Technologie

Im Bereich Technologie betreibt das IfM Forschung und Entwicklung zu konstruktiven Details, der Anwendung moderner Produktionsverfahren sowie zum Einsatz neuer Materialien unter Beachtung akustischer Erfordenisse. Erfahrungen liegen z.B. auf den Gebieten der Füge-, Montage-, Oberflächen- und Stimmprozesse sowie der Lasertechnologie vor. Auf dieser Basis können wir die Entwicklung und den Bau von Geräten für spezielle Meß- und Prüfaufgaben bzw. bei der Entwicklung von Prüftechnologien unterstützen. Oft steht das Problem der Anpassung handelsüblicher Meßtechnik an spezielle Probleme.
Mit der verfügbaren Gerätetechnik sind darüber hinaus Standard - Werkstückprüfungen u.a. bzgl. der Messung von Rauheiten, der Wanddicken geometrisch komplizierter Teile, sowie die Inspektion von Hohlkörpern mittels Endoskopie möglich. In der hauseigenen Werkstatt können spezielle Vorrichtungen, kleinere Automatisierungslösungen aber auch spezielle Instrumente oder Demonstrationsmuster gebaut und erprobt werden. Nachfolgend einige Beispiele:

Vergütung von Resonanzholz durch Tränkung mit Chemikalien

Insbesondere Anfang der 1990er Jahre fand das Problem der akustischen Verbesserung von Resonanzholz durch das Einbringen verschiedener Tränkmittel in der Fachwelt Interesse. Ausgangspunkt dafür waren Vermutungen, dass geflößtes Klangholz, welches von namhaften italienischen Geigenbaumeistern im 18. und 19. Jahrhundert verwendet wurde, eine akustische Verbesserung eben durch diese, wenn auch vermutlich ungewollte, chemische Behandlung erfahren hatte. Veröffentlichungen (1) und z.T. auch Patente (2) beinhalten die Aussage, dass durch Tränkung mit unterschiedlichen Chemikalien (meist anorganischen Salzen, aber auch Harnstoffharzen) Verbesserungen im Festigkeitsbereich und akustischen Größen ( Dämpfung, Schallgeschwindigkeit ) erreicht wurden.
Eigene Untersuchungen zu dieser Problematik ergaben folgende Ergebnisse:
Resorcin und Kaliumacetat sind aufgrund ihrer hygroskopischen Eigenschaften als Tränkmittel zur Verbesserung akustischer Eigenschaften nicht geeignet. Die Tränkung mit Natriumtrisilicat und Oxalsäure ergab keine Verbesserung akustisch wichtiger Eigenschaften. Aufgrund der geringen Löslichkeit von Natriumhexafluor-silicat in Wasser und der Abnahme der Masse nach der Tränkung, ist eine gesicherte Aussage über eine Aufnahme des Salzes in die Holzstruktur nicht möglich. Die schwach saure Reaktion dieses Tränkmittels in Wasser kann u.U. ein Herauslösen von Hemicellulosen bewirkt haben, wodurch die Massereduzierung nach der Tränkung zu erklären wäre. Eine geringfügige Verbesserung akustischer Eigenschaften kann für diesen Tränkversuch eingeschätzt werden. Die Tränkung mit Chromalaun sowie Siliconöl ergab in der Gesamtsumme keine Verbesserung akustischer Holzparameter. Die Tränkung mit Tetraaetoxysilan muss nach den vorliegenden Ergebnissen als positive Veränderung der Holzeigenschaften angesehen werden. Hier wären weitere Untersuchungen zur eingebrachten Tränkmittelmenge bzw. zur Herauslösung von Holzbestandteilen (Harzen) erforderlich.

(1) Yano, Hiroyuki: Improvements of acoustic properties of wood for musical instruments by chemical modification, Department of Forestry, Kyoto Prefectural University, Sakyo-ku, Japan , Vortrag in Nancy, Frankreich 10/1992
(2) Schnur, Karl; Okruch, Leo: Patentoffenlegung, DE 3422465 A1,
Verfahren zum Entdämpfen von Klanghölzern

Metallkleben im Blasinstrumentenbau

Im Rahmen eines Forschungsvorhabens galt es die Möglichkeiten des Metallklebens im Blasinstrumentenbau, insbesondere bei Blechblasinstrumenten und Saxophonen zu untersuchen und eine Auswahl geeigneter Klebstoffe zu treffen. Bisher sind keine systematischen Untersuchungen zum Metallkleben im Blasinstrumentenbau bekannt.
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 Hauptgruppe 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 den typischen Verbindungen der Metallblasinstrumente, 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 damit die Klebverbindungen nicht galvanisierbar. Mit der geforderten Festigkeits-, Alterungs- und Temperaturbeständigkeit ist kein elektrisch leitender Klebstoff auf dem Markt.

Im IfM werden auf dem Markt befindliche Holzklebstoffe auf ihre Eignung für kompliziertere Montageklebungen und für spezifische Anforderungen im Musikinstrumentenbau u.a. Bereichen untersucht. Die Prüfung der Trockenbindefestigkeit (Klebfestigkeit) nach Euronorm erweist sich als ein zwar notwendiges, aber keineswegs hinreichendes Verfahren, um die Eignung eines Klebstoffes zu beurteilen. Von Bedeutung sind ferner Lagerfähigkeit und Preis, die technologische Handhabung, Werkzeugabnutzung und Lackverträglichkeit, Reparaturfreundlichkeit, das Verhalten in zeitweilig feuchterem Umgebungsklima, Fugenfüllung bei ungenauen oder klaffenden Passungen oder bei rauhen Oberflächen, besonders aber die Widerstandsfähigkeit gegen Dauerbelastungen, wie sie z.B. aufgrund "gewollter Spannungen" im Musikinstrument auftreten. Mangels eines gültigen Standards wird für deren Prüfung eine zeitraffende Arbeitsweise angewandt, die sich an einer früheren, zeitweilig genormten Methode orientierte.
Das Bild zeigt eine einfache, aber wirkungsvolle Vorrichtung zur gleichzeitigen Belastung mehrerer Klebeproben unter gleichen Bedingungen. Löst sich eine Klebeverbindung, so bleiben die Bedingungen für die anderen Proben trotzdem konstant.

Lasertechnologie beim Stimmen von Akkordeonstimmplatten

Traditionell werden beim automatischen Stimmen von Akkordeontonzungen diese mittels einer Schleifscheibe am vorderen Ende bearbeitet. Da ein schleifen am hinteren Ende nicht möglich ist, kann das Stimmen nur in eine Richtung "höher" erfolgen. Die Zungen müssen in der Vorfertigung also in jedem Falle auf "zu tief" eingestellt werden. Materialabtrag am vorderen freien Ende der Zunge führt zur Tonerhöhung; Materialabtrag am festen hinteren Ende zu einer Tonerniedrigung. Diese Methodik weist weitere Nachteile auf. Beim Stimmen kommt es zu hohen Geräuschpegeln, starker Staubentwicklung und nur geringen Standzeiten der Schleifscheiben. Weiterhin kann während des Abttragens die aktuelle Tonhöhe nicht gemessen werden.
Nutzt man zum Materialabtrag einen Laser, so sind all diese Nachteile nicht vorhanden. Inbesondere kann "in beide Richtungen" gestimmt, und während des Abtragens gemessen werden. Die eingetragene Energie führt zu einer temporären termischen Beeinflussung der Tonhöhe und damit der laufenden Kontrollmessung. Dies kann durch Beachtung der ablaufenden Temperaturausgleichsvorgänge jedoch kompensiert werden.

Ritzhärtebestimmung von Lacken

Lackierungen mit gutem Gebrauchswert müssen neben hoher Haftung und Elastizität eine den (Gebrauchs-) Anforderungen entsprechende Härte aufweisen. Bei dem Versuch, diese Eigenschaft physikalisch exakt zu definieren, stößt man auf Schwierigkeiten. Die Härte stellt einen komplexen Kennwert dar und ist stets im Zusammenhang mit dem angewandten Prüfverfahren zu gebrauchen. Im Allgemeinen versteht man unter Härte den Widerstand einer Werkstoffoberfläche gegen plastische Verformung durch einen genormten Eindringkörper. Der bleibende Eindruck dieses Eindringkörper wird präzise vermessen und stellt einen Wert für die Härte dar. Im Falle unserer sehr dünnen Lackschichten sind aber eher die inneren Kohäsionskräfte gefragt, als die Deformation der Oberfläche, sodass diese Definition hier nicht sinnvoll erscheint.

Eine Erweiterung erhält die Härtedefinition durch Berücksichtigung der bereits 1822 von Mohs veröffentlichten Härteskala. [HÜTTE 1991] Ein Stoff ist danach härter als ein anderer, wenn er bei gegenseitiger mechanischer Beanspruchung die Kollision ohne Verletzung übersteht. Eine solche Definition von Härte bezieht sich weniger auf Deformierbarkeit und Widerstand bei Krafteinwirkung als mehr auf die innere Festigkeit und damit auf die Kohäsionskräfte des zu beurteilenden Stoffes. Eine für uns passende Definition! Leider enthält die Mohs´sche Härteskala keine Polymeren als Referenzsubstanzen. Es musste also nach einer anderen Methode gesucht werden, die in der s. g. Ritzprüfung nach DIN EN ISO 1518 gefunden wurde. Die Norm legt ein Verfahren fest, mit dem unter definierten Bedingungen der Widerstand eines Lacksystems gegen das Eindringen eines Ritzstichels mit halbkugelförmiger Spitze bestimmt wird. Dabei wird die Mindestlast bestimmt, unter der der Ritzstichel mit zunehmender Belastung die Beschichtung bis zum Substrat durchdringt. Im IfM wurde dafür eine spezielle Messeinrichtung konstruiert und gebaut (Abbildung 3). Der Ritzstichel des Gerätes wird mit einer konstanten Geschwindigkeit von 30...40 mm/s über die Probe gezogen, wobei die Bewegung durch einen Pneumatikzylinder erzeugt wird. Bei der Bewegung wird die auf den Ritzstichel wirkende Kraft linear erhöht. Zur Bewertung der Ritzhärte wird die Kraft verwendet, die benötigt wird, den Lack zu durchdringen.

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