anordnung von Fasern und Fäden in einer lichtdurchlässigen Kunststoff-Matrix einerseits eine Tragfunktion erreicht und andererseits eine je nach Fertigungsverfahren variable Lichtdurchlässigkeit und -leitung gewährleistet. Die Faserverbundstrukturen selbst können dabei unterschiedliche Gestalt aufweisen (Beispiele hierfür sind in Fig. 1 angegeben) und zeichnen sich durch hohe Schlag-, Medien- und Wandalismusbeständigkeit aus. Aufgrund der guten mechanischen Eigenschaften lassen sich erstmalig Lichtstelen mit guten Transparenzeigenschaften für Außenanwendungen einsetzen, die neben der Bewitterung auch hohen Windlasten bei extremen Schlankheitsgraden (Länge/Durchmesser < 30) widerstehen können.

Eine vorteilhafte Ausführung der lumineszierenden Freiformkörper ist die Kombination transparenter Fasern (wie Glasfasern, einige synthetische Fasern usw.) mit lichtdurchlässigen Matrixsystemen (z. B. Epoxy- und Acrylharz), wobei die Fadenausrichtung und -architektur sowohl mit den wirkenden Beanspruchungen als auch den gewünschten globalen und lokalen Lichteffekte abgestimmt wird.

Hierdurch lassen sich etwa kegel- bzw. zylinderförmige Leuchtsäulen und -stützen größerer Abmessungen (Fig. 2) herstellen, die durch indirekte (2) bzw. direkte (3) Beleuchtung ein gedämpftes Licht mit gewünschtem Farbton abstrahlen. Der Farbton lässt sich dabei durch Einfärbung der Matrix oder veränderbare Leuchtelemente gezielt steuern und das Mikromuster der Lichtabstrahlung kann durch die Fadenarchitektur, wobei wahlweise Kurz-, Lang- und Endlosfasern in beliebigen Kombinationen zum Einsatz kommen, eingestellt werden. Die Herstellung der gesamten Faserverbundstruktur kann entweder kontinuierlich bzw. diskontinuierlich erfolgen. Bei der diskontinuierlichen Fertigung werden die Teilkomponenten mittels spezieller Fügeverfahren miteinander verbinden, was z. B. auch während der Montage am Aufstellungsort durchgeführt werden kann. Durch die Anordnung der Lichtquelle innerhalb der FKV-Säule wird je nach Lichtintensität und Faser/Matrix-Kombination eine weitgehend homogene Durchstrahlung des Verbundkörpers erzielt. Zusätzlich kann zur Verbesserung der Lichtführung ein Reflektor wie z. B. ein Spiegel am oberen Ende der Säule angeordnet sein. Als gekrümmte zylinderförmige Leuchtstrukturen können derartige Komponenten auch im Gebäude integriert werden und multifunktionale Aufgaben übernehmen, so z. B. als leuchtendes Geländer, Handlauf bzw. Wandverkleidung.

Die Faseranordnung lässt sich mittels Fertigungsverfahren aus der Faserverbundtechnik bzw. aus der Textiltechnik und deren Kombination realisieren Beispiele für verschiedene Fadenmuster sind in Fig. 3 angegeben. Zusätzlich bzw. anstelle der Faserverstärkungen lassen sich in die Matrix auch lichtleitende und optisch aktive Fasern textiltechnisch bzw. mit anderen Faserablege-Verfahren in die Matrix einbringen bzw. auf der Oberfläche applizieren. Die Fasern sind primär für die Erzeugung spezieller Lichteffekte im globalen und lokalen Bereich verantwortlich, können aber auch sekundär als lasttragende Elemente eingesetzt werden.

Zur Übertragung sehr hoher Lasten lassen sich innerhalb der lumineszierenden Säulen zusätzlich Tragelemente einbringen, die von außen unsichtbar bleiben. Eine vorteilhafte Ausführung einer derartigen Mischbauweise ist in Fig. 4 angegeben. Die Tragstütze (4) überträgt den größten Anteil der Lasten und ist durch die Leuchtsäule (1), die durch eine Lichtquelle (2) angestrahlt wird, umschlossen. Dabei ist auf die Kompatibilität der Trag- und FKV-Struktur, insbesondere infolge thermischer Einflüsse, zu achten, wobei auch hier ein Teil der Lasten durch die Leucht-Struktur übertragen werden kann. Als weitere Variation lassen sich in der lumineszierenden Säule lichtdurchlässige und nicht lichtdurchlässige Fasern vorteilhaft etwa in Mischgeweben kombinieren.

Hierbei werden z. B. nicht lichtdurchlässige Carbonfasern mit lichtdurchlässigen Glasfasern verbunden, wobei hier auch bei einer einstellbaren Geflecht- oder Gewebestruktur hohe optische Qualitäten in Verbindung mit einer guten mechanischen Stabilität gepaart werden.

Eine weitere Ausführung der luminiszierenden Strukturverbunde besteht in der Verwendung spannungsoptisch aktiver Matrixsysteme (z. B. Kunststoff, Elastomer). Hierfür können durch die Verwendung von polarisiertem Licht (2) in Kombination mit zeitlich veränderlichen ansteuerbaren Belastungen (5) bei der Struktur verschiedene sich wechselnde Farbtöne des Leucht-Objektes (1) eingestellt werden, die durch einen Analysator (6) sichtbar gemacht werden (Fig. 5). Dieser Effekt lässt sich auch erfindungsgemäß für Stelen nutzen, die etwa durch Windlasten angeregte Schwingungen ausführen, die optisch sichtbar gemacht werden.

Bezugszeichenliste

1

Leucht-Objekt bzw. -säule

2

Lichtquelle

3

Lichtwellenleiter

4

Tragstütze

5

Belastung

6

Analysator

Claims

1. Lumineszierender Freiformkörper, insbesondere Säulen und Stelen, für Anwendungen im Bauwesen und als Designobjekt, dadurch gekennzeichnet, dass faser- bzw. textilverstärkte Kunststoffverbunde (F/TKV) sowie deren Kombinationen als Strukturkomponente verwendet werden.

2. Lumineszierender Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (1) mittels der Faserwickeltechnik gefertigt wird.

3. Lumineszierender Körper nach Anspruch 1, gestaltet als frei stehende zylindrische oder kegelschalenförmige Säule oder Stele.

4. Lumineszierender Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass transparente Fasern wie Glasfasern oder spezielle synthetische Fasern mit einer lichtdurchlässigen Kunststoffmatrix wie z. B. Epoxy-, Vinylester-, Polyester- oder Acrylharz kombiniert werden.

5. Lumineszierender Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix oder auch die Fäden mit beliebigen Farbtönen eingefärbt werden.

6. Lumineszierender Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserwerkstoff auf einer Strukturkomponente aus Glas, transparentem Kunststoff oder anderem lichtdurchlässigen Werkstoff aufgebracht ist.

7. Lumineszierender Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffverbund zumindest teilweise eine Faserorientierung im Bereich von 0° bis 20° zur Längsachse aufweist.

8. Lumineszierender Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverbundstruktur (1) mit einer oder mehreren separaten Lichtquellen (2) angestrahlt wird.

9. Lumineszierender Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverbundstruktur (1) mit einem Lichtwellenleiter (3) kombiniert ist, was z. B. durch das Integrieren des Lichtwellenleiters in die Kunststoffmatrix oder die Applikation des Lichtwellenleiters auf der Oberfläche der Faserverbundstruktur zu realisieren ist.

10. Lumineszierender Körper nach Anspruch 1 mit integrierten lasttragenden Elementen (4) unterschiedlicher Kontur, die sowohl in dem Verbundkunststoff als auch separat appliziert sein können.

11. Lumineszierender Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass spannungsoptisch aktive Materialien integriert werden.

12. Lumineszierende Säulen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass lichtdurchlässige und nicht lichtdurchlässige Fasern vorteilhaft kombiniert werden.

13. Lumineszierende Säulen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reflektor am Ende der Säule angeordnet ist.

14. Lumineszierende Säulen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass rotationssymmetrische und nicht rotationssymmetrische Grundkörper zum Einsatz kommen.

15. Lumineszierender Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Faserhalbzeug Rovings, Gestricke, Geflechte, Gewebe, Gelege, Winkelverbunde oder variabelaxiale Faserstrukturen eingesetzt werden.