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Die Erfindung betrifft eine stabförmige Faserverbundstruktur mit metallischen Lasteinleitungselementen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer stabförmigen Faserverbundstruktur mit metallischen Lasteinleitungselementen nach den Merkmalen des Anspruchs 9.
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Die Wettbewerbsfähigkeit vieler Hydraulikkomponenten für Luft- und Raumfahrtanwendungen wird maßgeblich durch die Realisierung innovativer Leichtbaukonzepte bestimmt. Die strukturellen Komponenten von Luftfahrt-Hydraulikaktuatoren werden bisher im Wesentlichen aus hochfesten, z. T. geschmiedeten Stahlwerkstoffen hergestellt. Insbesondere bei Ausführungen mit langen Hüben trägt die entsprechend lange Kolbenstange, die zur Gewährleistung ausreichender Knicksicherheit auch ein ausreichend großes Flächenträgheitsmoment aufweisen muss, erheblich zum Aktuatorgewicht bei. Durch den Einsatz kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe (CFK) können insbesondere bei solchen langen Kolbenstangen deutliche Gewichtseinsparungen erzielt werden.
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a) Kolbenstangen aus Stahl
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Für Leichtbau-Hydraulikaktuatoren etwa bei Luftfahrtanwendungen kommen bisher vorwiegend hohle Stahl-Kolbenstangen zum Einsatz.
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b) Stäbe und Rohre aus Faser-Kunststoff-Verbund
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In Hochleistungsprodukten werden vereinzelt Leichtbaustabsysteme aus Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) zur Übertragung hoher Zug- und Drucklasten verwendet. Dabei kommen verschiedene Fertigungsverfahren und Lasteinleitungssysteme zur Anwendung. Typische industriell eingesetzte Fertigungsverfahren für stab- und rohrförmige Verbundstrukturen sind das Faserwickelverfahren sowie die Thermoplast- und die Duroplast-Pultrusion.
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c) Konturverbindungen für FKV-Metall-Mischbauweisen
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Durch das Ausformen von Konturen in der Fügezone können metallische Lasteinleitungselemente formschlüssig in die Faserverbundstruktur eingebettet werden.
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In Abhängigkeit von Funktion und Fertigungsverfahren kommen unterschiedliche Konturgeometrien zum Einsatz. Die zu übertragenden Zug- und Drucklasten werden dabei im Wesentlichen durch den axial verstärkten Faserverbundwerkstoff aufgenommen. Im Fügebereich folgen diese axialen Faserlagen der Kontur des metallischen Lasteinleitungselements. Betriebslasten führen zu Flankenpressungen im Konturbereich und somit in der Verbundkomponente auch zu Werkstoffbeanspruchungen in Umfangsrichtung. Daher wird die Fügezone typischerweise durch eine wickeltechnisch hergestellte Bandage mit vorwiegend tangentialer Faserorientierung gestützt.
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Die Konturgeometrie der axial verstärkten Faserverbundstruktur kann integrativ im Rahmen einer Urformung, oder nachträglich durch Umformung bzw. durch elastische Formgebung erfolgen.
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Urformung
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- • Ein entsprechend hergestellter Hydraulikzylinder ist aus der Patentschrift DE 196 49 133 C1 bekannt.
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Umformung
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- • Eine entsprechende Verankerung von faserverstärkten Zugstangen ist aus der DE 10 2004 038 082 A1 der Anmelderin bekannt.
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Elastische Formgebung
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- • Eine Verankerung für Kohlenstoffaserverbunddrähte ist aus der Patentschrift CH 693 102 A bekannt.
- • Eine Anschlussgarnitur zum axialen Einleiten von Zug- und Druckkräften in Stäbe aus Faserverbundwerkstoffen ist in der EP 0 237 046 B1 beschrieben.
- • Ein zusammenfassender Überblick zu elastischen Formgebungen wird in der Druckschrift Schütze, R.: Entwicklung und Fertigung von Zug- und Druckstäben aus Faserverbundwerkstoffen mit hochbelastbaren Krafteinleitungen. DLR-Forschungsbericht, Braunschweig, August 1991 gegeben.
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d) Schlaufenanordnungen aus FKV
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In vielen Fällen eignen sich Schlaufensysteme zur faserverbundgerechten Einleitung hoher Zuglasten. Derartige Verbindungssysteme sind seit längerem bekannt und werden in verschiedenen Hochleistungsprodukten erfolgreich angewendet. Im Zusammenhang mit der Lasteinleitung bei Leichtbau-Hydraulikzylindern werden solche Schlaufenkonfigurationen z. B. in der
US 4,685,384 A beschrieben.
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Nachteile des Standes der Technik
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zu a) Der Einsatz von Stahlwerkstoffen für Kolbenstangen führt insbesondere bei längeren Kolbenstangen zu erheblichen Bauteilgewichten.
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zu b) Ein verbreitetes Fertigungsverfahren für unidirektional (UD) verstärkte Faserverbundrohre ist die Duroplast-Pultrusion. Mit Hilfe des Pultrusionsverfahrens können zwar sehr maßhaltige, hochwertige CFK-Rohre hergestellt werden, die konzentrierte Einleitung hoher Lasten ist bei solchen Strukturen jedoch schwierig. Die Wickeltechnik ermöglicht zwar prinzipiell bei Verwendung geeigneter Wickelkerne die Ablage von axialen Faserlagen, für die radiale Verdichtung dieser Faserlagen ist jedoch das Aufbringen weiterer Faserlagen mit tangentialer Komponente erforderlich. Auf sehr schlanken Wickelkernen sind dabei gleichmäßige Wandstärken kaum zu gewährleisten, da sich die axialen Fasern leicht in Umfangsrichtung verschieben.
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zu c) Integrative Konturen für die formschlüssige Einbettung von Lasteinleitungselementen können z. B. mit Hilfe der Wickeltechnik hergestellt werden. Dabei wird die Faserverbundkomponente durch direkte Faserablage auf dem Lasteinleitungselement hergestellt. Die spätere Montage und Demontage von Lasteinleitungselementen ist im Allgemeinen schwierig.
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Das umformtechnische Fügen von metallischen Lasteinleitungselementen mit Faserverbundstäben oder -rohren ist bei Verwendung thermoplastischer Matrizes möglich. Die bei Hydraulik-Aktuatoren auftretenden thermischen und medialen Lasten erfordern jedoch den Einsatz teurer Hochleistungs-Thermoplaste wie etwa Polyetheretherketon (PEEK).
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Die Herstellung geeigneter Konturen für die Lasteinleitung durch Aufspalten und elastisches Verformen der FKV-Komponente in der Fügezone führt in der Regel zu zusätzlichen Biegespannungen und ungünstigen Kerbeffekten. Ferner führt die Anwendung derartige Fügeverfahren bei großen Stab- oder Rohrquerschnitten zu sehr bauraumintensiven Konstruktionen.
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zu d) Schlaufensysteme sind insbesondere für die Einleitung von Zuglasten prädestiniert. Die fertigungstechnische Integration von Schlaufen bei Stab- oder Rohrstrukturen ist mit herkömmlichen Faserverbund-Fertigungsverfahren jedoch schwierig.
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Darüber hinaus ist aus der
DE 1 696 47 506 C2 eine Kolbenstange für einen Stellkolben eines Stelltriebs bekannt. Die Kolbenstange ist als Verbundaggregat ausgebildet und das Verbundaggregat weist eine kreiszylindrische metallische Innenstange sowie einen darauf aufgesetzten kreiszylindrischen faserverstärkten Kunststoffmantel auf. Es findet keine Kraftübertragung von dem Verbundaggregat und evtl. anschließenden Flanschkomponente statt.
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Die
DE 103 20 002 A1 beschreibt eine Kolbenstange, insbesondere für ein Kolben-Zylinderaggregat, wobei zumindest Teile der Kolbenstange von einer Kunststoffbaugruppe und weitere Teile von einer Metallbaugruppe gebildet werden. Die Kunststoffbaugruppe weist keinen Formschluss zu den Teilen der Metallbaugruppe auf.
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Aus der
DE 82 14 767 U1 ist eine Kolbenstange für einen lineare Bewegungen ausführenden Zylinder bekannt, aus dem der Stangenschaft über eine Kolbenstangenführung herausragt. Der Stangenschaft besteht aus einem faserverstärkten Kunststoff dessen Oberfläche mit einem aus gegenüber der Kolbenstangenführung verschleißbeständigerem Stoff bestehenden Belag vergütet ist. In der Druckschrift wird die Krafteinleitung in eine Flanschkomponente nicht behandelt.
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In der
DE 39 04 644 C1 wird ein hydraulischer Grubenstempel beschrieben, dessen Mantelrohre von Zylinder und Kolbenstange aus Faserbündeln eines Verbundwerkstoffes gewickelt sind. Der Grubenstempel ist nicht zur Übertragung von größeren Zugkräften ausgebildet.
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Weiterhin ist aus der
EP 0 239 406 A2 ein Zylinder mit einer Kolbenstange aus Faserverbundwerkstoff bekannt. Bauweise und Fertigungsverfahren der Kolbenstange erscheinen relativ aufwändig, da zunächst eine Positionierung der axial verlaufenden Fasern erfolgen muss, die anschließend an den Enden durch radial verlaufende Fasern bandagiert werden müssen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Bauweise und eines zugehörigen Fertigungsverfahrens für eine stabförmige Faserverbundstruktur mit Lasteinleitungselementen, insbesondere für eine Faserverbund-Leichtbau-Kolbenstangen, womit die genannten Nachteile des Standes der Technik überwunden werden können.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine stabförmige Faserverbundstruktur mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Weiterhin wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung mit den im Anspruch 9 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Varianten des Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß besteht das stabförmige Faserverbundteil aus schalenförmigen Basiskomponenten mit vorwiegend axialer Faserverstärkung, wobei die Basiskomponenten jeweils an ihren Enden zur formschlüssigen Aufnahme eines Lasteinleitungselementes ausgeformt und die schalenförmigen Basiskomponenten miteinander verbunden und die Basiskomponenten von einer Bandage mit umlaufender Faserorientierung umgeben sind.
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Im Hinblick auf eine effiziente presstechnische Fertigung wird für die axial faserverstärkte Basiskomponente eine zweischalige Bauweise vorgesehen. Der über die Länge dieser Struktur etwa konstant gehaltene Querschnittsflächeninhalt erlaubt hierbei die Verarbeitung durchlaufender Faserstränge. Diese Bauweise ermöglicht die formschlüssige Aufnahme der Lasteinleitungselemente beim Fügen zweier Schalenstrukturen und gewährleistet damit einen kurzen und direkten Kraftfluss.
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Vorteilhaft weisen die schalenförmigen Basiskomponenten durch Querverdichtung einen hohen Faservolumenanteil auf.
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Weiterhin vorteilhaft weist ein Ende der verbundenen Basiskomponenten eine umlaufende Wellenkontur auf, in das ein ebenfalls umlaufend wellenförmiges Lasteinleitungselement formschlüssig eingelassen ist.
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Die wellenförmige Kontur ermöglicht die Gestaltung einer Montageschnittstelle, die ein Einführen der als Kolbenstange ausgebildeten Faserverbundstruktur in einen kolbenstangenseitigen Zylinderflansch gewährleistet, da hier der eigentliche Stangendurchmesser nicht überschritten wird.
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Vorteilhaft ist in das weitere Ende ein weiteres umlaufend wellenförmiges Lasteinleitungselement eingelassen. Dabei ist es von Vorteil, wenn die freistehenden Enden der Lasteinleistungselemente Gewindeanschlüsse aufweisen.
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Eine weitere Variante besteht darin, dass das weitere Ende der Basiskomponente schlaufenförmig ausgebildet ist, um das Lasteinleitungselement formschlüssig aufzunehmen. Eine Schlaufenstruktur ist für die Aufnahme eines Lagersitzes prädestiniert. Mit Hilfe der Schlaufenverbindung können höchste Zugkräfte in die Stangenstruktur eingeleitet werden. Druckkräfte werden hierbei durch eine einfache Keilkontur im Bereich der Schlaufenschenkel übertragen. Über die keilförmigen Kontaktflächen zwischen dem Lasteinleitungselement und den Schlaufenschenkeln werden die Druckkräfte formschlüssig in die Stangenstruktur eingeleitet.
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Durch wickeltechnisch aufgebrachte etwa tangential orientierte Faserlagen werden die Fügezonen der Faserverbundstruktur bandagiert. Durch weitere Lagen mit unterschiedlichen Faserorientierungen werden ferner der empfindliche UD Verbund geschützt sowie hydraulische Drucklasten und etwaige Stangen-Querkräfte aufgenommen.
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Es ist vorteilhaft, wenn die stabförmige Faserverbundstruktur an der Außenfläche eine metallische Funktionsschicht aufweist.
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Gemäß dem Verfahren werden zunächst die schalenförmigen Basiskomponenten mit angeformter Kontur- und/oder Schlaufengeometrie durch presstechnische Verdichtung axial vorpositionierter, harzgetränkter Faserstränge hergestellt, anschließend die schalenförmigen Basiskomponenten mit den metallischen Lasteinleitungselementen in den angeformten Kontur- und/oder Schlaufengeometrien montiert und die schalenförmigen Basiskomponenten zueinander fixiert, und daraufhin die fixierten Basiskomponenten mit einer Bandage aus Faserverbundwerkstoff fest verbunden.
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Die Folge der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte erlaubt die reproduzierbare Fertigung von stabförmigen Faserverbundstrukturen, insbesondere von Leichtbaukolbenstangen, mit metallischen Lasteinleitungselementen, die mittels integrierter Schlaufen- und/oder Konturverbindungen formschlüssig gehalten werden.
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Vorteilhaft werden die Faserstränge zur axialen Ausrichtung und zur Vorpositionierung gegenüber einem Presswerkzeug über Zapfen oder Zapfen und Kern wickeltechnisch abgelegt.
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Die Vorpositionierung kann dabei z. B. wickeltechnisch durch Faserablage um den Formkern für die Schlaufensektion und einen weiteren Zapfen vorgenommen werden. Dabei wird ausreichender Bewegungsraum für ein Fadenauge einer Wickelanlage durch anfängliches Entfernen der Tauchkantenmodule gewährleistet.
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Weiterhin vorteilhaft werden die axial ausgerichteten und vorpositionierten Faserstränge zunächst über einem Presswerkzeug-Unterteil horizontal zusammengepresst und anschließend vertikal verdichtet.
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Nach der seitlichen Zufuhr von Tauchkantenmodulen erfolgt die presstechnische Verdichtung der Faserstränge durch einen oberen Formstempel. Dabei wird auch überschüssiges Harz durch Spalte aus der Formkavität ausgepresst. Die presstechnische Verdichtung erlaubt die Herstellung hochwertiger axial verstärkter Verbundkomponenten mit Faservolumenanteil von über 65%.
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Die halbschalenförmigen Basiskomponenten werden dann paarweise etwa klebtechnisch mit den metallischen Lasteinleitungselementen fixiert und etwa durch einen Wickelprozess mit einer Bandage verbunden.
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Es ist von Vorteil, wenn die Bandage zur Erzeugung einer glatten Oberfläche geschliffen wird. Die geschliffene Oberfläche lässt sich vorteilhaft mit einer metallischen Beschichtung versehen.
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Durch Rundschleifen und metallisches Beschichten kann die für Gleit- und Dichtaufgaben erforderliche tribologische Funktionsfläche realisiert werden.
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Mit der Erfindung lassen sich erhebliche Gewichtseinsparungen bei längeren Kolbenstangen gegenüber einer herkömmlichen Stahlbauweise erreichen.
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Mit Hilfe des Verfahrens gelingt eine reproduzierbare Herstellung hochwertiger, maßhaltiger Verbundkomponenten mit axialer Faserverstärkung als Basis für Leichtbau-Kolbenstangen und andere Zug-/Druck-Stäbe. Ebenso wird eine Integration von Schlaufengeometrien und umlaufenden Konturen in die axial verstärkten Basiskomponenten ermöglicht. Es entsteht eine hochfeste formschlüssige Verbindung zwischen metallischen Lasteinleitungselementen und der axial verstärkten Basiskomponente, wodurch auch ein besonders kurzer und direkter Kraftfluss zwischen den Lasteinleitungselementen erreicht wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
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1 jeweils einen Halbschnitt durch zwei mögliche Varianten einer erfindungsgemäßen stabförmigen Faserverbundstruktur mit metallischen Lasteinleitungselementen
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2 eine Darstellung einer presstechnisch hergestellten schalenförmigen Basiskomponente
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3 eine Darstellung zur Veranschaulichung des presstechnischen Fertigungsverfahrens für eine schalenförmige Basiskomponente
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1 zeigt zwei prinzipielle Varianten einer stabförmigen Faserverbundstruktur mit unterschiedlichen Montageschnittstellen für die metallischen Lasteinleitungselemente. Eine solche stabförmige Faserverbundstruktur ist als Leichtbau-Kolbenstange verwendbar.
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Während in a) eine Ausführung mit einem Gewindeanschluss am Lasteinleitungselement 3 und mit einem Lagerauge im Lasteinleitungselement 4 dargestellt ist, weist die in b) skizzierte Variante zwei ähnliche Lasteinleitungselemente 3 mit Gewindeanschlüssen auf. Die Lasteinleitungselemente 3 mit umlaufenden Konturen 5 ermöglichen eine besonders bauraumeffiziente formschlüssige Verbindung, so dass im Bereich dieser Montageschnittstelle der eigentliche Durchmesser der Kolbenstange nicht überschritten wird. Je nach Einbausituation der stabförmigen Faserverbundstruktur kann für die Gegenseite eine Montageschnittstelle mit integriertem Lagerauge oder Gewindeanschluss gewählt werden.
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Die Lasteinleitungselemente 3, 4 werden zumindest formschlüssig zwischen zwei Basiskomponenten 1 aufgenommen. Diese Anordnung ist durch weitere Faserlagen 2 bandagiert.
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In 2 ist eine durch ein presstechnisches Verfahren hergestellte halbschalenförmige Basiskomponente 1 dargestellt. Die schalenförmige Basiskomponente weist eine axial endlosfaserverstärkte Verbundstruktur auf und gewährleistet einen kurzen und direkten Kraftfluss zwischen den Lasteinleitungen 3, 4. Die Lasteinleitungselemente werden zwischen zwei Basiskomponenten gleicher Ausführung formschlüssig aufgenommen.
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In 3 sind wesentliche Schritte des presstechnischen Fertigungsverfahrens für die Basiskomponenten dargestellt. In a) ist die axiale Vorpositionierung harzgetränkter Faserstränge 12 über eine Formkavität in einem Werkzeug-Unterteil 7 dargestellt. Die Ablage erfolgt beispielsweise mit Hilfe einer Wickelvorrichtung um einen Formkern 9 und einen zusätzlichen Zapfen 10. In b) ist das seitliche Zuführen von Tauchkantenmodulen 8 dargestellt. Das Tauchkantensystem unterstützt den Transfer der imprägnierten Fasern in die Formkavität und verhindert seitlichen Austrieb. In c) ist die Querverdichtung des Verbundwerkstoffs durch Zufuhr eines oberen Presswerkzeugs 11 skizziert. In d) ist die endkonturnah gefertigte Basiskomponente nach dem Konsolidierungsprozess im unteren Presswerkzeug 7 dargestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Basiskomponente
- 2
- Bandage
- 3
- Lasteinleitungselement
- 4
- Lasteinleitungselement
- 5
- umlaufende Kontur
- 6
- Schlaufe
- 7
- Presswerkzeug-Unterteil
- 8
- Tauchkantenmodule
- 9
- Kern
- 10
- Zapfen
- 11
- Presswerkzeug-Oberteil
- 12
- Faserstrang
