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Die Erfindung bezieht sich auf eine faserverstärkte Heftnadel für Verbindungsvorrichtungen zum temporären Verbinden von vorzugsweise plattenartigen Teilen, insbesondere zum Verbinden von zwei zu verklebenden und/oder zu vernietenden Teilen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Darüber hinaus wird gemäß Anspruch 13 ein Verfahren zur Herstellung der Heftnadel für derartige Verbindungsvorrichtungen beansprucht. Das bevorzugte Einsatzgebiet der Erfindung ist die Luft- und Raumfahrttechnik.
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Eine bekannte Verbindungsvorrichtung des erfindungsgemäßen Prinzips ist in
DE 20 2010 015 746 beschrieben. Sie weist einen in einem Gehäuse drehfest gelagerten Führungskörper auf, dessen Führungselemente in Führungsöffnungen eines Nadelträgers eingreifen. Der Nadelträger trägt zwei zueinander beabstandete Nadeln mit endseitigen widerhakenförmigen Nadelspitzen. Eine Spreizung der Nadelspitzen erfolgt, wenn die zunächst über das Ende der mit dem Führungskörper verbundene Spreizzunge hinausragenden Nadelspitzen durch ein Antriebselement axial in das Gehäuse hinein verschoben werden. Hierzu weisen der Nadelträger und das Antriebselement ineinander greifende Schraubengewinde auf.
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Diese Verbindungsvorrichtung weist den Nachteil auf, dass die Spreizzunge einen nennenswerten Anteil des Lochquerschnittes einnimmt, der für die Durchführung der die Spannkraft übertragenden Nadeln zur Verfügung steht. Die Spreizzunge selbst kann keine axiale Spannkraft übertragen. Des Weiteren ist nachteilig, dass die Länge der Spreizzunge auf die Dicke der zu verspannenden bzw. zu verbindenden Teile angepasst werden muss.
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Die als Variante ebenfalls vorgeschlagenen Nadeln aus faserverstärktem Kunstßtoff sollen die notwendige Tragfähigkeit dadurch erreichen, dass der hakenförmige Bereich der Nadeln durch Umlegen des freien Endes des faserverstärkten Halbzeugs erzeugt wird, so dass die Kraft entlang der Fasern vom hakenförmigen Endbereich direkt in den Schaftbereich der Nadel eingeleitet werden kann. Nach dem Umlegen des freien Endes des für die Nadel vorgesehenen Halbzeugs erfolgt die endgültige Formgebung der Nadel durch Heißumformung.
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Um die genannten Nachteile zu vermeiden, schlägt die
DE 10 2011 108 624 die Verwendung axial zueinander verschiebbare Nadeln vor, wobei die Nadeln in einer Ausgangsstellung raumsparend ineinander verschachtelt sind. Die Spreizung der Nadelspitzen erfolgt durch Verschiebung der Nadelspitzen auf ein gleiches axiales Niveau, wobei die ineinander verschachtelten Erhebungen und Vertiefungen getrennt werden und Erhebungen auf Stützflächen der gegenüberliegenden Nadel aufgleiten. Zur Spreizung der Nadeln ist also keine Spreizzunge mehr erforderlich. Dieses System erlaubt deutlich größer dimensionierbare Auflagenflächen (bis zu ca. 85% zusätzlich) der hakenförmigen Bereiche der Nadeln, wodurch sich nicht nur die Flächenpressung deutlich reduziert, es ermöglicht für verschiedene Einsatzfälle auch den Einsatz leichterer Materialien, wie z. B. faserverstärkter Kunststoffe.
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Die als Variante vorgeschlagenen faserverstärkten Kunststoff-Nadeln weisen den Nachteil auf, dass deren Herstellung vergleichsweise aufwendig ist, insbesondere dadurch, dass der endgültigen Konturgebung der Nadeln eine 90°- bis 180°-Umlegung des freien Endes vorausgehen muss. Darüber hinaus bleibt unklar, ob bei diesem Prozess, der mit einer starken Umformung der Fasern einhergeht, ein nennenswerter Anteil der Langfasern geschädigt wird und so die Verbindung zwischen der Verspannfläche der Nadelspitze und dem Nadelschaft geschädigt wurde.
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Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine faserverstärkte Kunststoff-Heftnadel anzugeben, die einfach und mit gleichbleibender Qualität herstellbar ist. Das faserverstärkte Halbzeug soll insbesondere an die jeweiligen Einsatzbedingungen anpassbar bzw. vorkonfektionierbar sein, so dass die Formgebung der Nadeln vorzugsweise nach dem stets gleichen Verfahren erfolgen kann.
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Die Problematik wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Heftnadel gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 13 hinsichtlich des Herstellungsverfahrens.
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Erfindungsgemäß weist die neuartige faserverstärkte Kunststoff-Heftnadel wenigsten einen sich über ihre gesamte Länge erstreckenden Bereich auf, innerhalb dessen Kunststoffmatrix sogenannte Endlosfasern in definierter sich kreuzender Anordnung verlaufen. Die Anordnung der Fasern ist dabei so gewählt, dass die Summe der in Achsrichtung der Heftnadel resultierenden Faservektoren mindestens doppelt so groß ist wie die Summe der quer zur Achsrichtung resultierenden Faservektoren. Die mit den sich kreuzenden Langfasern versetzte Kunststoffmatrix ist Bestandteil eines vorkonfektionierbaren Halbzeugs, das durch Heißumformung in die gewünschte Form der Heftnadel überführt werden kann. Als Endlosfasern können unterschiedlichste Materialien, auch in Kombination untereinander, zur Anwendung kommen, z. B. aus Glas, Karbon, Metall, Mineralien (beispielsweise Basalt-Fasern) oder Kunststoff (insb. Kevlar®). Sofern Kunststofffasern zum Einsatz kommen, sollten diese vorzugsweise gereckt sein, um ihre elastische Dehnbarkeit zu reduzieren.
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Zur Erzeugung der sich erfindungsgemäß kreuzenden Langfasern können in die Kunststoffmatrix Gelege, Gewebe, Gestrick, Gewirk, Geflecht oder dergleichen eingebettet werden. Natürlich können auch Kombinationen dieser Gebilde aus sogenannter Maschenware innerhalb der gleichen Kunststoffmatrix bzw. desselben Halbzeugs zur Anwendung kommen. Durch die Wahl der Maschendichte kann sehr gut und gezielt auf die räumliche Verformbarkeit des Fasergebildes Einfluss genommen werden. Idealerweise kommt es bei der endgültigen Formgebung der Heftnadel zu einer weitgehenden Streckung der in Achsrichtung verlaufenden Langfasern, um die Spannkraft möglichst umfassend in die Fasern einleiten zu können und die Kunststoffmatrix zu entlasten.
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Erfindungsgemäß können aber auch ungeordnete Fasergebilde, wie z. B. Vlies, zum Einsatz kommen. Hierzu ist es jedoch erforderlich, dass das Vlies vor seiner Einbettung in die Kunststoffmatrix derart vorbehandelt wurde, dass seine Faserausrichtung überdurchschnittlich entlang der Heftnadel-Achse organisiert ist. Die gewünschte Ausrichtung der Fasern kann man erreichen, indem man eine Matte aus Vlies auf einer nagelbrettartigen Unterlage fixiert und mit einem ähnlichen nagelbrettartigen Träger von oben in die Zwischenräume eingreift, und anschließend die beiden Nagelträger axial zueinander verschiebt. Gegebenenfalls kann das so „gestreckte” Vlies mit seinen nun bevorzugt ausgerichteten Endlosfasern auch noch quer zur axialen Längsrichtung gestaucht werden, was den gewünschten Effekt der Faserausrichtung noch verstärken würde.
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Während Gelege weitgehend flächig und eben ausgeführt werden, können sogenannte Maschenwaren (insbesondere Gestricke und Gewirke) hocheffizient auch zopf-, seil- oder schlauchförmig ausgeführt und in eine Kunststoffmatrix eingebettet werden. Ein entsprechendes Halbzeug stellt dann die Basis für die durch Heißumformung zu erzeugenden Heftnadeln dar.
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Sich in einem spitzen Winkel kreuzende Fasern, wie sie in einfacher Weise bei einem Gelege definiert herstellen lässt, bilden mit einer Kunststoffmatrix ein sehr stabiles und mechanisch hoch belastbares Gebilde. Um die Zugfestigkeit der Heftnadel zu optimieren, wird das aus Matrix und Fasern bestehende Halbzeug derart verwendet, dass die Winkelhalbierende der sich kreuzenden Fasern weitgehend mit der Achse der Heftnadel übereinstimmt.
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Die herausragende Leistungsfähigkeit des beschriebenen Halbzeugs gestattet die Herstellung und Verwendung von Heftnadeln, die vollständig aus dem faserverstärkten Kunststoff bestehen. Für sehr hohe Leistungsanforderungen besteht aber auch die Möglichkeit, Heftnadeln aus einer Kombination des faserverstärkten Kunststoffs auf Basis des vorkonfektionierten Halbzeugs mit einem weiteren hochbelastbaren Material im Sinne einer Armierung herzustellen. Eine solche Armierung kann mit der Matrix des faserverstärkten Kunststoffs verbundenen oder darin eingebettet sein. Besonders geeignet erscheinen metallische Armierungen, z. B. auf Basis eines feinmaschigen Streckmetalls oder Geflechts.
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Eine Armierung kann bei Bedarf auch mehrteilig ausgeführt sein, und zwar schichtartig nebeneinander oder in Reihe hintereinander. Im zuletzt genannten Fall kann beispielsweise im oberen Drittel der Heftnadel ein erstes Armierungsteil aus einem vergleichsweise festen und starren Material vorgesehen sein, das mit einem zweiten Armierungsteil im unteren Bereich der Heftnadel verbunden ist, welches aus einem Werkstoff mit hoher Zugfestigkeit, aber einer vergleichsweise besseren Biegefähigkeit besteht. Eine solche Heftnadel verfügt nicht nur über eine sehr hohe Zugfestigkeit sondern auch über die für die Spreizung der Heftnadeln notwendige Biegeelastizität.
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Die Armierung sollte sich natürlich über die gesamte Länge der Heftnadel erstrecken und zumindest an einem Ende ein Formschlusselement ausbilden, und zwar entweder zur Ausbildung einer hakenförmigen Spitze am freien Ende der Nadel und/oder zur Einbettung des fußseitigen Bereichs der Nadel in einen Träger. Geeignete Armierungen können beispielsweise aus einem Streckmetall, einem Metallfasergewebe, einem metallischen Vlies, einem Blechstreifen, einer Mehrzahl von Drähten oder dergleichen gefertigt sein.
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Um eine einfache Formgebung der Heftnadeln zu gewährleisten, sollte die Armierung selbst zumindest teilweise in einer Kunststoffmatrix eingeschlossen sein und/oder mit dem das Halbzeug repräsentierenden faserverstärkten Kunststoff einen Sandwich-Rowling bilden. Für die Herstellung der Heftnadel sollte ein Ausgangsmaterial mit streifenförmiger Struktur bereitgestellt werden, das
- – als ein von einer Platte geschnittener oder gestanzter Streifen ist oder
- – als ein durch Extrusion oder Pulltrusion oder Strangpressen oder Strangziehen erzeugter Streifen ist oder
- – ein durch Ausstanzen erzeugter Streifenabschnitt ist, der annähernd der Größe der Nadel entspricht oder
- – auf der Basis eines mattenartigen Halbzeug erzeugt wird, wobei in einem Zuge (d. h.
kontinuierlich, im Wesentlichen in einem Arbeitsgang) das Material des Halbzeugs erwärmt und die Heftnadeln schließlich herausgeformt werden, z. B. mittels eines Stanz-Präge-Prozesses, der auch formgebende Walzen beinhalten kann.
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Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung weist zumindest ein Teilbereich der äußeren Kontur der Heftnadel Mittel auf, die einem Verkleben der paarweise angeordneten Heftnadeln entgegenwirken. Zu diesem Zweck kann eine dünnwandige Umhüllung bzw.
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Umspritzung des Grundkörpers der Heftnadel vorgesehen sein. Aber auch eine geeignete Oberflächenbehandlung des Grundkörpers der Heftnadel mittels CVD (Chemical Vapor Deposition) oder ionisierender Strahlung kann den gewünschten Effekt hervorrufen. Nur wenn bei einer Kontamination die Klebstoffreste einfach entfernbar sind, kann die betreffende Heftnadel mehrfach zum Einsatz kommen.
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Erfindungsgemäß wird die Heftnadel aus faserverstärktem Kunststoff auf der Basis eines vorkonfektionierten Halbzeugs mittels einer Vorrichtung zum Heißumformen in nur einem Schritt durch Heißumformung in die funktionale Form der Heftnadel gebracht.
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Bei diesem Schritt der Heißumformung des Halbzeugs sollte der Streckungsgrad der im Wesentlichen in Achsrichtung verlaufenden Endlosfasern erhöht werden, um bei der Einleitung der Spannkraft das Potential der in die Matrix eingebetteten Fasern bestmöglich ausnutzen zu können und die Matrix selbst weitgehend zu entlasten.
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Nach einer Variante der Erfindung kann zur Herstellung einer Heftnadel mit besonders hoher Belastbarkeit vor der Heißumformung des Halbzeugs eine Armierung in das Werkzeug eingelegt werden. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, die Armierung vor der Heißumformung mit der faserverstärkten Matrix zu vereinigen und so ein komplexeres Halbzeug zur Verfügung zu stellen. Das Abformen der Heftnadeln kann wie bereits oben beschrieben erfolgen.
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Nachfolgend wird die erfindungsgemäße Heftnadel anhand von Ausführungsbeispielen und den dargestellten Figuren näher erläutert. Um eine umfangreiche und ausführliche Erklärung des Aufbaus und der Wirkungsweise der zugehörigen anderen mechanischen Teile der Verbindungsvorrichtung zu vermeiden, werden ausdrücklich die Offenbarungen der deutschen Gebrauchsmusteranmeldung
DE 20 2010 015 746 und der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2011 108 624 zum Gegenstand dieser Anmeldung gemacht. Die erfindungsgemäße Heftnadel kann aber auch in Kombination mit anderen Verbindungsvorrichtungen zum Einsatz kommen.
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Es zeigen:
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1a Darstellung eines Ausschnitts eines einfachen Gewebes aus Kett- und Schussfäden
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1b Darstellung eines Gewebes mit in Gruppen zusammengefassten Kett- und
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Schussfäden
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2a Darstellung eines Gestricks
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2b Vektor-Darstellung zu 2a
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3 Darstellung eines schlauchförmigen Rundstrick-Elements
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4a Darstellung eines mehrlagigen Gewirks
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4b Darstellung des maschen- bzw. schlaufenbildenden Verlaufs der Fäden des Gewirks
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5a Schematische Darstellung eines zweilagigen Geleges
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5b Vektor-Darstellung zu 5a
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6 Ausschnitt eines Streckmetalls
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7a Schlauchförmiges Geflecht
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7b Vektor-Darstellung zu 7a
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8 Schematische Schnittdarstellung einer Heftnadel mit in einer Kunststoffmatrix eingebetteten Endlosfasern
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9 Schematische Darstellung des Verlaufs der Endlosfasern in Abhängigkeit ihrer Lage
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10 Schematische Darstellung eines Halbzeugs mit in einer Kunststoffmatrix eingebettetem Endlosfaser-Rowling oder Endlosfaser-Vlies
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11a Vlies mit homogen verteilten Fasern
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11b Behandeltes Vlies mit in Vorzugsrichtung ausgerichteten Fasern
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12 Halbzeug mit einem in eine Kunststoffmatrix eingebetteten Vlies gemäß 11b
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13 Faserverstärktes vollzylinderförmiges Halbzeug
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14 Faserverstärktes hohlzylinderförmiges Halbzeug
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15 Heftnadel mit verschiedenartigen Fasereinlagen in der Kunststoffmatrix
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16a Fußseitiger Formschlussbereich der Heftnadel
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16b Fußseitiger Formschlussbereich der Heftnadel
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16c Fußseitiger Formschlussbereich der Heftnadel
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17 Heftnadel mit Armierung und Faserverstärkung
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18 Heftnadel mit Armierung ohne Faserverstärkung
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Der in der 1a dargestellte Gewebe-Ausschnitt zeigt eine einfache, die sogenannte Bindung repräsentierende Anordnung von Kett- und Schussfäden 1a, 1b. Die Bindung beeinflusst maßgeblich die Eigenschaften des Gewebes, z. B. die Schiebefestigkeit. Lockere Gewebe besitzen typischerweise eine gute räumliche Verformbarkeit. Voluminöse Gewebe auf der Basis gekräuselter Kunststoffgarne (z. B. Kevlar®-Fasern) weisen eine besonders gute Formbarkeit auf. Für den erfindungsgemäßen Einsatz müssen solche Fasergebilde vor ihrer Einbettung in eine Kunststoffmatrix derart vorbehandelt werden, dass die Fasern in Belastungsrichtung (also in Achsrichtung Z der Heftnadeln) eine Vorzugsorientierung aufweisen, so dass zumindest in dieser Richtung eine erhöhte mechanische Belastbarkeit vorliegt.
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Die in Achsrichtung Z verlaufenden Fäden 1a sollen aufgrund ihres größeren Querschnitts und/oder der höheren Festigkeit des verwendeten Materials (Metall oder Karbon) im Vergleich zu den quer verlaufenden Fasern 1b, die beispielsweise aus Kunststoff sein können) die auf die Heftnadel einwirkenden Zugkräfte gut aufnehmen. Gleichzeitig soll eine hinreichend gute Verformbarkeit des Fasergebildes bei der Formgebung der Heftnadel durch Heißumformung des betreffenden Halbzeugs gewährleistet sein, um einen Teil der Fasern des Kopfbereichs 31 der Heftnadel 3 zur Ausbildung des die Stützfläche 310 repräsentierenden Bereichs nutzen zu können. Der in Achsrichtung Z verlaufende Summen-Vektor 10a ist um das Mehrfache länger dargestellt als der quer dazu verlaufende Summen-Vektor 10b, wodurch angedeutet werden soll, dass die mechanische Belastbarkeit (insbesondere die Zugbelastbarkeit) des aus den Fäden 1a, 1b bestehenden Gewebes in Längsrichtung der Heftnadel entsprechend höher ist.
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An dieser Stelle sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäßen Fasergebilde aus Endlosfasern auch mit einer Kunststoffmatrix kombiniert werden können, die Bruchstücke aus Fasern (z. B. Glasfasern) aufweist. Diese Faserbruchstücke können sich sehr gut mit den verschiedenen Fasergebilden aus Endlosfasern verhaken und somit besonders hochbelastbare Heftnadeln bilden.
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Das Gewebe gemäß 1b verwendet pro Flächeneinheit mehr in Z-Richtung verlaufende Fäden 1a als in Querrichtung verlaufende Fäden 1b, so dass hierdurch eine entsprechend asymmetrischen mechanische Belastbarkeit gegeben ist.
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2a zeigt beispielhaft den Maschenverlauf bzw. den Verlauf der Fäden 1a, 1b eines Gestricks. Zur Verdeutlichung der bevorzugten Belastbarkeit des Gestricks in Achsrichtung Z wurden schematisch an einigen Stellen eines eine Masche bildenden Fadens Richtungsvektoren 10a, 10ab, 10b, 10ba eingezeichnet. Die Summen-Vektoren 10aa, 10bb von 2b fassen die Einzelvektoren 10a, 10ab, 10b, 10ba prinziphaft zusammen.
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Das in 3 dargestellte Rundgestrick soll bespielhaft für alle kompakten und hohlen Profile stehen, die sich heute mit Dimensionen von 1 mm Durchmesser bis zu etwa 250 mm Außenabmessungen mit weitgehend gleich bleibenden Querschnitten sehr effizient herstellen lassen, z. B. mittels Strangziehverfahren. Dabei sind alle Fasern in Längenrichtung gleich ausgerichtet, was zu sehr guter Reproduzierbarkeit führt. Die mechanischen Eigenschaften sind durch die Zuführung von Faser-Rovings, Matten auf Basis von Geweben, Gewirken, Vliesen oder dergleichen zu beeinflussen.
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4a zeigt ein weiteres Beispiel für ein Fasergebilde, und zwar nach Art eines Gewirks. Der Verlauf der Fäden 1a, 1b und die gebildeten Zwischenräume 2 sind in 4b dargestellt.
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Mit Gelegen aus zwei oder mehr Lagen gleichgerichteter Fasern 1a, 1b (wie in 5a schematisch angedeutet) kann in definierter Weise eine Winkel zwischen den sich kreuzenden Fasern 1a, 1b gewählt werden, wobei die Hauptausrichtung der Fasern 1a, 1b entlang der Achse Z der Heftnadel erfolgt und die Winkelhalbierende zwischen den Fasern 1a, 1b idealerweise mit der Achse Z zusammenfällt. 5a symbolisiert auch für dieses Ausführungsbeispiel die asymmetrische Belastbarkeit des Fasergebildes bzw. des daraus hergestellten Halbzeugs.
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6 zeigt den Ausschnitt eines feinmaschigen Streckmetall-Elements mit Materialstegen 1 und Zwischenräumen 2, deren Ausbildung ebenfalls eine asymmetrische Zug-Belastbarkeit hervorruft. Diese Beispiel soll verdeutlichen, dass der Schutzumfang dieser Erfindung weitauszulegen ist, da im Sinne der Erfindung auch die sich aneinander reichende Stege eines Streckmetalls als faserartige Verläufe mit sich kreuzenden Stellen aufgefasst werden können. Während bei realen Fasergebilden die Lagefixierung der Fasern untereinander in der Regel erst mit deren Einbettung in die Kunststoffmatrix erfolgt, geschieht dies beim Streckmetall bereits mit seiner Herstellung. Es lässt sich jedoch in ähnlicher Weise räumlich ausformen wie ein hinreichend lockeres (also mit Zwischenräumen versehenes) Fasergebilde, wie z. B. Gewebe, Gestricke oder Vlies.
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Aus 5a ist ein schlauchförmiges Geflecht aus Fasern oder Litzen 1'a, 1'b entnehmbar, wobei die Fasern 1'a, 1'b miteinander einen Winkel von ca. 45 Grad bilden und deshalb in Achsrichtung Z keine bevorzugt Belastbarkeit vorliegt, wie mit der Vektordarstellung in 7b angedeutet. Dies ist jedoch nicht der Fall, wenn der schlauchförmige Hohlraum von der Kunststoffmatrix ausgefüllt ist, da sich das Geflecht dann unter Zugbelastung nicht mehr zusammenziehen kann. Dieses Ausführungsbeispiel ist also ebenfalls für den erfindungsgemäßen Einsatz geeignet.
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In 8 ist ein Querschnitt durch eine Kunststoff-Heftnadel 3 dargestellt, wobei der Übersichtlichkeit halber nur die sich im Wesentlichen in Achsrichtung erstreckenden Endlosfasern 1a des Fasergebildes aus sich kreuzenden Fasern 1a, 1b dargestellt sind. Durch die Formgebung der Heftnadel 3 während des Heißumformens werden die Fasern 1a im Bereich der Stützfläche 310 am unteren Ende des Kopfes 31 verdichtet, wobei gleichzeitig auch der Verlauf der Fasern 1a in diesem Bereich einen Übergriff zur Aufnahme der zu übertragenden Spannkräfte bildet. Der gewünschte Verlauf der Fasern kann auch durch eine gezielte axiale Stauchung des Kopfes 31 oder durch eine rückseitige querverlaufende Eindellung des Kopfes 31 in Richtung der Ebene der Stützfläche 310 (wie bei 12 in 9 angedeutet) unterstützt werden.
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Die gemäß 8 dargestellte Form einer Heftnadel 3 geht davon aus, dass zur Spreizung der Köpfe 31 eine axiale Verschiebung von aufeinander abgestimmten Heftnadeln vorgesehen ist, wobei der Druck auf die Rückseiten der Köpfe 31 zu einer Schwenkbewegung um die virtuelle Schwenkachse 311 am Übergang zum Schaft 30 der Heftnadel 3 führt. Infolgedessen übergreift die Stützfläche 310 den Rand des Loches der zu verbindenden Teile (nicht dargestellt) und kann dann verspannt werden.
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10 stellt ein Halbzeug 300 schematisch dar, das durch Heißumformung die Kontur der Heftnadel erhalten soll. Dieses Halbzeug 300 besteht aus einer Kunststoffmatrix und wenigstens einem Fasergebilde in dem voran beschriebenen weitgefassten Wortsinn. Bei Umformung der Halbzeugs 300 wird auf die Fasern 1a, 1b unterschiedlich eingewirkt, wobei es, je nach Intensität der Umformung, zu einer mehr oder weniger starken Streckung der Fasern 1a kommt. Im Bereich einer neutralen Faser L0 (siehe auch 9) ist im Wesentlichen keine Streckung zu erwarten, während in den stärke deformierten Randbereichen entlang der Konturen L1 und L2 eine Streckung der Fasern 1a erfolgt, was der Kraftübertragung durch diese Fasern 1a förderlich ist und die mechanische Belastung der Kunststoffmatrix reduziert.
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Grundsätzlich können auch Fasergebilde als Basis zur Herstellung eines Halbzeugs 300 eingesetzt werden, deren Fasern 1a, 1b zunächst homogen verteilt sind und keine bevorzugte Ausrichtung ausweisen, wie dies bei einem Vlies grundsätzlich der Fall ist. Durch eine geeignete mechanische Behandlung dieses Fasergebildes kann eine Vorzugsrichtung der Fasern erzeugt werden. In 11a und 11b ist durch Pfeile angedeutet wie durch Recken und Stauchen eines Vlieses eine bevorzugte Belastungsrichtung für ein Halbzeug 300 hergestellt werden kann. Die Summen-Vektoren 10aa, 10bb symbolisieren die entsprechenden Veränderung der mechanischen Eigenschaften.
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13 zeigt ein Halbzeug 300 in Stabform, in dessen inneren Kunststoffkern 33 Fasern 330 oder dergleichen eingebettet sind, deren Verlauf sich im Wesentlichen in axialer Richtung Z erstreckt. Dieser Kern 33 ist umschlossen von einem Geflecht 301 sich kreuzender Fasern 1a, 1b oder Drähte oder Litzen. Die äußere Hüllschicht 32 wird gebildet von einem Kunststoff ohne Faserverstärkung. Gemäß einer Vorzugsvariante der Erfindung besitzt dieses Kunststoffmaterial die Eigenschaft, sich nicht oder nur schlecht mit dem Klebstoff zu verbinden, der zum Verkleben der plattenartigen Teile verwendet wird. Polypropylen (PP) weist im Wesentlichen die gewünschten Eigenschaften auf. Eine Kontamination der Heftnadeln mit dem Klebstoff würde also eine einfache Reinigung und somit eine Wiederverwendung der Verbindungsvorrichtung ermöglichen.
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Ein rohrförmiges Halbzeug 300 ist in 14 dargestellt. Demnach wird das aus den Fasern 1a, 1b gebildete Geflecht 301 von einer inneren faserverstärkten Hülle 34 mit den Fasern 340 und einer äußeren faserverstärkten Hülle 32 mit den Fasern 320 eingeschlossen. Die faserverstärkte äußere Hülle 32 bietet auch bei einem großen Umformungsgrad des Halbzeugs 300 einen sicheren Schutz davor, dass das eingeschlossene Geflecht 301 unerwünscht an die Oberfläche treten kann. Somit könnte das Verstärkungselement 301 auch aus einem scharfkantigen Material bestehen, z. B. Streckmetall.
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15 zeigt eine Heftnadel 3, die unter Verwendung verschiedenartiger Fasergebilde 1a, 1b und 1c, 1d erzeugt wurde, z. B. auf der Basis eines Halbzeugs 300 gemäß 13.
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Varianten fußseitiger Formschlussbereiche mit zur Achse Z abgewinkelten Enden zeigen die 16a bis 16c. Demnach kann das Halbzeug am fußseitigen Ende mittig geteilt und im Wesentlichen rechtwinklig oder spitzwinklig abgespreizte Formschlusselemente 36a, 36b bzw. 38a, 38b aufweisen. Aber auch einseitig abgewinkelte Formschlusselemente 37 sind geeignet, einen guten Halt in einem Heftnadel-Träger (nicht dargestellt) zu gewährleisten.
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Die Heftnadel 3 gemäß 17 weist mittig eine Armierung 4 auf, die beispielsweise aus einem Streifen Streckmetall oder Blech geformt wurde. Die Armierung 4 bildet am Kopf 31 ein hakenförmiges Ende 41 aus und ist in Bereich des Schaftes 30, 40 beidseitig sandwichartig von einer mit Fasern 1a, 1b verstärkten Kunststoffmatrix eingeschlossen. Die Kunststoffmatrix (z. B. auf Basis von Polypropylen) weist bezüglich des verwendeten Klebstoffs keine guten Bindungseigenschaften auf, um eine einfache Reinigung der Heftnadeln 3 zu gewährleisten. Gegebenenfalls kann die Oberfläche der Kunststoffmatrix auch durch eine chemische oder physikalische Behandlung mit den gewünschten Eigenschaften ausgestattet werden.
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Die in 18 dargestellte Heftnadel 3 besitzt eine nahe dem äußeren Rand angeordnete Armierung 4, die durch Kaltfließpressen erzeugt wurde. Im Bereich des Kopfes 31 ist ein hakenförmiges Widerlager 41 und fußseitig ein Formschlussbereich 32 zur Einbettung in einen Heftnadel-Träger ausgebildet. An der Rückseite des Heftnadel 3 sind im Bereich des Kopfes 31 Konturen 31a, 31b angefromt, die im Zusammenwirken mit den Gegenkonturen einer weiteren (nicht dargestellten) Heftnadel ein Spreizen der Heftnadeln bewirken, wenn diese axial auf ein gleiches Niveau verschoben werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verstärkungsmaterial, in Kunststoff einzubetten
- 1a, 1b
- Fasermaterial (flächige Maschenware bzw. Rundstrickware)
- 1'a, 1'b
- Fasermaterial (Schlauch-Flechtung)
- 1c, 1d
- Verstärkungsmaterial (aus Fasern, Draht, Streckmetall,...)
- 10a
- Vektor in Achsrichtung der Heftnadel
- 10b
- Vektor quer zur Achsrichtung der Heftnadel
- 10aa
- Summen-Vektor in Achsrichtung der Heftnadel
- 10bb
- Summe-Vektor quer zur Achsrichtung der Heftnadel
- 10ab, 10'ab
- Vektor mit diagonalem Verlauf
- 10ba, 10'ba
- Vektor mit diagonalem Verlauf
- 2
- Freiraum
- 3
- Heftnadel
- 30
- Schaft der Heftnadel
- 31
- Kopf der Heftnadel
- 32
- Äußere Hüllschicht aus Kunststoff
- 33
- Innerer Kunststoffkern
- 34
- Innere Hüllschicht
- 35
- Hohlraum
- 36a, 36b, 37, 38a, 38b
- Fußseitiges Formschlusselement
- 300
- Halbzeug
- 301
- Verstärkungselement (Gewebe, Gestrick, Gefecht, Gewirk, ....)
- 310
- Stützfläche am Kopf der Heftnadel
- 311
- Virtuelle Schwenkachse am Übergang zwischen Kopf und Schaft
- 320, 330, 340
- Fasern, Draht oder Litze
- 4
- Armierung, z. B. aus Streckmetall oder Drahtgeflecht
- 40
- Schaft
- 41
- Kopf
- 42
- Fußseitiger Formschlussbereich
- L0
- Neutrale Achse der Heftnadel
- L1
- Verlauf der vorderen Kontur der Heftnadel
- L2
- Verlauf der hinteren Kontur der Heftnadel
- Z
- Längsachse der Heftnadel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202010015746 [0002, 0023]
- DE 102011108624 [0005, 0023]
