GFK-Profilmast
Profilmast + Carbon + Selbstbau = vereinbar ?
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Kein Mast von der Stange
Soll es ein neuer leichterer oder aerodynamisch günstigerer Mast sein, oder einer mit ganz spezifischen Eigenschaften die von der Stange nicht zu haben sind, gibt es kaum eine bessere Alternative.
Composite-Profilmast
Bezüglich der günstigen aerodynamischen Ausprägung eines Profilmastes ist hinlänglich in der Literatur bzw. im Internet dokumentiert und braucht hier wohl nicht weiter vertieft zu werden. Beispielhaft ist hier die interessante Abhandlung "Wingmast Aerodynamics" von Thomas E. Speer (www.tspeer.com) zu empfehlen.Soll der Neue Mast aus Carbonfaser gefertigt werden, sind die zukünftigen Einsatzbedingungen genauer zu spezifizieren als bei einer „Standart“ Aluminium Sektion. Das hat mehrere Gründe und begründet in gleichem Maße die Vor- als auch die Nachteile eines Kohlefaser-Profilmastes.
Vorteile/Nachteile
Vorteile Nachteile - leichter bzw. fester - konstruktiv bedingte Trimmbarkeit - aerodynamisch günstiger - aufwändiger zu berechnen - extra Segel-/Antriebsfläche - Segelfläche - auch ohne Tuch - als Selbstbau recht kostengünstig - als Fertigprodukt - extrem Teuer - einfachere Rigg Auslegung - als Selbstbau recht Arbeitsintensiv - ggf. Schutz vor Durchkentern - begünstigt die Hydrodynamic - leichteres Wenden - leichteres Reffen
Profil-Spezifikation
Für Sport-Cat´s und –Tri´s kommen bezüglich der Trimmbarkeit eher Profilmasten mit kleinerem Streckungsverhältnis (B:L = Ratio) in Frage. Bei zunehmendem Ratio nimmt die Längssteifigkeit sehr schnell zu. Der Radius der Profillänge geht beim axialen Flächenmoment um die Querachse im Kubik ein. Eine Mast-Vorbiegung ist damit nahezu unmöglich. Die Abhandlung „Australian High Performance Catamarans – Sailing a Wingmast Rig (www.ahpc.com.au) scheint mir ein wenig optimistisch bei einem Ratio von 1:2,5 und höher. Für regattaorientierte Sport-Cat Segler mit dem Anspruch auf einen "gut trimmbaren" Mast scheint ein Ratio von 1:1,5 bis max. 2,0 eher geeignet. Je kleiner das Ratio ausgewählt wird, je genauer kommt es dann aber auf die Berechnung und Fertigung des Mastes an. Je höher die Ansprüche an „Verbiegbarkeit“ bei "ultimativer Festigkeit" - je weniger Selbstbau erscheint ratsam. Größere Streckungen erlauben größere Toleranz gegenüber Spezifikation und Produktion da durch die zunehmende Profillänge ebenfalls die Quersteifigkeit zunimmt, wenn auch nicht in dem Maße wie die Längssteifigkeit.
Mast-Spezifikation
Die Berechnung eines Profilmastes kann mit guten Näherungswerten durchgeführt werden - den Rest erledigt der (Un-) Sicherheitsfaktor. Ist Aluminium ein homogener (isotroper) Werkstoff (gleiche Festigkeit in allen Richtungen), der recht einfach zu rechnen ist, müssen die einwirkenden Kräfte bei einem Composite-Mast doch etwas aufwändiger gerechnet und die Orientierung der Faseranordnung entlang der Lastlinien genauer spezifiziert werden. Das sehr tief am Mast anlenkende Rigg beim Sport-Cat und -Tri, ca. 2/3 Mastlänge, bedarf ebenfalls einer anderen Definition als ein 7/8-Rigg. Beim geteilten Mast wirken zudem noch weitere Kräfte auf Teilung und Top-Mast, die besonderer Berücksichtigung bedürfen. Vor allem wenn weit oben am Mast noch ein großzügiger Blister oder Reacher angeschlagen werden soll.Der Bau, insbesondere Selbstbau ist untrennbar mit der Güte der Laminat-Herstellung verbunden. Kann bei einem Composite-Mast aus Holz oder Schaum und Glasfaser noch eine erzielbare Festigkeit des Composites vorhergesehen werden, gilt dies keineswegs für die Anwendung von Kohlefaser. Die meisten Abhandlungen empfehlen im Zweifelsfall die Dimensionierung in Aluminium (z.B. T6 / E1t = 69 GPa / Rm° = 330 MPa) als Referenz zu nehmen. Kein Wunder, damit liegt man auf der "halbwegs" sicheren Seite. Halbwegs, weil Aluminium unter Zug und Druck gleiche Festigkeiten ausweist - was keineswegs für Carbon-Composite gilt. Kohlefasersysteme erlauben im Druckstab lediglich etwa 55% der Kräfte, die sie unter Zug ertragen könnten.
Zudem sind extrem divergierende Festigkeiten durch den Selbstbauer erzielbar. Als Mittel dürfte für UD-Gelege etwa ein E-Modul von ca. 86 GPa, bzw. Rm° von ca. 860 MPa angesehen werden. Die zulässige Druckspannung wäre dann ca. 470 MPa. Also immer noch fast 50% mehr als Aluminium und damit "halbwegs" auf der sicheren Seite. Aufgrund der etwa halb so großen spezifischen Dichte des Kohlefaser-Laminats wäre der Mast schon einmal etwas leichter. Die eigentlichen Vorteile des hochfesten Carbon-Composites wären aber wohl mehr als vergeben. Die werden erst durch eine spezifizierte Auslegung und Orientierung der Kohlefaser im Laminat erzielt. Das gilt gleichermaßen für die semi-industrielle Produktion als auch für den Selbstbau.
Der Durchschnittstyp - 1:3 Profilmast
Für den weniger regatta-ambitionierten Mehrrumpf-Segler wäre ein frei rotierender 1:3 Profilmast am 3-Stagen-/Wanten-System sicherlich eine interessante, empfehlenswerte und realisierbare Alternative. Durch die zunehmende Profiltiefe wird (vergl. oben) das Flächenträgheitsmoment der Mast-Section sehr schnell größer. Das erlaubt beim Bau auch ein paar Abstriche bei der Güte des Carbon-Composites. Das hat dazu geführt, das ich mich beim Selbstbau des Prototyps eines 16 ft-Sport-Trimaran ebenso für diese Mast-Variante entschieden habe - und zusätzlich zu den o.a. Vorteilen noch den Vorteil ausnutze, dass solch ein Mast über ein großes Volumen über die gesamte Mastlänge verfügt, welches im Falle einer Kenterung zumindest ein Durchkentern ohne aufwendige Top-Gerätschaften verhindert.
Der Mast
Der hier beschriebene Mast wurde als Erstlingswerk und mit recht ordentlichem Ergebnis hergestellt - ein Härtetest steht z.Zt. noch aus. Das Composite-Material stammt samt und sonders von CTM, Schleswig, "www.CTMat.de". Ausgehend von den Vorgaben: 1:3 Profil; gute Querfestigkeit; leichte aber stabile Mastteilung; günstige Herstellungskosten; wurde der Profilmast (86 x 245 mm / 28 kg) ca. 1-1/2 mal so schwer wie ein gleich großer Hobie 16 Alu-Mast (78 x 120 mm / ca. 18 kg ohne Beschläge und ohne Mastteilung, da mir diese Gewichte nicht bekannt sind). Werden die Gewichte für Fuß-, Kopf-, Baumbeschlag und Teilung hinzugerechnet kommt man eher auf ein 1,2-faches Gewicht.Die Quersteifigkeit mit ca. 125 cm4 gegenüber ca. 44 cm4 (H16-Mast) schützt den Nutzer sicherlich vor dem doch recht häufig anzutreffenden Verbiegen der HC16-Profilen (ohne Salinge). Die Kosten können mit etwa 60% eines kompletten HC-16 Mastes (Ersatzteilpreis) angegeben werden - also ähnlich dem für einen gebrauchten Mast. Beim TopCAT K3-Mast fiele der Preisvorteil noch günstiger aus. Allerdings ist der Profilmast mit einer Längssteifigkeit von ca. 350 cm4 so trimmbar wie ein Brückenträger und kostet ca. 150 Stunden Arbeit.
Zwecks problemloser Trailerbarkeit ist der Mast bei 5 Meter Länge geteilt (Topmast = 2,95 m). Die Teilung wiegt ca. 3,6 kg und erfordert einen erheblichen Anteil der Arbeitsstunden. Die Rigg-Anlenkung erfolgt wie bei den "Großen" über einen 3-teiligen Mast-Hound mit Carbon-Delta-Platte für Vorstag und Wanten-Anlenkung über Toggles. Den Mast-Hound ebenfalls aus Carbon zu fertigen habe ich mich noch nicht getraut, so kam ein gebrauchter Seldén-Rodkicker Mastbeschlag aus Alu zum Einsatz. Durch den Mast-Hound ist die Mast-Wange davor geschützt im stark rotierten Zustand am Want zu scheuern, was bei einer direkten Stag-/Wanten Anbindung durch Haken und Rundschäkel nahezu unvermeidbar ist und bei einem Kohlefaser-Mast sehr schnell zu Materialschäden führen wird.
Der Topmast alleine verfügt über ein Auftriebsvolumen von ca. 32 daN bei 10,5 kp Eigengewicht. Der somit im Falle einer Kenterung wirkende Auftrieb von ca. 21,5 daN kommt frühzeitig zum Einsatz. Zusammen mit dem restlichen Auftriebsvolumen von ca. 66 daN im Hauptmast sollte das Durchkentern des ca. 120 kg schweren Fahrzeuges (Gesamt-Verdrängung 270 kg) sicherlich zu vermeiden sein.
Die einzelnen Gewichtsanteile sind:
Innere Struktur (Formgeber/Schotten, Stringer und Fallen-Kanal) = 6,4 kg (23 %)
Mastteilung (Alu-Profil; GFK-Manschette; Schotten; Leisten) = 3,6 kg (13 %)
Tragende Struktur (Composite-Laminat; Mastfuß; Masttop; Hound) = 18,3 kg (64 %)
Die Versagenstheorie für solch einen Kohlefasermast geht davon aus, dass ein Bruch des Bauteils unausweichlich ist, wenn eine ausreichende Menge Fasern aus ihrer lastorientierten Lage ausbrechen (plastische Formänderung). Das heißt, wenn Filamente der tragenden unidirektionalen Lagen aus der Harz-Matrix nach außen hin ausbrechen. Demzufolge müssen die Filamente der innersten wie die der äußersten UD-Carbon-Lage, die Zwischenlagen stützen sich gegenseitig, davon abgehalten werden. Dies würde naturgemäß am besten durch eine 90° orientierte UD-Lage bewirkt. Die geforderte Mindestfestigkeit dieser Sperrlage ist unmittelbar Abhängig von dem Quotienten der äußeren Flächenelemente und der wirkenden Druckspannung (Kraft / Fläche), wobei sich das große axiale Flächenmoment extrem günstig auswirkt. Aufgrund der Gegebenheiten wurde beim vorliegenden Profilmast auf die Verwendung von Kohlefaser in diesen Lagen verzichtet und auf E-Glasgewebe (RE292H4Q Quadran/Kreuzköper i.V.m. XE 300 +/- 45° BIAX-Gelege) zurückgegriffen. Die biaxialen Laminat-Komponenten übernehmen hierbei zusätzlich die Torsions-Momente. Das ist die etwas "schwerere" Alternative, aber wesentlich kostengünstiger.
Die innere Struktur (Sperrholz, Holzleisten) muss mit einem holztauglichen Epoxidharz (z.B. SP 320) verklebt werden und "allseitig" beschichtet sein. Für die Erstellung der tragenden Laminat-Struktur kommt hingegen nur ein Epoxid-Harz-System in Frage, das bezüglich Benetzungs-, Fließ- und Festigkeitseigenschaften mit Carbon-Gelege harmoniert. Also lediglich ein hochbelastbares Harz (z.B. AMPREG 26) . Für einen geruhsamen Laminataufbau wünscht man sich verständlicher Weise gerne einen ultra-langsamen Härter für längstmögliche Topfzeiten. Das könnte sich fatal auswirken, wenn diese Harz/Härter Variante unbedingt bei erhöhten Temperaturen nachgehärtet werden muss. Der Selbstbauer ist jedenfalls besser beraten, sich in jedem Fall für ein bei Raumtemperatur kalt-aushärtendes Harz/Härter System zu verlassen. Eine entsprechende Vorrichtung, um ein viele Meter langes Bauteil über längere Zeit kontrolliert gestuft hochzutemperieren und für Stunden dort zu halten erscheint unrealistisch. Beim nachträglichen Tempern kann sich zudem das Bauteil verformen, sofern es nicht entsprechend abgestützt und formhaltig gesichert wird, da das Laminat zunächst erweicht, bevor es letztlich eine höhere Festigkeiststufe erreicht. Ich hatte bei einer Topfzeit von ca. 30 Minuten pro Anmischung (immer so wenig wie möglich und lieber öfter frisch) absolut keine Probleme die bis zu 8 einzelne Carbon-UD-Lagen auf dem Formgeber zu laminieren.
Eine Vakuum-Consolidierung wäre schon eine sinnvolle Sache, war aber ebenfalls von Anfang an nicht vorgesehen. Bereits angehärtete innere Lagen noch vacuumconsolidieren zu wollen nachdem endlich auch die letzte äußere Lage aufgebracht wurde, ist h.E. schlechterdings albern! Wichtiger erscheint gutes Tränken und solides Anrollen der UD-Gelege-Lagen auf einem ruhig und fixiert liegenden Formgeber - viel Kontrolle und ohne "viel Bewegung im Schiff". Die Kohlefaser-Struktur sollte unbedingt in einem Arbeitsgang aufgebaut werden. Nicht unwesentlich ist die Tatsache, daß UD-Gewebe keine flächig deckende Gewebe-Strukturen sind. Vielmehr bestehen sie aus parallel angeordneten extrem flachen Bündeln (flat Rovings) von Einzelfäden (Filamente). Zwischen diesen Bündeln sind mitunter nicht unbeträchtliche Abstände bzw. Leerräume. Wird beim Laminataufbau nicht das Filamenten-Roving der oberen Lage in den Leerraum der vorherigen Lage etwas eingepresst, bleibt dieser Leerraum erhalten. Wird dieser nun ebenfalls nicht mit Harz aufgefüllt, entsteht ein Hohlraum, auch "Void" genannt. Dieses Anlegen bzw. Einpressen der einzelnen Lagen wird beim Vacuum-Consolidieren durch den Außendruck erreicht. Beim Wet-/Hand-Layup muß das durch sorgfältiges Anrollen und ausreichender Harzmenge bewerkstelligt werden - kann naturgemäß aber nie die Qualität einer Vacuumierung erreichen. Allerdings ist nicht jede vorgenommene Vacuum-Anwendung auch immer von Erfolg gekrönt. Auch und gerade hierbei können durch die Bewegung des Laminats und die relativ großen Flächenkräfte des Außendrucks extrem negative (Verschiebungen) bis fatale Fehler (Verwerfungen) im Laminat erzeugt werden.
Alle Unterbrechungen im gesamten Laminataufbau müssen mit Abreißgewebe überbrückt werden um "unkontrolliertes", aber auch zeitraubendes Anschleifen zu vermeiden. So ein Mast hat auch ein paar Quadratmeter (hier z.B. 3,7 m2).
Der Fallen-Kanal ist einerseits die Längs-Strak gebende Komponente, andererseits ermöglicht er den restlichen Teil des Mastes luftdicht geschlossen zu bauen. Der ca. 55 x 45 / 20 mm trapezoide Kanal aus überlappenden 2,4 m langen Sperrholzstreifen (im Baumarkt auf der Plattensäge zugesägt) bringt selbst bei einer Mastlänge von 8 Meter bereits sehr viel Formsteifigkeit in das System und begünstigt den weiteren Baufortschritt. Nachdem die Spanten und Stringer und Webbing (nur Top-Mast) hieran angeklebt wurden, ließe sich das 8 Meter lange Bauteil jetzt bereits aufnehmen und würde dennoch seine strakende Form behalten.
Der Fallen-Kanal ist einerseits die Längs-Strak gebende Komponente, andererseits ermöglicht er den restlichen Teil des Mastes luftdicht geschlossen zu bauen. Der ca. 55 x 45 / 20 mm trapezoide Kanal aus überlappenden 2,4 m langen Sperrholzstreifen (im Baumarkt auf der Plattensäge zugesägt) bringt selbst bei einer Mastlänge von 8 Meter bereits sehr viel Formsteifigkeit in das System und begünstigt den weiteren Baufortschritt. Nachdem die Spanten und Stringer und Webbing (nur Top-Mast) hieran angeklebt wurden, ließe sich das 8 Meter lange Bauteil jetzt bereits aufnehmen und würde dennoch seine strakende Form behalten.
Die leichtgewichtigere Alternative
Eine andere Bauvariante wäre ein 2-schaliger Aufbau der tragenden Struktur - ohne die vorher vorgestellte Innere Struktur. Diese würde vorzugsweise über einen halbschaligen Positiv-Formgeber erfolgen. Spanten werden in einem ausreichenden Abstand (ca. 30 cm) auf einem absolut geraden Längsträger befestigt. Beim profiliert verjüngenden Mast muss dieser der Mastlänge entsprechen. Bei durchlaufendem Sektions-Profil können auch Felder (Panels) hergestellt werden (Längenabschnitte des Mastes). Die Spanten werden hiernach mit Packband abgetaped (Trennmittel) und danach mit Leisten (Wangenverklebung mit Epoxy) oder mit versetzt überlappenden Funierstreifen so beplankt, das sich eine innere Halbschale der Länge des Mastes nach ergibt. Bei gleichbleibendem Mastprofil können die Panels auch durch beplanken mit Flugzeugsperrholz ("Birke"; 0,8 oder 1mm stark) hergestellt werden. Die Formgeber können letztlich im Mast verbleiben. Sie tragen zwar kaum zur Festigkeit, wohl aber zum axialen Flächenmoment bei, allerdings auch zum Gewicht. Sie müssen in diesem Fall unbedingt vor dem Verkleben der beiden Masthälften mit Epoxy beschichtet werden. Sollen sie nicht im Mast verbleiben (z.B. Panels), werden selbige vor dem Laminieren der Gewebelagen mit PE-Folie (Verpackungsfolie) belegt und zusätzlich mit Trennwachs beschichtet. Soll aus den Panels ein absolut gerader Mast werden, braucht man aber jetzt den entsprechend gerade verlaufenden Längsträger. In beiden Fällen werden die Formgeber nunmehr zunächst mit den Innen-/Sperrlagen beschichtet. Die tragenden UD-Strukturlagen können ebenfalls bereits auf die Halbschalen-Formgeber laminiert werden, da diese weder um Vorder- noch Hinterkante des Mastes herum führen. Vor dem Aufbringen der Außen-/Sperrlagen müssen aber beide Hälften kraftschlüssig miteinander verklebt werden (z.B. innen einseitig eine Überlappung als Klebesteg vorsehen). Die Außenlagen müssen die Mast-Vorder- und Hinterkante genügend oft Umschließen und vorzugsweise Doppeln.Das Einbringen eines Fallen-Kanals wäre aber wesentlich schwieriger. Der gerade Strak des Mastes müsste anders herbeigeführt werden. Sofern die Fallen dennoch innerhalb des Mastes laufen sollen, wäre dieser nicht als luftdichter Baukörper herzustellen und könnte somit auch nur bedingt als Auftriebskörper angesehen werden.
Die Vorrichtung zur Aufnahme des Grosssegel-Vorlieks muss vorher gebaut und beim Zusammenfügen der Masthälften mit eingeklebt werden. Die Aussparung (Keep/Groove) sollte erst nach ausreichender Aushärtung ausgesägt werden.
Finish
Die letzte äußere Lage sollte auf keinen Fall aus Carbon bestehen. Aramid wäre interessant aber teuer und kompliziert. Am Besten eine abschließende Lage aus E-Glas (z.B. RE292-Quadran-Kreuzköper) aufbringen, da E-Glas wesentlich widerstandsfähiger gegenüber Abrieb, Schlag- und Stoßbelastung ist und für ein besseres Finish zur Not auch noch angeschliffen werden kann.Um die ernstzunehmende Gefahr der thermische Schädigung der Carbon-Lagen zu vermeiden, sollte der Mast mit einem hellen reflektierenden UV-Schutz beschichtet werden. Empfehlenswert sind hier vor allem 2K-PU Lacke (z.B. Sterling). Mit ein paar Abstrichen bei der Belastbarkeit tun es aber auch 1 komponentige PUR-Systeme. Kommt aufgrund stärkerer Unebenheiten der Oberfläche kein weiteres Schleifen des Laminats in Frage (Durchschliff), empfiehlt es sich einen dicken "hellen" Primer/Füller (z.B. SP 302 HIBUILD) aufzubringen, der obwohl bereits stark gefüllt, nochmals mit Glass-Bubbles nachbefüllt, oder mit Collodial-Silica angedickt werden kann. Das ergibt einen extrem leichten Spachtel der nach Aushärtung relativ leicht geschliffen werden kann. Hiernach kann der Decklack direkt und ohne Grundierung aufgebracht werden.
Achtung: auch Farbe hat Gewicht, besonders bei 3,7 m2 Außenfläche !
Befestigung von Beschlägen
Jeder Mastbeschlag muss durch entsprechend eingebaute Verstärkungen berücksichtigt werden. Jegliches Anbringen anderer Befestigungen an konstruktiv hierfür nicht vorgesehenen Stellen oder ein Durchbohren der Carbon-Lagen kann zum Versagen der Mast-Struktur führen. Wurden lasteinleitende Beschläge vergessen zu berücksichtigen, müssen die Kräfte großflächig über Verklebungen und Dopplungen eingeleitet werden - keine Löcher und keine Nieten !
Fazit
Zu guter Letzt, würde sowohl auf die formgebende innere Hilfs-Struktur verzichtet (2-schaliger Aufbau) als auch die Teilbarkeit des Mastes als verzichtbar angesehen, läge man mit einem Baugewicht von ca. 18,5 kg etwa beim Rohgewicht eines einfachen Aluminiumprofils, hätte dafür aber einen antriebs- wie auftriebseffektiven Profilmast zum günstigen Einstiegspreis. Die Herstellung wäre allerdings trotz Fortfall von Komponenten der Inneren Struktur zeitaufwändiger.Käme für die innere und äußere Sperr- und Torsionslage ein 90/+45/-45°-Multiaxial-Gelege zum Einsatz, ließen sich bei E-Glas weitere 35% (ca. 2,5 kg) und bei Carbon sogar etwa 50% (ca. 3,5 kg) dieser Laminat-Anteile einsparen. Vermutlich wird mein nächster 15 kg - Composite-Profilmast genau so aussehen !
thf-yachtdesign
Thomas-H. Fischer
Am Eichenkatt 9
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