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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Stabilisierung von möglichst
dünnen
Platten aus Naturstein, Kunststein aller Art, Beton und sonstiges Steingut,
sowie Keramik bis hin zu glashaltigen Substanzen – im folgenden
Stein oder Steingut genannt – die
durch eine spröde
und bruchgefährdete
Struktur gekennzeichnet sind. Hier sind besonders Natursteine wie
Granit, Basalt, granitähnliche
Gesteine wie Gneis, sowie Marmor, Kalkstein, hochdruckfeste moderne
Keramiken, Glaskeramik oder Glas zu erwähnen, sowie alle sonstigen
Materialien aus Stein oder Keramik, natürlich oder künstlich
entstandenes Steingut, die in der Regel hoch druckbelastbar sind.
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Diese
Materialien werden im fogenden als Stein oder Steingut bezeichnet.
Sie zeichnen sich zwar einerseits durch eine hohe Belastbarkeit
bei Druckbeanspruchung aus, sind dagegen aber fast völlig instabil
bei Zug- und Biegebelastung,
insbesondere dann, wenn Sie möglichst
dünn und
materialsparend, philigran und insbesondere leichtgewichtig ausgelegt
werden sollen.
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Dabei
handelt es sich vorwiegend um dünne Steinplatten,
die in Konstruktion, im Bau und Fassadenbau, im Maschinenbau und
Anlagenbau angewendet werden, oder im häuslichen Innenbereich als Tischplatten
oder Küchenarbeitsplatten
Anwendung finden. Vermehrt werden insbesondere dünne Küchenarbeitsplatten Verwendung
finden, aber auch in anderen Bereichen, wie dem Möbel- oder
Armaturenbau und im Baugewerbe als Treppenstufen, Wandverkleidungen
und Bodenfliesen, sowie generell im Baugewerbe eingesetzt werden.
Stein als Lieferant für
alle möglichen
Teile, wenn er z.B. mit Carbonfasern stabilisiert wird, so wie in
der
EP 106 92 20 beschrieben,
haben zwischenzeitlich den Weg in die industrielle Anwendung gefunden.
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Die
vorliegende Erfindung schlägt
einen Weg vor, solche dünn
ausgelegten Geometrien aus Stein, insbesondere dünne Steinplatten oder Keramik- bzw. Kunststeinplatten
nachhaltig auf möglichst
preiswerte Weise so zu stabilisieren, dass sie in weiten Temperaturbereichen
stabil bleiben, das heisst, dass der Stein vor Bruch geschützt ist.
Auch unter mechanischer Belastung so stabilisiert zu bleiben, dass
der Stein vor Bruch geschützt
ist, ist die Herausforderung für
die hier beschriebene Lösung.
Dabei soll die Steinplatte neue Eigenschaften bekommen, die man von
Stein so bisher nicht kennt, er soll nämlich flexibel werden, biegbar
sein, ohne dass die polierte Oberfläche durch die Biegung beschädigt wird.
Die neu geschaffene Elastizität
der Platte sorgt ausserdem für
eine höhere
Schlagzähigkeit
und für
ein gewisses Nachgeben des Materials im Fall von Schlag- oder Stossbelastung
durch Impulse, wie sie durch das Fallen eines Topfes auf eine Küchenarbeitsplatte verursacht
werden.
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Dünne Steinplatten
so zu stabilisieren, dass sie moeglichst leicht und flexibel werden
und dabei trotzdem möglichst
gerade bleiben, soll ein wesentliches Ziel der vorliegenden Erfindung
sein. Um dieses Ziel zu erreichen sind zwei Dinge nötig. Eine
Eigenschaft ist, dass die Platte eine Stärke bekommt, die sie biegbar
macht. Die Beobachtung zeigt, dass Steinplatten, je dünner sie
werden, biegbar sind, ohne zu brechen. Zweitens ist es nötig, die
Steingutplatten oder Keramikplatten gegen Zug und damit verbundenen
Bruch durch Überdehnung
nachhaltig zu stabilisieren. Dafür
ist es wichtig, dass der den Stein stbilisierende Träger nach
Möglichkeit
einen kleineren Temperaturausdehnungskoeffizienten hat, als der
zu stabilisierende Stein.
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Die
Erfindung schlägt
einen Weg vor, die Merkmale der Biegbarkeit und Elastizität bei gleichzeitigem
Schutz gegen Brechen der Steinplatte so zu optimieren, dass die
Platte in weiten Temperaturbereichen stabil bleibt und bei Druck
auf die Steinoberfläche
zwar nachgibt, aber immer nur so viel, dass nicht die winzigste
Verletzung der Steinoberfläche entsteht.
Es ist ein wichtiges Ziel der hier beschriebenen Lösung, speziell
die Abstimmung von Steinstärke
und Stabilisierungsschicht zu optimieren, um zum Beispiel eine dünne Küchenarbeitsplatte
so zu optimieren, dass diese möglichst
stabil und trotzdem gleichzeitig zäh, sowie andererseits möglichst
leicht wird.
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Der
hier vorgeschlagene Weg gewährleistet, daß sowohl
Stein, als auch Keramik unter den unterschiedlichsten thermisch
bedingten mechanischen Belastungen, sowie auch rein mechanischen
Belastungen so stabilisiert wird, daß sie durch eine, für die jeweiligen
Einsatz- und Belastungsfälle
geeignete, Stabilisierung vor mechanischer Zerstörung durch Reissen der Steinplatten
einerseits, und insbesondere auch zusätzlich vor mechanischem Bruch
geschützt
werden und dabei möglichst
leicht wird.
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Kern
der Lösung
ist, die für
dünne Steinplatten
einerseits am besten passende Stärke
zu finden – auch
unter Kostengesichtspunkten-, sowie das am besten geeignete Stabilisierungsmaterial
zu finden. Wichtig ist es, den Gesamtausdehnungskoeffizent des den
Stein stabilisierenden Materials auf der den Stein stabilisierenden
Seite zwischen Steinplatte und Stabilisierungsmaterial so einzustellen,
dass er ähnlich
oder besser noch immer etwas kleiner ist, als der Gesamtausdehnungskoeoffizient
der Steinplatte selbst.
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Die
Erfindung basiert auf der Verwendung einer circa 10 mm starken Platte
aus Stein und der Stabilisierung von dieser Steinplatte durch ein
teilweise oder ganzflächig
auf dem Stein angebrachtes faserhaltiges Trägermaterial, welches ein Ausdehungsverhalten
hat, das dem Stein möglichst
nahe kommt. Dafür
werden in der hier vorliegenden Erfindung Carbonfasern und/oder
Steinfasern, insbesondere Basaltfasern verwendet.
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Die
Plattenstärke
von 10 mm ist das untere Mass, welches in modernen Gattersägewerken
gesägt
werden kann und bei dem die Platte noch gerade so stabil ist, dass
sie nicht bricht. In diesem Zustand ist die Platte auch sehr gut
biegbar und elastisch, ohne beim Handling ohne Stabilisierung sofort zu
brechen. Durch realtiv einfaches Abfräsen ist es nun möglich die
Steindicke nach dem Gattern und einseitigem Verklben nochmals dünner zu
machen und dabei hoch genau zu kalibrieren. Die Platte wird dabei
auf ein Mass von circa 9 mm Stärke
gebracht.
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Bekannt
sind bisher Leichtbauformen bei denen wie bei dieser neuen Erfindung
auch eine möglichst
dünne Natursteinschicht
mit Faser-Matrix vor Bruch geschützt
wird und flächig
durch einen zusätzlichen
Unterbau verschiedener Trägermaterialien und
Trägerformen,
wie Rahmen, Waben und ähnliche
Konstruktionen verstärkt
und dadurch belastbar gemacht wird, beziehungsweise es erst ermöglicht wird,
Steingeometrien wie Steinplatten oder Steinstäbe entsprechend dünn auszuführen. Das
Trägermaterial
ist dabei in der Regel bisher unter dem Gesichtspunkt ausgewählt worden,
daß es
bei ausreichender mechanischer Festigkeit hauptsächlich von dem Einsatz herkömmlicher
Materialien wie Stahl und Aluminium, oder solchen Schichten bestimmt
is, die aus einem ähnlichen
oder gleichen Material, wie das zu stabilisierende Material bestehen.
Neuere Methoden schlagen Glasfasern, Aramidfasern oder Kohlefasern
als Trägermaterial
vor. Jede dieser Fasern hat einen bestimmten phsikalischen Vorteil, aber
auch spezifische Nachteile, je nach Anwendungsfall. Geeigneter vom
Gesamtspektrum der physikalischen Eigenschaften scheint Carbonfaser
oder auch die Steinfaser selbst zu haben, um Stein zu stabilisieren.
Der Ausdehungskoeffizient, die Zugfestigkeit und Zugdehnung kommt
dem den physikalischen Eigenschaften des Steins am nächsten.
Es werden zusätzlich
beispielsweise gerade, gewellte oder wabenförmige Metall- bzw. Aluminiumbleche,
Holzplatten und Stahl- oder Holzrahmen, oder weitere Steinplatten
als Trägermaterial
verwendet, wobei die dünnen
Steingeometrien eine Stärke
von bis 15 mm oder weniger haben können, ohne zu brechen. Solche
zusätzlichen
stabilisierenden Massnahmen werden bei dieser Erfindung nicht benötigt, wobei
das kennzeichnende Merkmal grundsätzlich die Steinschichtstärke von
circa 9 mm ist und die Verwendung von Carbonfasern oder Steinfasern
vorgeschlagen wird, die als Stabilisierungsschicht direkt auf den
Stein aufgebracht zu werden, um die zu stabilisierenden Steinplatte
flexibel und gleichzeitig bruchsicher zu machen.
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Das
Trägermaterial,
im folgenden Träger
genannt, besteht – wie
in der Patentanmeldung
EP 106 20
92 beschrieben – aus
einer eine faserverstärkten Matrix,
die ein Kunstharz oder gegebenenfalls selbst ein Keramikmaterial
ist. Es kommen dabei z.B. Carbonfasern zum Einsatz, die hohe Zugbelastungen standhalten
und sich unter Wärmeeinwirkung
zusammenziehen, also einen negativen Temperaturausdehnungskoeffizienten
besitzen und eine mehr oder weniger dünne Steinplatte stabilisieren.
Dadurch wird die Platte insbesondere gegen Risse durch Überdehnung
und Hitzeeinwirkung geschützt,
sowie dem Bruch durch mechanische Belastung senkrecht auf das Steingut
entgegengewirkt. Ausserdem können Steinfasern
zum Einsatz kommen, da diese ebenfalls sehr zugbelastbar sind und
einen kleinen Ausdehungskoeffizienten besitzen.
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Ein
zusätzliches
Stabilisierungsverfahren ist es, in Kombination mit Carbonfasern
und/oder Steinfasern auch die Verwendung von Glasfaser- oder Aramidfaserlaminaten
zu applizieren, die zusammen mit der Carbonfaser oder Stein- oder
Basaltfaser den Stein mehr oder weniger grossflächig oder auch ganzflächig einseitig
stabilisieren. Das Ergebnis ist eine druck- und zugspannungsbelastbare
Steingeometrie, die in normalen Anwendungsfällen für eine ausreichende Stabilisierung
des Steins für
thermische und mechanische Belastungsfälle sorgt. Wenn die Platte
als Arbeitsplatte dient, befindet sich die stabilisierende Schicht
unten, die den Druck oder einen Stoss von oben auf die Platte rissfrei
abfängt,
bzw. vielmehr regelrecht abfedert, was die neue Qualität durch
diese Erfindung bedeutet.
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In
den meisten Fällen
ist eine ausreichende Stabilisierung bereits mit einem dünnen Film
von Carbonfasermaterial oder Steinfasermatrix erreicht, die sowohl
eine Stabilisierung im thermischen, als auch im mechanischen Lastfall
gewährleistet.
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Die
Aufgabe, der Neigung von dünnen
Naturstein- und/oder Keramikplatten zum Brechen oder Reißen auch
bei wesentlich leichteren Bauformen sicher entgegenzuwirken, wird
durch den stabilisierenden Träger
bzw. die stabilisierenden Trägermaterialien
gelöst.
Zu diesem Zweck wird ein Trägermaterial eingesetzt,
welches einen ähnlich
geringen Ausdehnungskoeffizienten hat, wie die zu stabilisierte
Steinplatte.
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Das
Trägermaterial,
im folgenden Träger
genannt, besteht aus einer faserverstärkten Matrix, die ein Kunstharz
oder gegebenenfalls selbst ein Keramikmaterial ist. Es kommen dabei
als Fasermaterial Carbonfasern, Steinfasern, insbesondere Basaltfasern,
zum Einsatz, die hohe Zugbelastungen standhalten und sich unter
Wärmeeinwirkung
nur minimal ausdehnen, also einen sehr kleinen Temperaturausdehnungskoeffizienten
besitzen, der in der Regel kleiner ist, als der des zu stabilisierenden
Steinmaterials. Dadurch werden Steinplatten insbesondere gegen Risse
durch Überdehnung
und Wärmeeinwirkung
geschützt,
sowie dem Bruch durch mechanische Belastung senkrecht auf das Steingut
entgegengewirkt. Zusätzlich
müssen
soche Platten bisher – je
nach Anwendungsfall – zusätzlich für mechanische
Beanspruchungen – wie
in der
EP 106 20 92 mit einer
zusätzlichen
Snadwicheinlage beschrieben – stabil
gemacht werden. Dies ist bei der hier vorliegenden Erfindung nicht
mehr nötig,
da die Platte sich nach unten – sofern
der Träger
sich unter der Platte befindet – durchbiegen
kann, ohne dass der Stein bricht. Allenfalls kann eine weitere Schicht
eingestzt werden, die aus einem flexiblen Material, zum Beispiel einem
gummiartigen Material betseht, welches Stösse zusätzlich dämpfen kann.
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Dünne Steinplatten,
zum Beispiel Arbeistplatten – insbesondere
Küchenarbeitsplatten – und Fassadenverkleidungen,
werden durch die Erfindung insbesondere bei gleichzeitiger thermischer
und mechanischer Belastung und der damit verbundenen Träger-Materialdehnung,
die zu Rissen oder Oberflächenbrüchen des
getragenen Stein-Materials führen würde, nicht
nur sicher gegen Rissbildung geschützt, sondern werden insbesondere
schlagzäh
im Falle von Impulseinwirkung. Die üblicherweise dadurch entstehenden,
unter Umständen
mikroskopisch kleinen Haarrisse, die zum schnellen Verfall des Steins führen, insbesondere
dann, wenn er im Außenbereich,
oder als Arbeitsplatte im Küchenbereich
ständig
wechselnden Temperaturen, mechanischen Druckbelastungen und Wasser
und evtl. Frost ausgesetzt ist, werden durch die Erfindung vollständig ausgeschlossen,
ohne dass man auf eine massive Bauform zurückgreifen müsste und die Platte dabei so leicht,
wei nur irgend möglich
wird. Die Gesamt-Platte inklusive der Stabilisierungsschicht kann
somit extrem leichtgewichtig werden und trotzdem extreme Druck-,
Biege- und Impulsbelastungen aufnehmen, ohne zu brechen oder Haarrisse
zu bekommen und sind trotzdem zu halbwegs günstigen Kosten herstellbar.
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Diese
dünnen
Steinplatten können
mit Hilfe der Erfindung unter Beibehaltung ausreichender Stabilität hergestellt
werden, die man von massivem Steinmaterial gewöhnt ist. Allgemein kann diese
neu entstandene Steinplatte in vielen Bereichen Stahl und Aluminium
ersetzen. Natur-Stein hat ein spezifisches Gewicht gleich dem von
Aluminium und die Druckfestigkeit von einem normalen Baustahl, was bedeutet,
dass man Stein, insbesondere die Natursteinplatte, die nunmehr gegen
Bruch geschützt
ist, weil sie einen kleineren Ausdehnungkoeffizienten hat, als der
Stein selbst, insbesondere auch im Leichtbau einsetzen kann, was
eine Neuheit in der Technik darstellt und deshalb wichtig wird,
weil Stein in grenzenlosen Massen als billiges Material überall auf
der Welt zur Verfügung
steht und sehr energeischonend gewonnen und leicht abgebaut werden kann.
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Mit
Hilfe des Einsatzes von zum Beispiel temperaturstabilen Epoxidharzen,
Polyesterharzen, Harzen auf Phenol-, Polyimid-, Cyanatester-, Melamin-,
Polyurethan- oder Silikonbasis, genannt Matrix, in Kombination mit
Carbonfasern oder Steinfasern, die einen kleineren Temperaturausdehnungskoeffizienten
als Stein haben, wird nun eine sichere Stabilisierung von Steinplatten,
die ihrerseits der Stabilisierung von faserstrukturierten Bauteilen
sowie auch Steinbauteilen selbst dienen können, möglich.
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Es
wird darüber
hinaus die Forderung erfüllt, die
mechanische Belastbarkeit und Temperaturbelastbarkeit von dünnen Steingeometrien
so zu optimieren, daß der
Gesamt-Ausdehnungskoeffizient einer Steinplatte in weiten Temperaturbereichen
in der Stabilisierungsschicht auf einen gleichen oder ähnlichen
Wert eingestellt werden kann, um unter anderem auch das Schüsseln von
dünnen
Stein-Platten zu vermeiden und trotzdem eine Leichtbauweise zu realisieren.
In dem Moment, wo es gelingt die Dehnung der stabilisierenden Schicht
aus Carbonfaser oder Steinfaser durch Einbringung einer gewissen Vorspannung
kleiner zu halten, als die Dehnung des Steins selbst, wird man auf
diese Weise stabilisierte Steinstäbe sogar in gewissen Grenzen
in die der Stabilisierungsschicht entgegengesetzten Seite biegen können, ohne
dass diese brechen. Basis für
diese Erkenntnis ist die im Zusammenhang mit dieser Erfindung gemachte
Beobachtung, dass insbesondere Naturstein sich tatsächlich zerstörungsfrei
komprimieren lässt,
also z. B. eine Steinplatte sich durch Biege-Druck in der Länge an einer
polierten Steinseite verkleinern lässt, ohne dass die polierte
Oberfläche
den geringsten Schaden nimmt.
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Die
Erfindung wird realisiert durch die einseitige teil- oder ganzflächige Beschichtiung
einer 9 mm Steinplatte, die eine Tolerenz von minus 1 mm bis zu plus
0,9 mm haben kann, mit einem Carbonfaser- oder Steinfaserlaminat,
wobei das Mischungsverhältnis
von Faser und Harz so eingestellt werden kann, dass die Ausdehungskoeffizienten
von zu stabilisierendem Stein und dem Steinfaserlaminat kleiner
oder mindestens praktisch identisch sind. Die Gesamtstärke der
Platte bleibt dabei unter 10 mm, mit einer Toleranz von 1/1000 mm.
Die Gesamtträgerschicht
und deren Stärke
kann auch durch eine Mischung unterschiedlicher zusätzlicher
Fasern erreicht werden. Die Gesamtstärke der Platte beträgt mit Stabilisierungsschicht
zwischen 8,9999 mm und 9,9998 mm.
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Eine
der vielen möglichen
Ausführungen
der Erfindung beschreibt eine 9 mm starke Platte aus Steingut (1),
die einseitig mit einem Carbonfaserroving (2) stabilisiert
wird (1). Die Verbindung zwischen Stein und Faser wird
z. B. durch eine temperaturstabile Epoxidharzmatrix hergestellt,
welche sich je nach Einsatzgebiet entsprechend thermisch stabil belasten
lässt und
deren Gesamt-Ausdehungskoeffizent von Faser und Matrix ähnlich dem
der zu stablisierenden Steinplatte sein sollte.
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2 zeigt
diese zweite Ausführung
der Erfindung als eine 9 mm Steinplatte (1), die teilwesie mit
einer Schicht aus Steinfasermatrix (2) versehen ist, deren
Ausdehnungskoeffizient kleiner oder gleich oder maximal nur etwas
größer ist,
als der der zu stabilisierenden Steinplatte, die als Küchenarbeitsplatte mit
einem dekorativen Rand (3) und Ausschnitten (4) für Spülbecken
und Kochfeld versehen ist.
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3 zeigt
eine Sondervariante der Steinplatte als Arbeitsplatte (1),
deren Stabilsierungsschicht aus Steinfasermatrix (2) gleiches
oder mindestens identisches Ausdehungverhalten hat, wie die zu stabilisierende
Steinplatte. Zusätzlich
ist eine dämpfende
Gummischicht (3) unter dem Träger angebracht.