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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteiles nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein faserverstärktes Kunststoffbauteil nach dem Patentanspruch 11.
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Gängige Verfahren zur Herstellung eines solchen faserverstärkten Kunststoffbauteiles sind unter anderen Wickelverfahren (zum Beispiel das sogenannte Nasswickeln) oder RTM-Verfahren (Resin Transfer Moulding). Beispielhaft wird auf die
DE 18 12 994 A verwiesen, aus der ein Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines faserverstärkten Verbundkörpers bekannt ist.
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Beim klassischen Wickelverfahren werden im Trockenzustand auf Rollen aufgewickelte Endlosfasern (sogenannte Rovings) mit dem Matrixwerkstoff getränkt, zum Beispiel durch Eintauchen in die flüssige Ausgangskomponente des Matrixmaterials (beispielsweise bestehend aus Harz, Härter und Beschleuniger) und anschließend auf einen Wickeldorn aufgewickelt, dessen Außenprofil der Kontur des zu fertigenden Kunststoffbauteiles entspricht. Die im Nasszustand auf den Wickeldorn aufgewickelten Endlosfasern werden dann zur Fertigstellung des Kunststoffbauteiles in einen Ofen gegeben und gehärtet. Auf diese Weise können insbesondere rotationssymmetrische Bauteile, wie zum Beispiel eine Antriebswelle oder ein Wassertank, hergestellt werden.
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Bei einem gattungsgemäßen RTM-Verfahren wird dagegen zunächst ein aus flächigen Faserhalbzeugen (zum Beispiel Gewebe oder Gelege) gebildeter Vorformling bereitgestellt. Der Vorformling befindet sich noch im Trockenzustand, das heißt noch ohne Matrixmaterial. Zur Fertigstellung des Kunststoffbauteils wird der Vorformling als ein Einlegerteil in eine Formkammer ausbildende Werkzeughälften eines RTM-Werkzeugs eingelegt. Anschließend wird die flüssige Ausgangskomponente des Matrixwerkstoffes unter Wärme und Druck in die Formkammer eingespritzt. Nach Aushärtung des Matrixwerkstoffes kann das fertiggestellte Kunststoffbauteil aus dem RTM-Werkzeug entnommen werden.
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Der oben genannte Vorformling kann wie folgt manuell hergestellt werden: Zunächst werden die, zum Beispiel bereits maßgenau zugeschnittenen flächigen Faserhalbzeuge zu einem Lagenpaket übereinandergestapelt, und zwar unter Zwischenlage eines Binders. Die übereinandergestapelten flächigen Halbzeuge können in gleicher und unterschiedlicher Faserorientierung angeordnet sein. Anschließend wird unter Druck und Wärme das noch lose Lagenpaket verfestigt und vorgeformt. Der so gebildete Vorformling kann dann weiter zum RTM-Werkzeug transportiert werden.
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Mittels des Binders wird gewährleistet, dass der Vorformling nach der Druck- und Wärmebeaufschlagung eine ausreichend große Bauteilstabilität aufweist. Diese ist erforderlich, damit die übereinandergestapelten Faserhalbzeuge des Vorformlings, insbesondere ihre Faserorientierung, beim Einspritzen des flüssigen Matrixwerkstoffes in die Formkammer des RTM-Werkzeugs ohne Verlagerung lagefest sowie positionsgenau verbleiben. Wie oben erwähnt, erfolgt derzeit die Herstellung eines solchen Vorformlings weitgehend manuell, was im Hinblick auf eine Großserienproduktion, insbesondere in Bezug auf die Prozesssicherheit, problematisch ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteiles bereitzustellen, bei dem weitgehend automatisierte Herstellungsschritte ermöglicht sind.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 oder des Patentanspruches 11 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Erfindungsgemäß wurde die Problematik erkannt, dass das oben erwähnte manuelle Übereinanderstapeln der flächigen Faserhalbzeuge zu einem Lagenpaket fertigungstechnisch aufwändig ist. Vor diesem Hintergrund erfolgt gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 die Bereitstellung des Lagenpaketes nicht mehr in manueller Weise, sondern wird zumindest eine Endlosfaser im Trockenzustand, das heißt unter Weglassung von Matrixmaterial zunächst auf einen Wickeldorn automatisiert zu einem Lagenpaket gewickelt. Das Lagenpaket weist zumindest eine, bevorzugt mehrere übereinandergestapelte Faserlagen auf. Die Faserlagen können in gleicher Faserorientierung (unidirektionaler Lagenaufbau) oder in unterschiedlicher Faserorientierung übereinandergestapelt sein.
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Bei einer speziellen Vorformling-Geometrie, insbesondere bei einem rotationssymmetrisch gewickelten Vorformling, kann das Lagenpaket derart eng gewickelt sein, dass sich die trockene Endlosfaser aufgrund der Faserspannung ausreichend selbst fixiert und stützt. In diesem Fall kann auf ein zusätzliches Applizieren eines Binders beim Aufwickeln der Endlosfaser verzichtet werden. Alternativ dazu kann die Endlosfaser im Trockenzustand zwar unter Weglassung von Matrixmaterial, jedoch mit einem solchen Binder auf einen Wickeldorn zu einem Lagenpaket gewickelt werden. Die Vorteile bei der Verwendung des Binders sind nachfolgend noch beschrieben.
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Im Unterschied zum aus dem Stand der Technik bekannten Nasswickeln werden erfindungsgemäß die Endlosfasern nicht im Nasszustand, das heißt mit darauf benetztem Matrixmaterial, sondern vielmehr im Trockenzustand auf den Wickeldorn gewickelt. Der gegebenenfalls beigefügte Binder bewirkt unter Druck- sowie Wärmebeaufschlagung ein Verkleben der aufgewickelten Faserlagen, wodurch eine stabile Handhabbarkeit des automatisiert hergestellten Vorformlings gewährleistet ist. Anschließend wird der Vorformling als ein Einlegerteil der Formkammer des RTM-Werkzeugs zugeführt, in der unter Wärme und Druck das flüssige Matrixmaterial eingespritzt und anschließend ausgehärtet wird.
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Der Binder kann beispielhaft bereits vor dem Aufwickeln auf den Wickeldorn kontinuierlich auf die Endlosfaser gebracht werden. In diesem Fall wird die Endlosfaser bereits in einem bebindeten Zustand auf den Wickeldorn aufgewickelt. Alternativ dazu kann der Binder nicht kontinuierlich, sondern diskontinuierlich (das heißt nach dem Aufwickeln einer jeden Faserlage) während des Aufwickel-Vorgangs auf den Wickeldorn auf die Endlosfaser gebracht werden. Wie oben erwähnt, fixiert der Binder die aufgewickelten Endlosfasern und Faserlagen, um beim nachfolgenden RTM-Prozess eine lagesichere Positionierung und Ausrichtung der aufgewickelten Endlosfasern zu gewährleisten. Bevorzugt kann im Wechsel zunächst eine Faserlage auf den Wickeldorn aufgewickelt und anschließend der Binder auf die aufgewickelte Faserlage aufgebracht werden.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden einerseits Vorformlinge bereitgestellt, die als Halbzeuge zur Fertigung von Kunststoff-Rundteilen verwendbar sind, etwa einer Antriebswelle oder eines Tanks oder sonstiger rotationssymmetrischer Bauteile, jedoch nicht zur Fertigung von flächigen Kunststoffbauteilen.
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Um das Verfahren auch zur Herstellung flächiger Kunststoffbauteile nutzen zu können, kann das Lagenpaket des im Wickelprozess hergestellten Vorformlings durchtrennt werden. Auf diese Weise ergeben sich aus dem runden Lagenpaket flächige Lagenpaket-Zuschnitte, die in Formkammern von RTM-Werkzeugen einlegbar sind. Die Stabilität sowie eine einfache Handhabbarkeit der Lagenpaket-Zuschnitte sind aufgrund des zugesetzten Binders gewährleistet. Zudem kann der Binder beim Entformen des Vorformlings vom Wickeldorn sowie bei einer Zwischenlagerung und beim Transport die Formstabilität des Vorformlings gewährleisten.
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Aus dem erfindungsgemäßen Trockenwickeln ergibt sich eine prozesssichere und zuverlässig wiederholbare Verarbeitung der Fasern und ferner eine einfachere, eine gezielte Verfestigung bewirkende Aufbringung des Binders auf das Fasergelege. Die Wärmezufuhr zur Binderaktivierung kann unter anderem besonders zweckmäßig durch Infrarotstrahler oder durch einen Umluftofen durchgeführt werden, die den Binder zur Verfestigung des Fasergeleges entsprechend temporär aufschmelzen. Alternativ kann zur Wärmezufuhr auch der Wickeldorn selbst beheizt werden.
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Besonders bevorzugt kann ein pulverförmiger Binder verwendet werden, der auf das Fasergelege aufgesprüht wird. Dabei können bei einem mehrlagigen Fasergelege jeweils nach einer oder mehreren Lagen der Binder aufgesprüht und anschließend durch Wärmezufuhr aufgeschmolzen werden.
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Des Weiteren kann besonders vorteilhaft nach Fertigstellung des Wickelvorgangs der Binder durch Wärmezufuhr nochmals erhitzt und das Fasergelege in die Endform des Vorformlings verformt werden.
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Im Gegensatz zur Erfindung (das heißt Trockenwickeln einer Endlosfaser) wird beim klassischen Wickelverfahren die Endlosfaser mit einer vorgegebenen Tränkgeschwindigkeit durch ein Tränkbad gezogen, in dem die Endlosfaser mit der flüssigen Ausgangskomponente des Matrixmaterials durchtränkt wird, und anschließend auf den Wickeldorn gewickelt. Die Wickel-Prozeßdauer ist daher abhängig von der Tränkgeschwindigkeit, die jedoch nicht beliebig erhöht werden kann. Zudem wird im klassischen Wickelverfahren die mit dem Matrixmaterial durchtränkte Endlosfaser im Naßzustand auf den Wickeldorn gewickelt. Die Endlosfaser ist daher nur mit reduzierter Haftreibung aufwickelbar, wodurch das Risiko besteht, dass die Endlosfaser aus ihrer Lage verrutscht. Aufgrund der reduzierten Haftreibung ist weiterhin auch die Gestaltungsfreiheit des Vorformlings eingeschränkt.
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In Abgrenzung zu diesem klassischen Wickelverfahren wird erfindungsgemäß die Endlosfaser im Trockenzustand aufgewickelt. Die Wickelgeschwindigkeit ist daher nicht mehr abhängig von einer die Wickel-Prozessdauer nachteilig erhöhenden Tränkgeschwindigkeit. Zudem ist die Endlosfaser mit weitaus größerer Haftreibung aufwickelbar, so dass auch bei größeren Ablagegeschwindigkeiten (das heißt Wickelgeschwindigkeiten) eine lagesichere Positionierung der Endlosfaser gewährleistet ist. Zudem ist auch die Gestaltungsfreiheit erhöht, beispielsweise in Bezug auf die Wickelwinkel.
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Zur Erzielung einer für Großserienprodukte kostengünstigen Verarbeitung können mehrere, flächige Faserpaket-Zuschnitte umfangsverteilt über einen aus dem runden, aufgewickelten Faserpaket vereinzelt werden. Dabei kann der um eine Achse rotierende Wickeldorn im Außenumfang bevorzugt polygonförmig gestaltet sein, wobei je Schlüsselfläche des Wickeldorns ein Fasergelege mit einheitlichen Wickelwinkeln zwischen 0 und 89° zur Rotationsebene gewickelt wird. Damit gelingt es, bei kurzen Taktzeiten und vermindertem, werkzeugtechnischen Aufwand bzw. bei hohem Automatisierungsgrad kostenreduziert Vorformlinge herzustellen.
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Als Binder kann in vorteilhafter Weise ein schmelzbarer Thermoplast oder ein duroplastischer Binder verwendet werden, der besonders bevorzugt pulverförmig aufgesprüht werden kann oder der alternativ durch Wärmezufuhr in Flüssigphase gebracht und auf den Gelegestapel aufgesprüht wird. Als Binder kann zum Beispiel ein Binder mit der Handelsbezeichnung Epikot Resin 05390 der Fa. Momentive Specialty Chemicals Inc. verwendet werden.
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In einem weiteren Wickelverfahren können Adapterteile am Wickeldorn angebracht werden, um eine lagerichtige Positionierung der aufgewickelten Endlosfasern zu gewährleisten. Mit Hilfe der Adapterteile erhält der Wickeldorn eine wickelfähige Außenkontur, bei der ein lagesicheres Aufwickeln der Endlosfasern gewährleistet ist. Die Adapterteile können beispielhaft Stiftkränze aufweisen, die eine Faserablage in Achsrichtung ermöglichen. Die Adapterteile werden nach erfolgtem Wickelvorgang von dem Wickeldorn gelöst. Anschließend kann das gewickelte Lagenpaket unter Druck und Wärme gegen die nunmehr von den Adapterteilen freigelegte Außenkontur des Wickeldorns gepresst und dabei verfestigt werden. Alternativ wird das gewickelte Lagenpaket mittels Druckbeaufschlagung (zum Beispiel Schieber) oder mittels Unterdruck (zum Beispiel Vakuumtechnologie, Vakuumhauben, etc.) gegen die Außenkontur des Wickeldorns gepresst.
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Zudem können außenseitig im Wickeldorn Trennnuten ausgebildet sein, die dem Randkontur-Verlauf der zu bildenden Vorformlinge folgen. Nach dem Verfestigen sowie Vorformen des Lagenpakets kann mit Hilfe eines Schneidwerkzeugs das Lagenpaket an den Trennnuten durchschnitten werden, wodurch ein sich ergebender Materialausschuß entfernt wird und die voneinander vereinzelten Vorformlinge vom Wickeldorn abgenommen werden können.
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Zwei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens sind nachfolgend anhand der beigefügten, skizzenhaften Darstellung der Prozessschritte näher erläutert. Es zeigen:
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1 in perspektivischer Ansicht einen Vorformling für ein flächiges Faserverbundkunststoff-Bauteil, zum Beispiel ein Kotflügel der Karosserie eines Kraftfahrzeugs, das nach dem RTM-Verfahren gefertigt wird;
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2 einen um eine Achse drehbaren Wickeldorn, um den eine Endlosfaser im Trockenzustand zur Bildung eines Lagenpakets wickelbar ist;
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3 ein auf den Wickeldorn gewickeltes Lagenpaket des Vorformlings, das aus drei übereinandergeschichteten Faserlagen aufgebaut ist;
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4 einen in ein RTM-Werkzeug eingelegten Vorformling; sowie
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5 bis 8 jeweils Ansichten, die ein automatisiertes Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel veranschaulichen.
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Die 1 zeigt vereinfacht einen 3D-Vorformling 10 definierter Konfiguration, der beispielsweise zur Herstellung eines Karosseriebauteils für ein Kraftfahrzeug, wie ein Kotflügel, etc., nach dem RTM-Verfahren (resin transfer moulding) oder einem ähnlichen Verfahren dient. Wie es später noch beschrieben wird, ist der Vorformling 10 ein Zuschnittteil eines um einen Wickeldorn 14 gewickelten Lagenpakets 6, mit einer jeweiligen Zuschnittkante 7. In der 1 weist der Vorformling 10 einen Dreischichtaufbau mit drei übereinander geschichteten Faserlagen 8 auf. Die Faserlagen 8 sind über einen Binder 21 (nur in der 3 angedeutet) miteinander verklebt, um eine einfache Handhabbarkeit des Vorformlings 10 zu gewährleisten.
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Der Vorformling 10 (Preform) wird in einem folgenden Prozessschritt in eine Formkammer 18 eines RTM-Werkzeugs 11 (4) eingelegt. Anschließend wird unter Druck sowie unter hoher Temperatur die flüssige Ausgangskomponente eines Matrixmaterials 19 (zum Beispiel Thermoplaste, Duroplaste oder Elastomere) in die Formkammer 18 eingespritzt und das so gebildete Kunststoffbauteil bauteilfest ausgehärtet.
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Wie oben erwähnt, ist der Vorformling 10 aus einem Lagenpaket 6 zugeschnitten. Das Lagenpaket 6 wird in einem Wickelverfahren hergestellt, bei dem eine zugfeste Endlosfaser (zum Beispiel Carbonfaser, Glasfaser, Aramidfaser, etc.) im Trockenzustand, das heißt ohne Matrixmaterial 19, um den Wickeldorn 14 gewickelt und mit einem thermoplastisch oder duroplastisch aufschmelzenden Binder 21 verfestigt. Wie in der 3 angedeutet, wird die Endlosfaser in übereinander geschichteten Faserlagen 8 aufgewickelt, von denen in der 3 die äußere und die mittlere Faserlage 8 nur teilweise dargestellt sind. Jeweils nach einer Faserlage 8 wird über Düsen 22 einer nicht weiter dargestellten Sprüheinrichtung ein pulverförmiger, thermoplastisch aufschmelzender Binder 21 aufgesprüht und anschließend durch Wärmezufuhr zum Beispiel durch einen externen Infrarotstrahler (nicht dargestellt) kurzzeitig aufgeschmolzen, so dass die Faserlagen 8 untereinander verfestigt werden. Sobald mehr als eine Faserlage aufgewickelt ist, ist ein Verfestigen der Faserlagen untereinander mittels des Binders ermöglicht. Der Binder 21 kann in der 3 alternativ auch pulverförmig durch Berieseln auf die Faserlagen 8 aufgebracht werden.
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In der 3 wird der Binder 21 beispielhaft diskontinuierlich (das heißt nach dem Aufwickeln einer jeden Faserlage) aufgebracht. Alternativ dazu kann der Binder 21 bereits vor dem Aufwickeln auf den Wickeldorn kontinuierlich auf die zum Wickeldorn 14 geführte Endlosfaser gebracht werden. In diesem Fall wird die Endlosfaser bereits in einem bebindeten Zustand auf den Wickeldorn 14 aufgewickelt.
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Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Wickelverfahren (das heißt Nasswickeln) erfolgt erfindungsgemäß das Wickeln des Lagenpakets 6 mit einer oder mehreren Endlosfasern im Trockenzustand (das heißt ohne Zusatz von Matrixmaterial), und zwar in Wickelwinkeln von 0 bis 89° zu einer Rotationsachse um den Wickeldorn 14. Die Faserwinkel und Faserlagen 8 werden dabei abhängig von den Belastungskriterien des späteren Bauteils aufgebracht. An den Stirnseiten der Wickelkerne 12 können gegebenenfalls die, Fasern führende Stiftkränze 20 (2) vorgesehen sein, die nach dem Wickelvorgang entfernbar sind.
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Nach Fertigstellung des Faserpakets 6 kann ein letzter Sprühvorgang mit Binder 21 erfolgen. Anschließend erfolgt ein Zuschnittvorgang, bei dem das Lagenpaket 6 zur Bildung von Vorformlingen 10 an Schnittebenen S-S (in der 3 ist nur eine Schnittebene S-S dargestellt) durchtrennt wird. Der Zuschnitt kann bevorzugt konturnah erfolgen, um einen Vorformling auf Endbeschnitt zu generieren.
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In einem folgenden Verfahrensschritt wird jeder der Vorformlinge 10 in die durch Ober- und Unterwerkzeuge 24, 26 definierte Formkammer 18 des RTM-Werkzeugs 11 eingelegt. Anschließend wird das Matrixmaterial 19 unter Druck und Wärme in die Formkammer 18 eingespritzt.
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Der thermoplastische Binder kann zum Beispiel ein unter der Handelsbezeichnung „Epikot Resin 05390” bekannter Binder der Fa. Momentive Specialty Chemicals Inc. sein.
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Anstelle der pulverförmigen Verarbeitung kann der Binder 21 als Granulat in einer Vorrichtung aufgeschmolzen und in flüssiger Phase auf das Fasergelege aufgesprüht werden.
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Der vorgeschlagene Binder 21 kann gegebenenfalls bereits auf die Fasern 18 aufgebracht sein, wobei die Verfestigung dann beim Wickelvorgang durch entsprechende Wärmezufuhr und Verpressen wie vorbeschrieben erfolgen kann.
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In den 1 bis 4 ist ein Trocken-Wickelverfahren veranschaulicht, bei dem die drei Faserlagen 8 des Lagenpakets 6 einen unidirektionalen Lagenaufbau ergeben, das heißt in gleicher Faserorientierung mit einem Faserwinkel α (3) von beispielhaft 75° aufgewickelt sind. Die Erfindung ist jedoch nicht auf einen solchen unidirektionalen Lagenaufbau begrenzt. Vielmehr können die Faserlagen 8 je nach Anwendungsfall auch mit unterschiedlichen Faserwinkeln aufgewickelt werden.
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Anhand der weiteren 5 bis 8 ist ein Wickelverfahren veranschaulicht, bei dem die Endlosfaser nicht in einem Faserwinkel von 75° aufgewickelt wird, sondern beispielhaft vielmehr in Flucht mit der Längsachse des Wickeldorns 14 aufgewickelt wird. Der Faserwinkel liegt daher bei 0°. In den 5 bis 8 ist das Lagenpaket 6 und die unten beschriebenen Adapterteile 28 aus Gründen der Übersichtlichkeit nur in der oberen Hälfte des Wickeldorns 14 in Schnittdarstellung angedeutet. Tatsächlich erstrecken sich das Lagenpaket 6 und die Adapterteile 28 über den gesamten Umfang des Wickeldorns 14.
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Die Adapterteile 28 sind am Wickeldorn 14 angebracht, um eine lagerichtige Positionierung der aufgewickelten Endlosfasern zu gewährleisten. Mit Hilfe der Adapterteile 28 erhält der Wickeldorn 14 eine wickelfähige Außenkontur, bei der ein lagesicheres Aufwickeln der Endlosfasern gewährleistet ist.
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Die beiden in der 5 gezeigten Adapterteiles 28 können beispielhaft hohlzylindrisch ausgebildet und in Axialrichtung seitlich auf den Wickeldorn 14 aufgesteckt sein. Jedes der Adapterteile 28 weist radial nach außen abragende Stifte 20 auf, um die die Endlosfaser zur Bildung des Faserpakets 6 gewickelt ist. Die Adapterteile 28 werden nach erfolgtem Wickelvorgang von dem Wickeldorn 14 gelöst (6). Anschließend kann das noch zylindrische Lagenpaket 6 gemäß der 6 unter Druck und Wärme gegen die nunmehr freigelegte Außenkontur des Wickeldorns 14 gepresst und dabei verfestigt werden (7).
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Gemäß den 5 bis 8 sind außenseitig im Wickeldorn 14 Trennnuten 29 ausgebildet, die dem Randkontur-Verlauf der zu bildenden Vorformlinge folgen. Nach dem Verfestigen sowie Vorformen des Lagenpakets 6 wird gemäß der 8 mittels eines Schneidwerkzeugs 31 das Lagenpaket 6 an den Trennnuten 29 durchschnitten, wodurch ein sich ergebender Materialausschuß 30 entfernt werden kann und sich die voneinander vereinzelten Vorformlinge ergeben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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