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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
eines integralen, versteiften Faserverbundbauteils mit zumindest
einem hohlen Versteifungsbauteil aus Faserverbundwerkstoff und einem
Schalenbauteil. Die Erfindung betrifft auch ein hohles Faserverbundbauteil.
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Obwohl
auf beliebige Faserverbundbauteile anwendbar, werden die vorliegende
Erfindung sowie die ihr zugrundeliegende Problematik nachfolgend mit
Bezug auf flächige,
stringerversteifte Kohlefaserkunststoff (CFK)-Bauteile, beispielsweise
Hautschalen bzw. Schalenbauteile, eines Flugszeugs näher erläutert.
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Es
ist allgemein bekannt, CFK-Hautschalen mit CFK-Stringern zu versteifen,
um den im Flugzeugbereich auftretenden Belastungen bei möglichst geringem
zusätzlichen
Gewicht standzuhalten. Dabei werden im Wesentlichen zwei Arten von
Stringern unterschieden: T- und Ω-Stringer.
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Der
Querschnitt von T-Stringern setzt sich aus der Basis und dem Steg
zusammen. Die Basis bildet die Verbindungsfläche zur Hautschale. Die Verwendung
von T-Stringer versteiften Hautschalen ist im Flugzeugbau weit verbreitet.
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Ω-Stringer
weisen in etwa ein Hutprofil auf, wobei dessen untere Enden mit
der Hautschale verbunden sind. Ω-Stringer
können
entweder im ausgehärteten
Zustand auf die ebenfalls ausgehärtete Hautschale
geklebt, gleichzeitig mit der Schale Nass-in-Nass ausgehärtet, oder
die Stringer nass mit der aus gehärteten
Schale verklebt werden. Das Erste wird angestrebt, weil dies prozesstechnisch
günstiger
ist. Zur Herstellung von mit Ω-Stringern
versteiften Hautschalen sind jedoch bei allen der beschriebenen
Prozessvarianten Stütz-
bzw. Formkerne notwendig, um die Hohlprofile während des Herstellungsprozesses
abzustützen.
Hautschalen mit Ω-Stringern
weisen gegenüber
T-Stringern den
Vorteil einer besseren Infiltrierbarkeit während eines Infusionsverfahrens
zum Einbringen einer Matrix, beispielsweise eines Epoxidharzes,
in die Faserhalbzeuge auf. Des Weiteren bietet diese Querschnittsform
ein, im Vergleich zu anderen Querschnittsformen, gutes Verhältnis zwischen
Gewicht und Flächenträgheitsmoment.
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Es
besteht jedoch bei der Herstellung von mit Ω-Stringern versteiften Faserverbundschalen
das Problem, dass das gegenwärtig
für den
Stütz-
bzw. Formkern verwendete Material kostenintensiv ist und nach dem
Ausbilden der Ω-Stringer
nur schwierig entfernt werden kann, so dass das in den Stringern verbleibende
Material zu dem Gewicht des Faserverbundbauteils und damit zu dem
Gewicht des Flugzeugs nachteilig beiträgt.
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Für die Fertigung
hohler Bauteile in Faserverbundbauweise gibt es verschiedene Fertigungsverfahren,
deren Einsatz unter anderem von den produktspezifischen Rahmenbedingungen,
wie z. B. Stückzahl,
Geometrie bzw. Querschnitt, Anforderungen bzgl. der Oberflächenausbildung
oder der Festigkeit abhängig
ist. Beispielhaft seien im Folgenden die wichtigsten dieser Herstellverfahren
genannt:
- – Blasschlauchtechnik
- – Verlorene
Formen (chemische, mechanische oder thermische Entfernungsverfahren
- – Im
Bauteil verbleibende Kerne (z. B. Schaumstoff aus Kunstharzen)
- – Schleudertechnik
- – Wickeltechnik
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Die
meisten dieser Verfahren eignen sich aufgrund von Besonderheiten
bei deren Ablauf jedoch nur für
die Fertigung von kompakten Bauteilen, deren räumliche Ausdehnungen in allen
Dimensionen ähnliche
Werte aufweisen, und deren Längsausdehnung
relativ gering ist. Für
die Fertigung von Bauteilen, deren Ausdehnung in einer Achse die
der anderen Achsen um ein Vielfaches übersteigt, wird in industriellen
Maßstäben bisher
hauptsächlich
ein Blasschlauchverfahren eingesetzt.
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Für die Herstellung
von Faserverbundbauteilen mit hohen Anforderungen bzgl. des Bauteilgewichts
und der mechanischen Beanspruchung ergibt sich die Notwendigkeit
zur Formgebung sowie zur Kompaktierung des Laminats durch Aufbringen
eines flächigen
Drucks auf das Laminat während
des Aushärtens.
Die Formgebung eines Bauteils erfolgt deshalb in der konventionellen
Fertigung durch Einlegen der verschiedenen Gewebelagen in eine Negativform.
Nachdem alle Verstärkungslagen
des Laminats in der Form eingebracht sind, werden diese Bauteile in
Abhängigkeit
der gewählten
Halbzeugform und des Fertigungsverfahrens mit Harz getränkt oder
bei einer Fertigung mit vorimprägnierten
Fasern diese in der Form platziert. Im Anschluss wird nach dem Auflegen
von Hilfsstoffen, z. B. Belüftungsgeweben
und Trennfolien, eine luftdichte Folie auf die Form aufgelegt und
mit dieser hermetisch abgedichtet. Durch Absaugen der Luft innerhalb
des Vakuumaufbaus kann nun ein flächiges Pressen des Bauteils
erreicht werden, und beim Aushärten
das richtige Faser-Matrix-Verhältnis
sowie eine faserwellenfreie Ausbildung des Laminats erzielt werden.
Die Voraussetzung für
diese Fertigungsmethode ist jedoch, dass ein einseitiger Zugang
zur Oberfläche
des gesamten Laminats möglich
ist. Bei einer Fertigung eines hohlen Bauteils ist dieser Ablauf
durch den eingeschränkten
Zugang zum Inneren des Bauteils nach der Fertigung nicht möglich.
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Die
wichtigsten Nachteile der oben beschriebenen Verfahren sind die
folgenden:
- • Schlechte
Oberflächenqualität im Inneren
der Bauteile bei einer Fertigung eines Bauteils mit einem übermaßigen Blasschlauch. 1 zeigt
hierzu ein Beispiel eines konventionellen Fertigungsverfahrens eines
hohlen Versteifungsbauteils 2 mit einem trapezförmigen Innenquerschnitt 13. Das
hohle Versteifungsbauteil 2 ist als Stringer zur Verstärkung eines
Schalenbauteils 3 aufgebracht. Im Inneren des hohlen Versteifungsbauteils 2 ist
ein Blasschlauch 12 mit einem ursprünglichem Kreisquerschnitt mit Übermaß angeordnet. Beim
Aufblasen desselben resultieren durch Bildung von Falten Harzansammlungen 15.
Aus diesen Harzansammlungen 15 resultieren, neben Problemen
mit einem schlechten Faser-Matrix-Verhältnis, auch Probleme mit erhöhter Rissanfälligkeit
durch das unverstärkte
Harz.
- • Der
Blasschlauch 12 ist als Schlauch mit einem Rundquerschnitt
ausgebildet. Bei Bedruckung des Blasschlauchs 12 kommt
es zu einem Anliegen des Blasschlauchs 12 an den Innenwänden des
Bauteils 2 und des nicht ausgehärteten Schalenlaminats 3.
In Eckbereichen kann der Blasschlauch 12 diese nicht vollständig ausfüllen. Daher
kommt es hier zu einer Brückenbildung
des Blasschlauchs 12 und zu Harzansammlungen 15. Die
fehlende Pressung des Laminats kann zu Wellenbildung und lokalem
Harzüberschuss
(Ondulationen) im Laminat führen.
- • Durch
den örtlich
nicht ausreichend anliegenden Blasschlauch 12 kann es zur
Ausbildung von Faserwelligkeiten kommen.
- • Erhöhter Fertigungsaufwand
durch aufwändige Integration
des Blasschlauchs 12 in der Form und dem Bauteil.
- • Erhöhtes Prozessrisiko
bei Verwendung eines dünnwandigen
Blasschlauchs 12 durch eine Brückenbildung des Schlauchs in
den Ecken des Bauteils und dadurch verursachter Überdehnung des Schlauchmaterials
bis zum Platzen. mit möglichem
Verlust des gesamten Bauteils.
- • Arbeitsintensives
Entfernen und Herstellen des Kerns.
- • Fertigung
von Bauteilen mit engen Radien im Querschnitt oder bestimmten Geometrien
ist mit den beschriebenen Verfahren nicht möglich.
- • Bei
im Bauteil verbleibenden Fertigungshilfsmitteln erhöht sich
das Bauteilgewicht mit keinem oder nur geringem Beitrag der Hilfsmittel
zur Steigerung der mechanischen Kennwerte des Bauteils.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines integralen, versteiften
Faserverbundbauteils mit zumindest einem hohlen Versteifungsbauteil
aus Faserverbundwerkstoff und einem Schalenbauteil bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1, durch ein integrales, versteiftes Faserverbundbauteil mit den
Merkmalen des Patentanspruchs 8, ein Verfahren mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 9 und/oder ein hohles Faserverbundbauteil mit
den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst.
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Demgemäß wird ein
Verfahren zur Herstellung eines integralen, versteiften Faserverbundbauteils
mit zumindest einem hohlen Versteifungsbauteil aus Faserverbundwerkstoff
und einem Schalenbauteil, mit folgenden Verfahrensschritten bereitgestellt: Herstellen
eines Formkerns aus einem Schlauch mit einem von einem Rundquerschnitt
abweichenden Zielquerschnitt, welcher an einen Innenquerschnitt des
herzustellenden hohlen Versteifungsbauteils zumindest abschnittsweise
angepasst ist oder ihm zumindest abschnittsweise im Wesentlichen
entspricht; Einbringen des Formkerns in einen Hohlraum des zumindest
einen hohlen Versteifungsbauteils; Fixieren des Formkerns in dem
zumindest einen hohlen Versteifungsbauteil mittels eines Fixiermittels;
Aufbringen des zumindest einen hohlen Versteifungsbauteils mit den
in ihm fixierten Formkern auf dem Schalenbauteil; und Beaufschlagen
des Formkerns mit einem unter Druck stehenden Medium und Aufbringen von
Wärme und/oder Druck
auf diese Anordnung zur Herstellung des integralen, versteiften
Faserverbundbauteils mit dem zumindest einen hohlen Versteifungsbauteil
und dem Schalenbauteil.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
die Fertigung hohler Bauteile mit zumindest eindimensional großer Ausdehnung
und scharfen Kanten, wobei gleichzeitig gesteigerte Anforderungen hinsichtlich
mechanischer Kennwerte der Oberflächenausbildung im Inneren des
Bauteils und der Entfernung des Formmaterials aus dem Inneren des Bauteils
erfüllt
werden.
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Somit
weist die vorliegende Erfindung gegenüber den eingangs genannten
Ansätzen
den Vorteil auf, dass das erfindungsgemäße Verfahren durch die Verwendung
von speziell geformten Kunststofffolienschläuchen mit einem vom Rundquerschnitt
abweichenden Querschnitt die Herstellung von beispielsweise Faserverbundbauteilen,
bei einer hohen Genauigkeit der Geometrie, scharfer Ausbildung von Ecken
mit definierten Radien, definierter Wandstärke, Maßhaltigkeit bei niedrigen Herstellungskosten und
sowie zumindest eindimensional großen Längen ermöglicht. Es ist möglich, Schläuche mit
einer für den
jeweiligen Anwendungszweck optimierten Querschnittgeometrie herzustellen.
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Um
die zur Aushärtung
erforderliche Pressung des Laminats zu erreichen, wird hierbei eine Methode
geschaffen, durch welche die hohlen Innenräume des Bauteils ausgefüllt werden
und der Druck auf das nicht ausgehärtete Laminat auch in Eckbereichen
mit geringen Radien übertragen
wird.
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Unter
einem „Schlauch” ist vorliegend
ein im normalen Extrusions- oder Blasextrusionsverfahren hergestellter
Schlauch mit einem Rund- bzw. Kreisquerschnitt zu verstehen, der
beispielsweise aufgewickelt bereitgestellt wird.
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Unter
dem Begriff „Zielquerschnitt” ist ein Schlauchquerschnitt
zu verstehen, welchen der zum Formkern geformte Schlauch aufweist.
Ein erster Zielquerschnitt wird mittels des Kernwerkzeugs geformt.
Ein zweiter Zielquerschnitt kann optional mittels eines weiteren
Verfahrensschritts erhalten werden.
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Ein „Versteifungsbauteil” ist ein
so genannter Stringer.
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In
den Unteransprüchen
finden sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der
vorliegenden Erfindung.
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Die
Fertigung mit dieser Methode dient zur Herstellung eines integralen,
versteiften Faserverbundbauteils, zum Beispiel eines integralen Haut-Stringer-Verbundes,
bei dem ein ausgehärteter Stringer
mit einer nicht ausgehärteten
Haut verklebt wird. Als Halbzeug werden für dieses Bauteil vorimprägnierte
Fasern eingesetzt. Grundsätzlich
ist dieses Verfahren aber auch mit geringen Modifikationen im Ablauf
(z. B. Positiv-Legeverfahren)
für andere Bauteile,
andere Halbzeugformen, andere Faserverbunde, Materialien und andere
Prozesse, wie z. B. Harzinfusionsverfahren oder Handlaminierverfahren, verwendbar.
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Es
sind aber auch die Kombinationen nicht ausgehärteter Stringer auf nicht ausgehärteter Haut und
nicht ausgehärteter
Stringer auf ausgehärteter Haut
möglich.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann insbesondere, aber nicht ausschließlich, zur Herstellung hohler,
langgestreckter Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen, bei denen
hohe Anforderung bzgl. der Ausbildung der Innengeometrie bestehen
und bei denen zum Erreichen eines niedrigen Gewichts des Bauteils
keine Fertigungshilfsstoffe im Bauteil verbleiben dürfen, verwendet
werden.
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Die
Fertigung kann im so genannten Co-Bonding-Verfahren erfolgen, bei
welchem ein bereits ausgehärtetes
Bauteil mit einem anderen, nicht ausgehärteten Bauteil, über die
Matrix des nicht ausgehärteten
Bauteils oder mit einem zusätzlichen Harzfilm
miteinander verklebt werden. Um eine sichere Verklebung und ausreichende
Pressung der Haut im hohlen Bereich des Stringerquerschnitts erzielen
zu können,
wird ein Schlauch eingesetzt, der durch Beaufschlagung mit einem Überdruck
die einzelnen Lagen des Laminats der Haut miteinander verpresst.
Im Unterschied zu der konventionellen Blasschlauchtechnik, bei welcher
Schläuche
aus einem elastischen Material oder solche mit einem signifikanten Übermaß und einem
Rund- oder Kreisquerschnitt eingesetzt werden, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
ein Schlauch als Formkern verwendet, welcher einen Querschnitt aufweist, der
dem Innenquerschnitt des zu fertigenden Bauteils entspricht und/oder
diesem angepasst ist. Dieser Schlauch ist in seinem Querschnitt
so ausgeführt, dass
geringe Toleranzen bei der Fertigung des Stringers durch definiert
ausgeführte Übermaßfalten
im Querschnitt des Schlauchprofils, oder die Dehnbarkeit des Schlauchmaterials,
ausgeglichen werden können.
Durch die Formgebung des Schlauchs mit an den späteren Innenquerschnitt des
zu fertigenden Bauteils, derart angepassten Profil, dass dieser,
zumindest in den Eckbereichen des zu fertigenden Bauteils, durch
Knicken und/oder Warmumformen und/oder Extrudieren vorgeformt ist,
ist und somit, im Unterschied zum Einsatz von Schläuchen mit
einem deutlichen Übermaß und/oder
hoher Dehnbarkeit, auch die Fertigung von Bauteilen mit scharfen
Ecken im Querschnitt möglich,
die bei einem herkömmlichen
Schlauch mit Übermaß durch
eine Brückenbildung
des Schlauchs in den Ecken nicht gefertigt werden können (siehe
hierzu 1).
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Der
Schlauch wird zunächst
auf ein Kernwerkzeug mit Ausschnitten aufgezogen. Die Ausschnitte
werden benötigt,
um den Schlauch auf den Umfang des Kerns mit Hilfe einer Kraft,
die zum Beispiel durch ein Vakuum oder ein Umformwerkzeug, beispielsweise
spezielle Spannschienen, erzeugt wird, zu straffen bzw. dem Querschnitt
des Kernwerkzeugs, d. h. dem Kernquerschnitt, anzupassen.
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Beim
Beaufschlagen des aufgezogenen Schlauchs mit der Kraft werden Falten,
so genannte Übermaßfalten,
in Längsrichtung
des Schlauchs erzeugt. Diese sind notwendig, um evtl. Schwankungen
im Querschnitt durch Fertigungstoleranzen oder lokale Verstärkungen
bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen ausgleichen zu können (zum
Beispiel bei der Blasschlauchtechnik).
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Der
derart an den Kernquerschnitt des Kernwerkzeugs angepresste Schlauch
wird dann auf eine vorbestimmte Umformtemperatur korrespondierend zu
dem Schlauchwerkstoff erwärmt
und auf dieser für eine
vorbestimmte Zeitdauer, z. B. kurzzeitig gehalten, um die Spannungen,
die durch das Umformen und Anpressen im Material des Schlauchhalbzeugs entstehen,
abzubauen. Damit wird ein erster Zielquerschnitt erreicht.
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Unter
dem Begriff „Formkern” ist ein
derart geformter Schlauch aus zumindest einem Kunststoff und/oder
Kautschuk geformter Schlauch zu verstehen, der vor dem Einlegen
in die Faserverbundhalbzeuge, derart auf den Zielquerschnitt geformt
ist, dass dieser zumindest in einer der Ecken des späteren Faserverbundbauteils
mit einer scharfen Kante ausgebildet ist. Die Herstellung eines
solchen Schlauchs ist beispielsweise durch Extrudieren und/oder
Knicken und/oder Walzen und/oder Falten und/oder Warmumformen und/oder
Pressen möglich.
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Zum
Abziehen des so geformten Formkerns nach Abkühlung von dem Kernwerkzeug
kann der Kunststofffolienschlauch mit Druckluft beaufschlagt werden.
Eine weitere Erleichterung des Abziehens wie auch des Aufziehens
ergibt sich dadurch, dass das Material des Kernwerkzeugs einen geringen
Reibungswiderstand aufweist. Gleichzeitig besitzt das Kernwerkzeug
ein für
die vorbestimmte Umformtemperatur des Schlauchs temperaturbeständiges Material,
wie beispielsweise ein Kunststoff, wie zum Beispiel PTFE, ein Metall
oder eine Kombination aus diesen Materialien.
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Der
als Formkern ausgebildete Schlauch kann dann auf ein gefordertes
Endmaß abgelängt werden.
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Der
auf diese Weise hergestellte Formkern mit vom Rundquerschnitt abweichendem
Querschnitt zeichnet sich auch besonders dadurch aus, dass er dünnwandig
ausgebildet ist und einer der Querschnittsgeometrien scharfkantige
Ecken aufweist. Die Wandstärken
liegen im Bereich von ca. 30 μm
... 4 mm, insbesondere im Bereich von 0,2 ... 0,3 mm. Der Radius
des Schlauchs auf der dem Faserverbundbauteil zugewandten Ecken
kann im Bereich zwischen 0,01 ... 12 mm, insbesondere im Bereich zwischen
0,1 ... 3 mm liegen. Es ist auch zum Beispiel möglich, dass diese scharfkantige
Ecke als Radius mit einem geringen Wert, als Ausrundung mit mehreren
Radien, z. B. ein Ellipsoid, als eine Anordnung von Vielecken oder
dergleichen ausgebildet ist.
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In
bevorzugter Ausführung
ist vorgesehen, dass der Umfang des Kernquerschnitts des Kernwerkzeugs
größer als
der Umfang des Querschnitts des Schlauchs ist. Der Umfang des Schlauchs
ist dabei in Abhängigkeit
der Reibkoeffizienten des Kern- und Schlauchmaterials (Polymere,
Polyamide) zu bestimmen.
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Unter „Faserhalbzeugen” sind Gewebe,
Gelege, Fasermatten, Rovings und daraus gefertigte Halbzeuge zu
verstehen. Diese werden mit einer Matrix, beispielsweise einem Epoxydharz,
versehen und anschließend
zu einem Faserverbundbauteil beispielsweise mit Hilfe eines Autoklaven
ausgehärtet.
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Vorzugsweise
kann eine Trennschicht auf den Kunststofffolienschlauch zusätzlich aufgebracht werden,
welche ein Anhaften des ausgehärteten
Faserverbundbauteils vermindert. Dadurch wird ein Entfernen des
Kunststofffolienschlauches nach dem wenigstens Aushärten des
Faserverbundbauteils erleichtert.
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Der
so erstellte Formkern in Gestalt des geformten Schlauchs wird in
den Stringer integriert und fixiert. Dazu kann das Fixiermittel
als ein Klebestreifen, z. B. ein Epoxidklebestreifen, ausgeführt sein. Dies
kann in einem manuellen oder (teil-)automatisiertem Verfahren erfolgen.
Der Stringer wird nun mit dem integrierten Formkern auf die nicht
gehärtete Haut
aufgebracht, wobei diese Anordnung mit einem Hilfsstoffaufbau, zum
Beispiel ein Vakuumaufbau, versehen wird und die Schlauchenden aus
diesem herausgeführt
werden.
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Die
Anordnung kann anschließend
in einem Autoklav gehärtet
werden. Durch den Autoklavdruck, der im Schlauch wirkt, wird das
Laminat der Haut innerhalb des Stringers ausreichend kompaktiert.
Der Schlauch kann auch mit einem unter Druck stehenden Medium, z.
B. ein Fluid, beaufschlagt werden.
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Unter
einem Druck kann auch eine Druckdifferenz verstanden werden.
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Im
Vergleich zum konventionellen Blasschlauchverfahren kommt es durch
die Prägung
des Kunststofffolienschlauchs mit dem Zielquerschnitt in den Ecken
des Stringers nicht zur Ausbildung von undefinierten Radien. Maßabweichungen
in den Eckbereichen, die durch Toleranzen bei der Stringerfertigung
oder durch lokale Aufdickungen im Laminat der Haut entstehen, können durch
die definierten (Dehn-)Falten innerhalb des geformten Kunststofffolienschlauches
ausgeglichen werden.
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Nach
Aushärtung
des Bauteils kann der Schlauch, z. B. durch Aufbringen einer Zugkraft
an den Enden des Schlauches oder Aufdrillen, aus dem Bauteil wieder
entfernt werden. Zuvor kann der eventuell an den Innenwandungen
des hohlen Bauteils anhaftende Schlauch gelöst werden, indem er zum Beispiel
mit einem Vakuum beaufschlagt wird. Auch ein Aufdrillen kann ein
Ablösen
bewirken. Unterstützung
durch Druckluft zum Ausblasen ist ebenfalls möglich.
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Anwendungen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
können
dabei sowohl die Herstellung von Bauteilen im konventionellen Handla minierverfahren oder
auch der Fertigung von Bauteilen aus vorimprägnierten Fasern (Prepregs)
und anschließender
Härtung
im Autoklavverfahren sein. Außerdem
sind auch Anwendungsfälle
zur Herstellung von Bauteilen in anderen Bauweisen und anderen Materialien,
wie beispielsweise Keramikbauteilen, denkbar.
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Der
Stringer ist zum Beispiel zusammen mit dem Formkern-Schlauch als einbaufertiger
Satz gemeinsam lieferbar.
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Ein
integrales, versteiftes Faserverbundbauteil mit zumindest einem
hohlen Versteifungsbauteil aus Faserverbundwerkstoff und einem Schalenbauteil
ist nach dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt.
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Ein
Verfahren zur Herstellung eines hohlen Versteifungsbauteils aus
Faserverbundwerkstoff weist folgende Verfahrensschritte auf:
Bereitstellen
eines Formkerns aus einem Schlauch mit einem von einem Rundquerschnitt
abweichenden Zielquerschnitt, welcher an einen Innenquerschnitt des
herzustellenden hohlen Versteifungsbauteils zumindest abschnittsweise
angepasst ist oder ihm zumindest abschnittsweise im Wesentlichen
entspricht; wenigstens abschnittsweise Ablegen von wenigstens einem
Faserhalbzeug auf dem Formkern und/oder ein Formwerkzeug zur Herstellung
von zumindest einem Formabschnitt des herzustellenden hohlen Faserverbundbauteils;
und Beaufschlagen des Formkerns mit einem unter Druck stehenden
Medium, derart, dass der Druck innerhalb des Formkerns größer als
außerhalb
des Formkerns ist, und Aufbringen von Wärme und/oder Druck auf diese
Anordnung zur Herstellung des hohlen Faserverbundbauteils.
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Dabei
kann Faserhalbzeug auf dem Formkern teilweise oder vollständig abgelegt
werden. Ein vollständiges
Ablegen bedeutet, dass der Formkern von dem Faserhalbzeug umhüllt ist.
Bei einem teilweise Ablegen kann der Formkern auf einer Unterlage oder
einem Formwerkzeug angeordnet sein. Es ist auch möglich, dass
zuerst das Faserhalbzeug in ein Formwerkzeug abgelegt und danach
der Formkern auf das Faserhalbzeug in das Formwerkzeug eingesetzt
wird.
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Der
Druck kann über
eine Druckquelle und/oder über
eine Druckdifferenz generiert werden.
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Ein
hohles Faserverbundbauteil ist nach diesem Verfahren hergestellt.
Es kann in vielfältigen
Anwendungsbereichen Verwendung finden, zum Beispiel in denen Leichtbau
gefordert ist, wie beispielsweise Fahrzeugbau, Luft- oder Raumfahrt,
Sportgeräte
(z. B. Fahrradrahmen) und vieles mehr.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand des in den schematischen Figuren
der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigen dabei:
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1 eine
schematische Querschnittsdarstellung eines konventionellen Fertigungsverfahrens zur
Herstellung eines integralen, versteiften Faserverbundbauteils mit übermaßigem Druckschlauch;
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2 Umformschritte
eines Schlauchhalbzeugs in Zielquerschnitte gemäß einem ersten Schritt eines
erfindungsgemäßen Verfahrens;
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3 eine
schematische Darstellung eines zweiten Schritts des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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4 eine
schematische Darstellung eines dritten Schritts des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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5 eine
schematische Darstellung eines dritten Schritts des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
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6 eine
perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen integralen, versteiften
Faserverbundbauteils.
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In
allen Figuren der Zeichnung sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente – sofern
nichts Anderes angegeben ist – mit
jeweils den gleichen Bezugszeichen versehen worden.
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1 ist
oben beschrieben und wird hier nicht weiter erläutert.
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2 zeigt
schematisch Umformschritte eines Schlauchs 5 in Zielquerschnitte 6 und 7 eines Formkerns 4.
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Der
Schlauch 5 ist mit einem Rundquerschnitt nach der Herstellung
im Extrusion- oder Blasextrusionsverfahren hergestellt und in der
gezeigten Form flach aufgewickelt. Dieser Schlauch 5 dient
als Halbzeug für
die Herstellung eines Kunststofffolienschlauches als Formkern 4 mit
einem ersten Zielquerschnitt 6 und einem zweiten Zielquerschnitt 7, welcher
in dem in 2 gezeigten Beispiel trapezförmig ist.
Der zweite Zielquerschnitt 7 korrespondiert zu einem Innenquerschnitt 13 eines
Versteifungsbauteils 2 (siehe 6), das
weiter unten noch erläutert wird.
Der Formkern 4 weist einen Kerninnenraum 11 auf.
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Im
Folgenden wird der Prozess für
die Herstellung des Formkerns 4 beispielhaft erläutert. Die Herstellung
von Formkernen 4 mit anderen Zielquerschnitten ist analog
zu diesem Beispiel mit beliebigen Modifikationen möglich.
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Ziel
ist die Herstellung eines dünnwandigen Kunststofffolienschlauches
als Formkern 4 mit dem zweiten Zielquerschnitt 6.
Der Einsatz eines solchen Kunststofffolienschlauches als Hilfsmittel
bzw. Formkern 4 für
die Herstellung von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen kann einen
solchen Schlauch mit zusätzlichen Übermaßfalten
erfordern, um evtl. Schwankungen im Querschnitt eines Faserverbundbauteils
durch Fertigungstoleranzen oder lokale Verstärkungen ausgleichen zu können.
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Zuerst
wird der Schlauch 5 beispielsweise in aufgewickelter Form
bereitgestellt und dann auf ein Kernwerkzeug 8 mit einem
Kernquerschnitt 9 aufgezogen.
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Der
Kernquerschnitt 9 ist ähnlich
dem zweiten Zielquerschnitt 7 als Trapez, jedoch mit seitlichen Ausschnitten 10,
die hier symmetrisch angeordnet sind, ausgebildet. Es ist leicht
vorstellbar, dass das Kernwerkzeug 8 senkrecht zur Zeichnungsebene steht
und sich in dieser Richtung in einer bestimmten Länge erstreckt.
Ebenfalls verlaufen die Ausschnitte 10 längs dieser
Richtung. Durch die Ausschnitte 10 ist ein Umfang des Kernquerschnitts 9 vergrößert. Es ist
bevorzugt, dass dieser Umfang größer ist
als ein Umfang des Schlauchquerschnitts. Siehe in 385 geändert bis
S. 16 Z. 16? Das Verhältnis
des Kernquerschnitts 9 zum Umfang des Schlauchhalbzeugquerschnitts
ist dabei in Abhängigkeit
der Reibkoeffizienten des Kern- und Schlauchmaterials zu bestimmten. Das
Kernwerkzeug kann aus Kunststoff, z. B. PTFE, oder Metall oder aus
einer Kombination dieser oder anderer Werkstoffe bestehen. Der Schlauch
kann aus einem Polymer oder Polyamid hergestellt sein.
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In
einem zweiten Fertigungsschritt wird die Luft aus dem Innenraum 11 des
Schlauchs 5 abgesaugt und der Schlauch 5 an den
Kernquerschnitt 9 angepresst. Durch die entsprechende Gestaltung
der Ausschnitte 10 in Größe, Position, Anzahl und Form sowie
einer entsprechenden Ausführung
der Kernoberfläche
und der Wahl des Übermaßes des Schlauchumfangs
ist dieses möglich.
Nach dem Anpressen des Schlauchs 5 an den Kernquerschnitt 9 wird
der Schlauch 5 auf eine vorbestimmte Umformtemperatur erwärmt und
auf dieser kurzzeitig für
eine vorbestimmte Zeitdauer gehalten, um Spannungen, die durch das
Umformen und Straffen im Material des Schlauchs 5 entstehen, abzubauen.
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Alternativ
kann die Kraft mittels eines Umformwerkzeugs (nicht dargestellt)
aufgebracht werden.
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Nach
Abkühlung
des derart geformten Schlauchs 5 kann dieses in einem weiteren
Schritt von dem Kernwerkzeug 8 abgezogen werden. Dabei kann
unterstützend
Druckluft in den Innenraum 11 geleitet werden. Der derart
geformte Schlauch 5 ist nun der Formkern 4 mit
dem ersten Zielquerschnitt 6. Im Bereich der Seiten des
Formkerns 4 sind in den Innenraum 11 hervorstehende
Faltbereiche 19 zu erkennen, welche durch Anpressen in
die Ausschnitte 10 des Kernwerkzeugs 8 erzeugt
wurden.
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Dieser
Formkern 4 kann nun zum Beispiel in einer Negativform eines
Formwerkzeugs auf einen weiteren, nämlich den zweiten Zielquerschnitt 7 umgeformt
werden.
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Der
derart geformte Formkern 4 (in diesem Beispiel mit dem
ersten Zielquerschnitt 6) wird nun zum Verbinden des Versteifungsbauteils 2 (siehe 6)
mit einem Schalenbauteil (siehe auch 6) zunächst in
einen Hohlraum 14 des Versteifungsbauteils 2 eingesetzt.
Dies illustriert 3 in einer schematischen Darstellung
eines zweiten Schritts des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Versteifungsbauteil 2 ist
als Stringer mit dem späteren
Hohlraum 14 ausgebildet.
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Der
Formkern 4 wird mittels eines Fixiermittels 16,
zum Beispiel ein Epoxidklebestreifen, im Versteifungsbauteil 2 fixiert.
Das Fixiermittel 16 kann auch beispielsweise Magnethalterungen
aufweisen.
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Die
so erstellte Anordnung wird in einem nächsten Schritt, den 4 darstellt,
mit dem Fixiermittel 16 voran auf ein Laminat des Schalenbauteils 3 aufgebracht,
wobei der Formkern 4 in dem Hohlraum 14 mit dem
Innenquerschnitt 13 durch das Fixiermittel 16 fixiert
bleibt.
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Nach
diesem Aufbringen erfolgt ein Hilfsstoffaufbau, zum Beispiel für ein Autoklavverfahren, und
die Enden des Formkerns 4 werden aus dem Vakuumaufbau herausgeführt.
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5 zeigt
eine schematische Darstellung eines dritten Schritts des erfindungsgemäßen Verfahrens,
in welchem die Anordnung in diesem Beispiel in einem Autoklav (nicht
gezeigt) gehärtet
wird. Dazu wird die Anordnung zum Beispiel mit einer Vakuumfolie
(nicht dargestellt) umhüllt,
in welcher ein Außendruck
P1 mit einer Vakuumquelle erzeugt wird. Ein Autoklavdruck von z.
B. ungefähr
7 ... 10 bar wirkt außen
auf die Vakuumfolie und somit auf die Anordnung. Der Kerninnenraum 11 ist über seine
Schlauchenden, die aus der Vakuumfolie herausgeführt sind, mit dem die Vakuumfolie
umgebenden Autoklavdruck verbunden. Der Kerninnenraum 11 kann aber
auch mit einem anderen Druckmedium aus einer anderen Quelle beaufschlagt
sein. Somit wird eine Druckdifferenz zwischen dem Autoklavdruck und
dem Außendruck
P1 generiert, wodurch ein Innendruck P2 (z. B. ca. 3 ... 12 bar)
im Kerninnenraum 11 bewirkt wird, der den Formkern 4 auseinander drückt. Der
Druck P2 ist wesentlich größer als
P1. Der Formkern 4 kann auch mit einem unter Druck stehenden
Medium, zum Beispiel Druckluft, beaufschlagt werden. Durch den Formkern 4 wird
das Laminat des Schalenbauteils 3 unter dem Hohlraum 14 des
Versteifungsbauteils 2 ausreichend kompaktiert. Im Vergleich
zur konventionellen Blasschlauchmethode (siehe 1)
kommt es durch die Prägung
des Schlauchhalbzeugs 5 zum Formkern 4 in den
Ecken des Versteifungsbauteils 2 zur Ausbildung von definierten,
in diesem Beispiel kleinen, Radien. Die Bereiche mit Falten sind
durch Einwirkung des Drucks P2 derart elastisch verändert, dass
sie hier unter Bildung von innen liegenden Falten nach außen an die Wandung
des Hohlraums 14 gedrückt
werden.
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6 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen integralen, versteiften
Faserverbundbauteils 1 (in diesem Beispiel kann dies ein
Haut-Stringer-Verbund für
die Luft- oder Raumfahrt sein) mit zwei hohlen Versteifungsbauteilen 2 aus
einem Faserverbundwerkstoff, die auf einem Schalenbauteil 3 zur
Versteifung desselben aufgebracht und mit dem Schalenbauteil 3 über seine
Matrix verbunden sind. Das linke Versteifungsbauteil 2 ist
noch mit einer Anschlussleitung 18 gezeigt, welche eine
Verlängerung
des Kerninnenraums 11 nach außen (Autoklavaufbau ist bereits
entfernt) bildet. Die Anschlussleitung 18 ist in diesem
Beispiel über
einen Anschluss 17 mit dem im Innenquerschnitt 13 des Versteifungsbauteils 2 befindlichen
Formkern 4 verbunden. Auch am anderen Ende des linken Versteifungsbauteils 2 kann
der Formkern 4 mit einer Anschlussleitung 18 versehen
sein, was nicht gezeigt aber leicht vorstellbar ist.
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Aus
dem rechten Versteifungsbauteil 2 ist der Formkern 4 herausgezogen.
Dies kann zum Beispiel dadurch erfolgen, dass an den Enden des Formkerns 4 über die
Anschlussleitung 18 eine Zugkraft ausgeübt wird, wodurch sich der Formkern 4 zunächst von
der Innenwandung des Versteifungsbauteils 2 ablöst und dann
herausgezogen werden kann. Es ist auch möglich, über die Anschlussleitung 18 den
Formkern 4 mit einem Vakuum zu beaufschlagen, wodurch sowohl
ein Ablösen
als auch ein Herausziehen erleichtert wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
es so, den integralen Haut-Stringer-Verbund 1 mit hohlen
Versteifungsbauteilen 2 zu fertigen. Durch die damit mögliche bessere
strukturelle Auslegung ist ein gewichtsoptimales, strukturelles
Design möglich.
-
Folgende
Vorteile sind für
dieses Beispiel und andere (eine Übertragung dieser Vorteile
auf weitere Anwendungen ist leicht vorstellbar) somit ermöglicht:
- • Einfache
Integration des Formkerns 4 in die Versteifungselemente 2 durch
die geometrisch bedingte höhere
Steifigkeit des geformten Schlauchhalbzeugs 5 zum Formkern 4 möglich.
- • Die
Integration des Formkerns 4 in das Bauteil 2 ist
durch die Formgebung deutlich erleichtert, da dieser durch die Form
passgenau integrierbar ist.
- • Gute
Wiedergabe von Kanten und Ecken mit definierten Radien. Dabei können auch
mehrere kleine Radien einen gemeinsamen Radius ergeben. Auch Vielecke
in einem Zusammenhang können
somit als gemeinsamer Radius oder als eine Ausrundung oder dgl.
Hergestellt werden.
- • Pressung
des Laminats des Schalenbauteils 3 in den Eckbereichen,
welche durch Brückenbildung bei
konventionellem Verfahren mit nicht geformten Schläuchen normalerweise
nicht erreicht werden können.
- • Lieferung
von ausgehärteten
Komponenten und Formkern 4 als Einheit möglich.
- • Fertigungskosten
sind nur geringfügig
höher als bei
konventioneller Schlauchkerntechnik.
- • Potenzial
für den
Einsatz zur Fertigung von Bauteilen, bei denen bisher ein im Bauteil
verbleibender Kern aus fertigungstechnischen Gründen notwendig war (z. B. Steifen
bei Druckkalotten).
- • Steigerung
der Prozesssicherheit gegenüber konventioneller
Schlauchkerntechnik, da bei diesem Verfahren dickwandige Schläuche eingesetzt werden
können,
die bisher aufgrund der notwendigen Übermaßfalten und der damit verbundenen Gefahr
einer Beschädigung
beim Knicken nicht verwendbar waren.
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Die
Erfindung ist nicht auf das in den Figuren dargestellte, spezielle
Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils zum Bespiel
auf die Luft- und Raumfahrt beschränkt.
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Die
Geometrie der Zielquerschnitte ist auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
Es können mehr
als zwei Zielquerschnitte, zum Beispiel in mehreren Umformschritten,
erstellt werden, um beispielsweise komplexere Querschnitte zu erzeugen.
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Es
ist zum Beispiel möglich,
ein hohles Versteifungsbauteil 2 aus Faserverbundwerkstoff,
mit folgenden Verfahrensschritten herzustellen:
Bereitstellen
eines Formkerns 4 aus einem Schlauch 5 mit einem
von einem Rundquerschnitt abweichenden Zielquerschnitt 6, 7,
welcher an einen Innenquerschnitt 13 des herzustellenden
hohlen Versteifungsbauteils 2 zumindest abschnittsweise
angepasst ist oder ihm zumindest abschnittsweise im Wesentlichen
entspricht; wenigstens abschnittsweise Ablegen von wenigstens einem
Faserhalbzeug auf dem Formkern 4 und/oder ein Formwerkzeug
zur Herstellung von zumindest einem Formabschnitt des herzustellenden
hohlen Faserverbundbauteils; und Beaufschlagen des Formkerns 4 mit
einem unter Druck stehenden Medium, derart, dass der Druck innerhalb des
Formkerns 4 größer als
außerhalb
des Formkerns ist, und Aufbringen von Wärme und/oder Druck auf diese
Anordnung zur Herstellung des hohlen Faserverbundbauteils 2.
Das hohle Faserverbundbauteil kann zum Beispiel ein Versteifungsbauteil
in Gestalt eines Stringers sein.
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Auch
andere hohle Faserverbundbauteile sind damit selbstverständlich herstellbar,
wie z. B. Fahrradrahmen, Leichtbauteile in unterschiedlichen Anwendungsbereichen.
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- 1
- Faserverbundbauteil
- 2
- Versteifungsbauteil
- 3
- Schalenbauteil
- 4
- Formkern
- 5
- Schlauch
- 6
- Erster
Zielquerschnitt
- 7
- Zweiter
Zielquerschnitt
- 8
- Kernwerkzeug
- 9
- Kernquerschnitt
- 10
- Ausschnitt
- 11
- Kerninnenraum
- 12
- Blasschlauch
- 13
- Innenquerschnitt
- 14
- Hohlraum
- 15
- Harzansammlung
- 16
- Fixiermittel
- 17
- Anschluss
- 18
- Anschlussleitung
- 19
- Faltbereich
- p1
- Außendruck
- p2
- Innendruck