Entwicklung eines Verfahrens zur rascheren Bereitstellung von Musikinstrumentenholz durch Anwendung einer Temperatur-Vakuum-Trocknung

Projektleiter: Dipl.-Ing. Dietmar Kluck

Projektabschluß: November 1997

Die Verarbeitung von Holz im Musikinstrumentenbau wird im wesentlichen bestimmt durch seine:

- Fehlerfreiheit, gleichmäßiger Jahrringbau,
- Spannungsfreiheit (Trocknungspannungen),
- ausgeglichene relative Holzfeuchtigkeit im Querschnitt um 8%.

Ist die erste Vorraussetzung durch menschliche Eingriffe nur sehr geringfügig beeinflussbar, können die letztgenannten zwei Materialeigenschaften sehr wohl gesteuert und verändert werden. Das in den letzten Jahren auf neuem technischen Niveau "wiederentdeckte" Verfahren der schonenden Trocknungsbeschleunigung durch Anwendung einer Temperatur/ Vakuumbehandlung sollte für folgende Holzarten im Musikinstrumentenbau untersucht werden: Fichte, Ahorn, Birnbaum, Linde Rotbuche, Sucupira, Honduras-Palisander, Makassar-Ebenholz und Grenadille.

Eine Trocknung der o.g. Holzarten ist im Teilvakuum bei einer durchschnittlichen Holzfeuchtigkeit von < 30 % (unter dem Fasersättigungspunkt) ohne Qualitätsverluste möglich. Verfärbungen bei Ahorn, die auf den Trocknungsvorgang zurückzuführen wären, konnten nicht ermittelt werden. Ein geringfügiger Harzaustritt an der Oberfläche wurde bei Fichte festgestellt. Auf der Oberfläche von Grenadillekanteln wurden im Teilvakuum bei Trocknungseinstellungen in der Nähe des Siedepunktes des Wassers Ausschwitzungen registriert (kleine tröpfchenförmige Perlen). Diese können bei weiteren Bearbeitungsschritten entfernt werden. Bei einer Holzausgangsfeuchtigkeit von ca. 20 % können Holzarten mit einer Rohdichte um 0,5 g/cm³ (hauptsächlich die europäischen Holzarten) unter 24 Stunden, in Abhängigkeit von den Dimensionen der zu trocknenden Proben, z.B. Fichtengitarrendecken oder Ahorngitarrenböden ca. 6 ... 10 Stunden, auf die erforderlichen ca. 8 % Holzfeuchtigkeit gebracht werden. Die Trocknungszeit von Grenadillekanteln, 40 x 40 x 150 mm³, im Teilvakuum beträgt mindestens 2-3 Wochen, um im Probenquerschnitt eine einheitliche Holzfeuchtigkeit von ca. 6 ... 8 % zu erzielen. Die Ausgangsfeuchtigkeit betrug ca. 18 %. Die Trocknung von Hölzern im Teilvakuum im Bereich des Siedepunktes des Wassers bewirkt eine Ausbildung von Etherbrücken zwischen Zellulosesträngen. Etherbrücken werden bei normalem Luftdruck nur im Temperaturbereich ab ca. 100°C ausgebildet. Diese Temperaturen führen im Holz jedoch bereits zu Ausschwitzungen von Inhaltsstoffen und beginnender thermischer Zersetzung (Umwandlung von Zellulose, Polyosen, Gasentwicklung, Abscheidung flüssiger oder fester Schwefelstoffe). Aufgrund der Etherbrückenbildung tritt ein Vergütungseffekt in bezug auf die Sorptionseigenschaften des Holzes ein, d.h., das Holz nimmt weniger Feuchtigkeit nach dem Trocknungsvorgang durch Wiederbefeuchten auf. Da der Trocknungsvorgang im Teilvakuum bei niedrigeren Temperaturen geführt werden kann, wird keine thermische Zersetzung eingeleitet aber der Vergütungseffekt durch Etherbrückenbildung erreicht.

Mit Hilfe der Vakuumtrocknungstechnik sind für die untersuchten Holzarten Trocknungszeiteinsparungen ohne qualitative Verluste möglich. Neben dem Effekt der Lagerungszeitverkürzung können bei der Führung des Trocknungsvorganges am Verdampfungspunkt des Wassers stabilisierende Eigenschaften gegenüber Luftfeuchtigkeitsänderungen erreicht werden.

Veröffentlichungen:

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Die Bedeutung nichtharmonischer Resonanzkomponenten für den Klang der Holzblasinstrumente

Projektleiter: Dipl.-Phys. Gunter Ziegenhals

Projektabschluß: September 1997

Ziel des Projektes war die Ermittlung des Zusammenhanges zwischen nichtharmonischen Resonanzen im Verlauf der Eingangsimpedanzkurven und nichtharmonischen Komponenten im abgestrahlten Klang von Holzblasinstrumenten. Weiterhin bestand die Aufgabe zu untersuchen, welche Wirkungen die Komponenten auf die Klangwahrnehmung ausüben und wie sie durch geometrische Veränderungen der Tonlöcher beeinflusst werden können.

Entgegen der ursprünglichen Annahme, dass über Druckimpulse beim Start der Rohrblatt-schwingungen nicht an der Tonbildung beteiligte Resonanzen der Luftsäule angeregt werden und anschließend ausschwingen wurde festgestellt, dass das Rohrblatt im Einschwingprozess kurzzeitig (einige ms) auf andere, als die gewünschte Zielresonanz synchronisiert und damit die nichtharmonischen Klangkomponenten erzeugt. Es wurde damit bei Rohrblattinstrumenten der gleiche Effekt festgestellt, wie ihn MEYER und BORK bereits 1987 für Flöten bemerkten. Der Effekt entsteht nur im überblasenen Register und nicht zwingend für bestimmte Griffe eines Instrumentes. Vielmehr tritt er quasi zufällig im Ergebnis nicht exakt definierter Zustände beim Anblasen wie Unkonzentriertheit, Probleme mit Mundstück oder Blatt und insbesondere beim Tonwechseln (zeitlich versetztes Öffnen bzw. Schließen von Tonlöchern) auf. So kommt es auch nicht typisch zu nichtharmonischen Klangkomponenten bei von Musikern bezeichneten Problemtönen, sowohl der Instrumente Oboe, Fagott, Klarinette und Flöte im allgemeinen, als auch der konkret betrachteten Instrumente im besonderen.

Musiker bemerken den Effekt, meist fühlt man es mit den Lippen als untypische Blattschwingung, bewerten die Töne jedoch nicht klanglich negativ. Die Ursache der nichtharmonischen Resonanzen ist die Tatsache, dass im überblasenen Register auf höheren Resonanzen geblasen wird. Selbst wenn alle Resonanzen streng harmonisch liegen, bilden z.B. beim einfachen Überblasen der Oboe die Resonanzen 1, 3, 5 usw. Nichtharmonische zur genutzten Grundresonanz 2. Die Überblasgriffe verschieben die Peakfrequenzen der nichtgenutzten Resonanzen, so dass sie keine harmonische Reihe in sich bilden. Dadurch wird ein "versehentliches" Synchronisieren auf eine falsche Resonanz erschwert.

Gegenüber der Wirkung des Überblasens an sich sowie der Überblasgriffe auf die nichtharmonische Lage von Resonanzen kann die Wirkung der Grifflochgeometrie vernachlässigt werden.

Veröffentlichungen:

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Untersuchung der Eignung unterschiedlicher Polstermaterialien zur Abdichtung der Tonlöcher von Holzblasinstrumenten

Projektleiter: Dipl.-Phys. Gunter Ziegenhals; Bearbeiter: Dipl.-Ing. Roland Dix

Projektabschluß: Juni 1997

Die Ton- bzw. Seitenlöcher von Holzblasinstrumenten werden, wenn die Deckung nicht durch den Spielerfinger erfolgt, durch sogenannte Klappenpolster, welche im Klappendeckel eingesetzt sind, verschlossen. Zur Sicherung einer einwandfreien Funktion, insbesondere einer guten Ansprache, ist ein vollständig dichtes Verschließen zwingend notwendig. Die Polstermaterialien müssen dabei Fertigungs- und Justierfehler ausgleichen und auch nach längerer Gebrauchsdauer und häufigem Spiel ihre Dichtfunktion zuverlässig erfüllen. Als Grundlage für die Entwicklung bzw. Auswahl alternativer Polstermaterialien wurde deshalb ein komplexer Forderungskatalog mit teilweise widersprüchlichen Anforderungen erarbeitet. Dabei fanden die Ergebnisse theoretischer Betrachtungen zum Bewegungsablauf, zur Dichtfunktion und zur Beanspruchung des Polsters sowie der auftretenden Fertigungseinflüsse entsprechende Berücksichtigung.

Da an die Klappenpolster sehr hohe Anforderungen bezüglich ihrer Form- und Alterungsbeständigkeit gestellt werden, bestand die Notwendigkeit zur Entwicklung geeigneter Mess- und Prüfmethoden, welche eine Qualitätsbeurteilung gestatten. So ermöglicht ein speziell entwickeltes Dichtheitsmessgerät die quantitative Erfassung von Leckverlusten. Es dient somit als Grundlage für die Materialauswahl sowie zur Beurteilung von Verschleißerscheinungen. Besondere Bedeutung kommt dem entwickelten Kraft-Weg-Messplatz zu. Damit können die elastischen Eigenschaften der Polstermaterialien charakterisiert und auftretende Veränderungen durch Alterung oder Verschleiß erfasst werden. Eine Weg-Messeinrichtung gestattet dagegen die Aufzeichnung dynamischer Bewegungsverläufe und damit eine Beurteilung des Dämpfungsverhaltens. Mit Hilfe der entwickelten Daueranspielvorrichtungen sind zuverlässige Aussagen bezüglich des Verschleißverhaltens und der Alterungsbeständigkeit der Materialien möglich. Um weitgehend praxisnahe Bedingungen zu simulieren, wurde ein Befeuchtungsgerät für temperierte Speichelersatzlösung konzipiert.

Durch systematische Analyse möglicher Materialien bzw. Materialkombinationen konnte eine vielfältige Palette geeigneter Polstervarianten erstellt werden. Obwohl eine Vielzahl von untersuchten Materialien in wesentlichen Parametern traditionellen Polstern überlegen sind, konnte ein perfektes Alternativpolster mit durchweg besseren Eigenschaften nicht gefunden werden, weil eine komplexe Betrachtung nicht nur des Polsters an sich, sondern auch des gesamten Montageprozesses gefordert ist.

Akustische Untersuchungen ergaben, dass messtechnisch keine sicheren akustischen Unterschiede nachweisbar sind, welche auf die Eigenschaften der Polstermaterialien zurückgeführt werden können. Da auch Hör- und Spieltests an unterschiedlich bepolsterten Klarinetten ebenfalls keine eindeutigen Korrelationen aufwiesen, scheinen aus akustischer Sicht keine gravierenden Unterschiede vorhanden zu sein. Weiterhin beweisen diese Ergebnisse, dass die Musiker dem Einfluss des Polsters auf den Klang zwar verbal eine entscheidende Bedeutung zuschreiben, sich in Wirklichkeit aber an anderen Parametern, wie z.B. dem Dichtverhalten oder der Nachgiebigkeit (Spielgefühl) orientieren.

Im Ergebnis der Arbeiten zeigte es sich, dass die traditionellen Lederpolster eine gute Kompromisslösung darstellen. Durch die aufgezeigten Möglichkeiten zur Qualitätsverbesserung (Scotchgardimprägnierung) werden sie auch weiterhin eine dominierende Rolle spielen. Für bestimmte Zielgruppen bieten sich jedoch eine Reihe von Alternativlösungen an. Als Beispiel sei die Marschmusik genannt. Hier ist der Feuchtigkeitsbeständigkeit zweifellos eine Priorität einzuräumen. Die Untersuchungen sollten unter Beachtung der sich abzeichnenden Entwicklungstendenzen auf dem Kunststoffsektor zu gegebener Zeit weitergeführt werden!

Veröffentlichungen:

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Metallkleben im Blasinstrumentenbau

Projektleiter: Dipl.-Ing. Roland Dix; Bearbeiter: Dipl.-Ing. Friedrich Schetelich

Projektabschluß: März 1997

Im Rahmen des Forschungsvorhabens galt es die Möglichkeiten des Metallklebens im Blasinstru-mentenbau zu untersuchen und eine Auswahl geeigneter Klebstoffe zu treffen. Bisher sind keine systematischen Untersuchungen zum Metallkleben im Blasinstrumentenbau bekannt. Das liegt an der guten Lötbarkeit von Messing und Neusilber, als Hauptwerkstoffe im Instrumentenbau. Ein weiterer Grund liegt im großen Angebot von Klebstoffen für Metalle sowie in der Unsicherheit bei der Einschätzung der Festigkeit, des Temperatur- und Medieneinflusses auf das Alterungsverhalten der Klebverbindungen, da diese sehr stark von der Oberflächenvorbehandlung abhängig sind. Deshalb ist eine Analyse der vorkommenden Fügeverbindungen, der eingesetzten Fertigungsverfahren und der auftretenden Beanspruchungen durch die Fertigung und durch das Instrumentenspiel sowie der Anforderungen der Beschaugüte der Instrumente die Voraussetzung für eine Beurteilung der Einsatzmöglichkeiten des Klebens. Auf dieser Grundlage erfolgte die Auswahl repräsentativer Fügeteile und Fügeverbindungen und die Entwicklung von Prüfverfahren und Prüfmitteln, die eine praxisnahe Beurteilung der Beständigkeit der Klebverbindung gegenüber Zug- und Scherkräften, Temperaturbelastungen und der Alterungs-beständigkeit gegenüber flüssigen Medien ermöglichen.

Aus den Fertigungs- und Lieferprogrammen von 42 Herstellern wurden für die Klebaufgaben geeignete Klebstoffe ausgesucht und beschafft. Es waren dies Cyanacrylat-, Methacrylatklebstoffe mit Härterlack für das NO-MIX-Verfahren, anaerobe und UV-anaerobe Klebstoffe aus der Haupt-gruppe der Polymerisationsklebstoffe und kalthärtende Zweikomponenten-Epoxidharz- und Poly-urethanklebstoffe aus der Hauptgruppe der Polyadditionsklebstoffe.

Die Prüfung der Druck- und Zugfestigkeit erfolgte mit 45 Klebstoffen an der überlappten Rohrverbindung und der Rohr-Säulchenverbindung mit geschliffenen und polierten Fügeflächen. Die Klebstoffe mit den höchsten Festigkeiten jeder Klebstoffgruppe wurden auf Temperaturbeständigkeit unter einer Druckscherbelastung von 180 N bei 120°C bis 180°C geprüft. Die Prüfzeit betrug 40 min. Den Temperaturbelastungen hielten diese drei Klebstoffe stand

- UV-anaerob härtender Loctite 128 500 Cat.-Nr. 15250

- Methaacrylat-Klebstoffe Agomet F 120 + Agomet Härterlack 2 (NO-MIX-Verfahren)

Agomet F 330 + Agomet Härterlack 2 (NO-MIX-Verfahren).

Parallel zur Temperaturbeständigkeitsprüfung erfolgte die Prüfung der Klebstoffe durch Polieren mit Polierscheibe und -paste am Polierbock. Dabei treten gleichzeitig die höchste mechanische und thermische Belastung der Klebverbindung auf. Diesen außergewöhnlich hohen Belastungen wider-standen bei Rohr-Rohr-Verbindung die o.g. drei Klebstoffe und bei der Rohr-Säulchen-Verbindung, die Klebstoffe Loctite 128 500 und Agomet F 120 und bedingt Agomet F 330. Mit diesen drei Kleb-stoffen sind weitere Prüfungen der dynamischen Schlag- und Schwellkraftfestigkeit erfolgt. Bei den dynamischen Messungen konnte bei den drei geprüften Klebstoffen kein Unterschied zwischen den Prüfproben, die Temperaturen von 21°C und 160°C über 40 Minuten ausgesetzt waren, in der Schlagfestigkeit (spez. Schlagarbeit) und Schwellfestigkeit festgestellt werden. Die höchsten statischen und dynamischen Festigkeitswerte sowie Temperaturbeständigkeit erreicht der Kleber Loctite 128 500. Er besitzt weitere Vorteile durch die UV-Aushärtung des Klebfugenrandes. Dadurch kommt es zu keiner Bindung mit Staub und Schmutz sowie zu keinen Reaktionen mit dem Fügeteilwerkstoff und der Lackbeschichtung. Die Klebverbindungen sind alterungsbeständig gegen Öl, Reinigungsmitteln, Speichel, Entzinnung und Entlackungsbädern.

Alle geprüften Klebstoffe sind elektrisch nicht leitend und die Klebverbindungen nicht galvanisierbar. Mit der geforderten Festigkeits-, Alterungs- und Temperaturbeständigkeit ist kein elektrisch leitender Klebstoff auf dem Markt. Die Forderungen sind den Klebstoffherstellern mitgeteilt ihre Realisierung ist aber fraglich.

Die Festigkeit der Klebverbindungen ist sehr von der Oberflächenvorbehandlung abhängig. Die Ober-flächen müssen sauber und reaktiv sein und in ihrer geometrischen Form genau zueinander passen, damit ein gleichmäßiger Klebspalt gewährleistet ist. Die Festigkeitswerte zwischen geschliffener und polierter Oberfläche sind innerhalb der Messtoleranzen gleich , so dass das Kleben der Instrumententeile im polierten Zustand vorgenommen werden kann. Durch die schnelle Aushärtung der geeigneten Klebstoffe und die Gewährleistung eines gleichmäßigen Klebspaltes sind Fügevorrichtungen zur genauen Lagefixierung der Fügeteile erforderlich. Beim Fügen der Teile dürfen keine Zugspannungen in die Klebverbindung eingebracht werden, um keinen Festigkeitsabfall in der Bindung zwischen Fügeteil und Klebstoff zu bekommen. Der Klebspalt sollte zwischen 0,05 - 0,15 mm betragen, wobei die höchsten Festigkeitswerte bei 0,05 mm Spaltgröße erzielt werden.

Im Ergebnis der Untersuchungen kann festgestellt werden, dass für das Metallkleben von Fügever-bindungen im Blasinstrumentenbau unter Beachtung der klebtechnischen Hauptforderung

saubere, reaktive Oberfläche der Fügeteile und gleichmäßiger geringer Fügespalt

es die drei oben genannten Klebstoffe gibt, die bis auf die elektrische Leitfähigkeit für eine galvanische Oberflächenbeschichtung den Anforderungen genügen. Der erforderliche Einsatz von Lagefixiervorrichtungen wird sich erschwerend auf die Einführung der Klebtechnologie in den kleinen mittelständischen Unternehmen des Blasinstrumentenbaues mit ihren relativ geringen Produktstückzahlen auswirken. Vorteilhaft können die Klebstoffe bei Reparaturen der Instrumente eingesetzt werden, da beim Kleben kaum eine Beeinträchtigung der Oberflächenqualität und kein thermischer Teileverzug auftritt. Die Instrumentenhersteller haben mit den drei ausgewählten Klebstoffen die Möglichkeit, deren Eignung in eigenen Versuchen für ihre Instrumentenfertigung zu prüfen.

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