Um die Präzision und Leistung von Sportpfeilbogen zu verbessern, setzen die Spezialisten des Instituts für Kunststofftechnik FHNW Flachsfasern in den Wurfarmen ein.
Robin Hoods hölzerner Pfeilbogen war gestern, heute setzen Bogenschützen High-Tech-Pfeilbogen ein. Diese komplexen Sportgeräte sind hohen Belastungen ausgesetzt und bestehen darum aus leichten, extrem stabilen Verbundwerkstoffen. Bei diesen Compoundbögen wird die Aufzugsenergie in den sogenannten Wurfarmen zwischengespeichert und für die Schussabgabe wieder an den Pfeil abgegeben. Dabei werden die Wurfarme stark gebogen und enormen Beschleunigungen ausgesetzt, was hohe Anforderungen an die Materialien stellt. Die Wurfarme werden darum meist aus glasfaserverstärktem Kunststoff hergestellt.
Das Institut für Produkt- und Produktionsengineering FHNW erhielt den Auftrag, einen Compound-Bogen zu optimieren. Der Auftraggeber - selbst begeisterter Bogenschütze – will die Bögen in Zukunft in der Schweiz produzieren.
Geometrie und Material des Bogens optimieren
Die FHNW-Experten optimierten die Geometrie des Bogenkörpers und die dazugehörige Materialwahl einer geeigneten Aluminiumlegierung. Dazu rekonstruierten sie den Bogenspannprozess mittels FEM-Simulation, um die Belastung während der Schussabgabe analysieren zu können. Mit Hilfe dieses Lastfalles führten sie eine Topologieoptimierung des Bogenkörpers durch. Die daraus entstandene Geometrie unterzogen sie zusätzlich einer Machbarkeitsstudie für eine Herstellung mittels Gesenkschmieden, wodurch bis zu 85% an Material gespart werden kann.
Als Legierung wählten sie eine Aluminium-Lithium-Legierungen mit einem E-Modul, welches 10% grösser ist als bei einer konventionellen Aluminium-Legierung, dies bei gleichzeitiger Reduktion der Dichte um ebenfalls 10%. Das führt zu einer grösseren Steifigkeit und einem geringeren Gewicht des Bogenkörpers.
Flachsfasern für die Wurfarme
Das Design und die Optimierung der faserverstärkten Wurfarme übernahm das Institut für Kunststofftechnik FHNW, da dieses über ein hohes Fachwissen bei Verbundwerkstoffen verfügt. Das Konzept der unidirektional verstärkten Wurfarme behielten die FHNW-Experten bei und auch das Design orientierte sich an bestehenden Produkten. Für die äusseren, unter hohen mechanischen Spannungen stehenden Lagen der Wurfarme verbauten die Kunststoff-Profis Glasfasern. Für den Kern hingegen verwendeten sie Flachsfasern, die gute Dämpfungseigenschaften vorweisen. Dadurch sollen Vibrationen des Bogens bei der Schussabgabe reduziert und die Schiesseigenschaft insgesamt verbessert werden.
Da sich die Flachsfasern mit ihrer hellbraunen Farbe deutlich von den transparenten Glasfasern abheben, konnte auch ein einzigartiges Design erreicht werden, das dem Bogen einen naturnahen Anblick verschafft. Weiter kommt hinzu, dass Flachs ein nachwachsender Rohstoff ist. Die Substitution herkömmlicher Werkstoffe durch nachwachsende hat auch im Sportartikelbereich grosses Potential, um Ressourcen zu schonen.
Schweizer Bogen kann mit den Besten mithalten
Ausgehend vom Grunddesign definierten die FHNW-Forschenden den Lagenaufbau der Wurfarme und somit die Position der unterschiedlichen Fasern innerhalb des Bauteils. Um die gewünschten mechanischen Eigenschaften einzustellen, überprüften sie die Verformung der Wurfarme mit einer FEM-Simulation, die sich speziell zur Simulation von Faserverbundbauteilen eignet. Die komplett an der FHNW laminierten und gefrästen Wurfarme wurden zur Validierung auf einer Zugprüfmaschine getestet. Bereits dabei konnte festgestellt werden, dass die neu entwickelten Wurfarme bezüglich ihrer mechanischen Eigenschaften mit kommerziellen Produkten mithalten können.
Der Auftraggeber führte selber Versuche durch und beschrieb das Schiessverhalten als positiv. Um den Bogen zu verbessern, sollte bei einer gleichbleibenden Aufzugskraft die Pfeilgeschwindigkeit erhöht werden. Erste Messungen ergaben Pfeilgeschwindigkeiten von 254 ft/s bez. rund 77 m/s. Diese Geschwindigkeit befindet sich auf dem Niveau von vergleichbaren kommerziellen Wurfarmen.