Формованная фанера: как пакет шпона заставляют держать двойную кривизну

Сверните лист лущёного шпона в трубку — он спружинит обратно целым. Попробуйте натянуть тот же лист на мяч — он треснет по волокну прежде, чем ляжет. Разница не в породе и не в толщине: цилиндр разворачивается в плоскость без единого миллиметра растяжения, сфера не разворачивается никак. Формованная фанера как технология выросла из попыток обойти этот школьный факт, и обходили его не столяры, а военный подрядчик.

Определение, ради которого стоит открыть патент

28 мая 1942 года в патентное ведомство США ушла заявка № 444 774 от Чарльза Имза (Charles Eames), Уэст-Лос-Анджелес, с передачей прав фирме Evans Products Company (Детройт). Патент выдали 26 февраля 1946 года под номером 2 395 468, «Method of making laminated articles», три пункта формулы. Начинается он не с чертежа, а со скобки, которую в пересказах обычно теряют:

«…by a compoundly curved surface is meant a surface presenting a two dimensional curve, such as a spherically shaped surface, as distinguished from an unidimensional curve, such as a cylindrically shaped surface» — под сложнокривой поверхностью здесь понимается поверхность с двумерной кривизной, сферическая, в отличие от одномерной, цилиндрической.

Дальше автор описывает состояние дел на 1942 год прямым текстом: применение гнутой фанеры «ограничивалось изделиями, где в любой точке поверхности один её элемент был прямой линией», а редкие сложные кривые получали «только при помощи дорогих штампов, работающих под относительно большим давлением, и обычно с некоторой потерей качества отделки древесины на формованных поверхностях». То есть двойную кривизну умели делать и до Имза — вопрос был в цене оснастки и в том, что поверхность после пресса приходилось спасать шлифовкой и покрытием.

Решение в патенте геометрическое, а не силовое. Из каждого листа-заготовки вырезают отверстие и сходящуюся к нему клиновидную вытачку; при укладке в форму края вытачки сходятся, и плоский лист получает купол. Купол ровно там, где остриё вытачки. Чем выше должен быть купол, тем шире клин у основания. Слои укладывают так, чтобы вытачки соседних листов были повёрнуты друг относительно друга и ни один шов не лёг точно на шов, — и тогда, по формулировке третьего пункта, требуется «angularly offsetting each dart-shaped portion with respect to the corresponding dart-shaped portion of any adjacent blank whereby no one dart-shaped portion directly overlies any other dart-shaped portion». Шов при этом, пишет автор, «substantially as strong as any other portion of the splint».

Второй приём — направление волокон. Про пакет в патенте сказано коротко: «Blanks are cut from a veneer sheet in such a manner that the grain in each blank runs in a different direction». Это та же перекрёстная схема, что и в обычной фанере: справочник Лесной лаборатории Министерства сельского хозяйства США (FPL–GTR–190, глава 11) определяет фанеру как панель с нечётным числом слоёв, «with the grain direction of adjacent layers oriented perpendicular to one another», и отдельно отмечает, что именно чередование волокон «makes plywood resistant to splitting». В формованной детали у этой перекрёстности есть третья работа: слои с разным направлением волокон по-разному текут в форме, и их взаимное проскальзывание и есть то, что позволяет пакету принять купол.

Бетонная матрица, резиновый мешок и час выдержки

Самое неожиданное в патенте — оснастка. Матрицу предлагается делать из бетона, и обоснование дано без околичностей: «since it is not required to withstand great pressure or heat». Внутри матрицы — электронагреватель с обычным терморегулятором. Пакет заготовок, промазанных термореактивным фенольным связующим, надевают на штыри выравнивающего приспособления, укладывают на матрицу и загоняют в камеру, где сверху лежит резиновый мешок-диафрагма. Дальше цитата: «air at a pressure of about 30 pounds per square inch is pumped into the bladder and the whole is left for about an hour, during which time the thermo-setting binder is permanently fixed to cement the laminae together».

Тридцать фунтов на квадратный дюйм — это около 0,2 МПа, давление автомобильной шины. Ради него и вводились вытачки: пакет не продавливают в форму, а дают ему сложиться самому, и мешок лишь прижимает. Температуру в оцифрованном тексте патента разобрать нельзя — на месте числа в распознанной строке пусто, поэтому здесь её не будет; известно только, что нагрев вёл сам штамп под термостатом.

Обратите внимание, что в патенте перечислены три изделия сразу: хирургическая шина, стул и носилки. Мебель заявлена в 1942 году наравне с медициной — и это ровно та связка «академия — оборонный подряд — серия», из которой вырос американский mid-century.

Шина: где карточки сходятся и где расходятся

Предмет

Шина для ноги (leg splint), формованная фанера

Авторы по карточкам

V&A: Чарльз и Рэй Имз (Charles Eames, Ray Eames), оба как дизайнеры. Метрополитен: только Чарльз Имз. В самом патенте изобретатель тоже один — Charles Eames

Производитель

Evans Products Company (в карточке кресла LCW уточнено: Molded Plywood Division)

Материал

«Moulded 5-ply birch plywood» — берёзовый шпон, пять слоёв (V&A, W.31-2016)

Масса

1,4 фунта, то есть 0,6 кг (Метрополитен, инв. 483088)

Отверстия

По описанию V&A — снимают напряжение в формованной фанере, чтобы та не расщепилась, и одновременно служат для протяжки бинтов

Разница в габаритах — полтора сантиметра по длине — это разные экземпляры и разные обмеры, а не спор. А вот с тиражом ситуация тоньше, чем кажется. Число «около 150 000» действительно живёт в музейном описании, а не только в пересказах: обе карточки V&A на шины (W.49-1983 и W.31-2016) содержат одну и ту же фразу. Но это описание одного музея; карточка Метрополитен тиража не называет, а карточку MoMA проверить не удалось — сайт музея закрыт защитой от автоматических запросов и не отдаёт текст. Так что честная формулировка — «по описанию V&A, к 1945 году выпущено 150 000», а не «известно, что».

Почему у LCW сиденье и спинка врозь

Кресло LCW (Lounge Chair Wood) в собрании V&A описано подробнее, чем большинство музейных карточек вообще бывают, и описание объясняет главное ограничение технологии лучше любой лекции. Спроектировано в 1945–1946 годах, конкретный экземпляр изготовлен в 1947–1948-м на Evans Products; габариты 67 × 56 × 61 см, высота сиденья 39 см. Конструкция — «пять формованных фанерных элементов»: пятислойные сиденье и спинка, П-образные семислойные ножные узлы, изогнутый «хребет», связывающий спинку с остальным. Всё это соединено через резиновые виброопоры — те самые shock mounts, что позже держат три раковины кресла 670.

Там же сказано и то, ради чего эта статья: авторам удалось формовать фанеру «in three planes», а LCW был одним из нескольких послевоенных вариантов, «that all featured separate seats and backs». Единой раковины на этом этапе не получалось — и дело не в художественном выборе. Чем крупнее деталь, тем больше в ней участков с разной кривизной, тем больше вытачек, тем выше шанс, что где-то соседние швы совпадут и получится слабая линия. Раздельные сиденье и спинка — это два умеренно сложных купола вместо одного невозможного. Ровно поэтому же плоские фанерные щиты красно-синего кресла Ритвельда, сделанного четвертью века раньше, не требовали никакой оснастки: у плоскости кривизны нет вовсе.

Правило «радиус кривизны ограничен величиной от 100 до 125 толщин слоя» взято дословно из главы 11 того же справочника FPL–GTR–190, и относится оно к клеёным деревянным конструкциям из пиломатериала, а не к мебельной фанере: строки про шпон в нём нет. Пересчёт в таблице — иллюстрация пропорции, а не норматив. Но пропорция объясняет всё: чтобы согнуть деталь по радиусу спинки стула, нужны слои толщиной около миллиметра, и никакая толстая доска этого не даст. Там же сказано, почему на крутом радиусе деталь расслаивается: с уменьшением радиуса растут радиальные напряжения, направленные перпендикулярно широким пластям слоёв, а поперёк волокон древесина слаба. Это и есть физический предел — не прочность клея, а прочность самого дерева на отрыв.

Финская ветвь: ножку не гнули, а распилили

Альвар Аалто (Alvar Aalto) пришёл к той же задаче с другой стороны — ему нужен был не купол, а прямой угол в массиве. Патент США 2 042 976 «Process of bending wood» подан 8 ноября 1934 года (заявка № 752 170), с британским приоритетом от 8 ноября 1933-го, выдан 2 июня 1936 года. Формула — один-единственный пункт, и он читается как рецепт:

«A process of forming bent articles of wood, consisting in slotting a portion of a piece of solid wood longitudinally from an end to form separate layers, interleaving said layers with thin strips, placing adhesive between said strips and said layers, bending the composite structure thus formed in a plane approximately perpendicular to the planes of said layers and holding it until said adhesive has set sufficiently to maintain the bend».

По-русски: конец бруска пропиливают вдоль на несколько слоёв, в пропилы вклеивают тонкие полоски шпона и, пока клей сырой, гнут пакет поперёк плоскостей пропила. Пропилы, уточняет описание, делают разной глубины — часть заходит за пределы зоны гиба, часть не доходит. Дальше клей застывает, и угол зафиксирован. Это та же логика, что у Имза, только вывернутая: там из тонких листов набирают толстую деталь, здесь толстую деталь превращают в пакет тонких.

Что говорит российский стандарт

В отечественной терминологии предмет разговора называется гнутоклееной заготовкой, и стандарты на неё писались под мебельное производство буквально. ГОСТ 19921-74 «Заготовки гнутоклееные. Метод определения предела прочности при статическом изгибе» распространяется, по своей же первой строке, «на гнутоклееные заготовки с криволинейными участками». Испытывают их так: образцы высотой 20 мм выпиливают из криволинейных участков, влажность образцов должна быть 8 ± 2 %, а сама проверка — «испытание образцов на изгиб с уменьшением кривизны (разгиб)» при равномерном нагружении со скоростью 10 мм/мин до разрушения. Стандарт советский, но ограничение срока действия с него снято протоколом № 5-94 Межгосударственного совета по стандартизации.

Рядом стоит ГОСТ 19922-74 с названием, которое не оставляет сомнений в отрасли: «Метод определения предела прочности клеевого соединения бобышек со шпоном в трапециевидных царгах стульев». Технические условия на сами заготовки — ГОСТ 21178-75, но его текст в открытых базах закрыт, поэтому чисел из него здесь нет.

На листовую фанеру действует ГОСТ 3916.1-2018 (введён с 1 апреля 2019 года). Он делит фанеру «по степени водостойкости клеевого соединения» на две марки: ФСФ — «повышенной водостойкости для внутреннего и наружного использования», ФК — «водостойкая для внутреннего использования». Для мебельной раковины это не буквоедство: марка описывает клей, а клей в формованной детали — не шов между двумя досками, а единственное, что удерживает форму. Именно поэтому выбор плитного материала и шпона для корпуса и для гнутой детали — два разных разговора.

Где деталь сдаёт

• Отдача после пресса. Пакет вынимают из формы — и радиус чуть увеличивается. Тот же эффект, что при гнутье паром, только меньший: клей его почти давит, но не до нуля. Форму делают с запасом на отдачу, и запас подбирают опытом, а не расчётом.
• Расслоение от кромки. Начинается там, где слой обрезан и торец открыт влаге, дальше идёт внутрь по клеевой линии. На крутом участке помогают радиальные напряжения, о которых сказано выше.
• Трещина от отверстия. У шины отверстия сделаны в том числе «to relieve stress on the moulded plywood to prevent splitting». В мебели отверстие под крепёж работает наоборот: это концентратор, и трещина в раковине стула чаще всего стартует от него.
• Старение резины. Виброопоры LCW и кресла 670 — расходник. Резина твердеет и отрывается от металла, раковина начинает люфтить, и дальше нагрузка приходит уже прямо в фанеру. Это самый частый ремонт таких стульев, и он же самый простой.

Что от этого осталось

Формованная фанера решила задачу, которую венское гнутьё обходило стороной: получить объёмную оболочку, а не набор дуг. Но она же обозначила и потолок — единой раковины из шпона в 1940-х не вышло, и раздельные сиденье со спинкой остались опознавательным знаком эпохи. Через двадцать лет цельную оболочку без единого шва сделал стул Panton, но уже из пластика, где кривизна ничем не ограничена, а ограничена жёсткость. Сама технология никуда не делась: гнутоклееная царга, шиповые узлы и клеёная ножка Аалто сегодня стоят в одном цеху, а мебельная промышленность так и живёт на трёх способах заставить дерево держать форму — пропарить, склеить пакетом или, как в случае стальной трубы консольного стула, сменить материал целиком.