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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden zumindest zweier Teilpreforms, die sich in einem Bereich überlappen, zu einem Gesamtpreform, wie sie als Vorstufe für die Herstellung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen verwendet werden.
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Faserverstärkter Kunststoff besteht aus Matrixmaterial und aus Fasern, die in das Matrixmaterial eingebettet sind und die u.a. die Zugfestigkeit liefern. Faserverstärkter Kunststoff wird besonders für hochbelastetete Bauteile verwendet, die trotzdem noch möglichst leicht sein sollen. Da die Fasern in Querrichtung keine Festigkeit vermitteln, müssen die Fasern so ausgerichtet sein, dass ihre Längsrichtung mit der jeweiligen Belastungsrichtung möglichst gut übereinstimmt. Um das zu erreichen, müssen die Fasern oft in mehreren Lagen und in verschiedene Richtungen gelegt werden. Je besser und genauer die Faserlagen an die Belastung angepasst sind und je gleichmäßiger die Fasern angeordnet sind, umso besser wird das Bauteil sein.
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Bei vielen Herstellverfahren für faserverstärkte Kunststoffbauteile wird zunächst ein sogenanntes Preform, auch Faservorformling genannt, hergestellt, welches überwiegend aus Fasern besteht und die Faserverstärkung darstellt. Das Preform wird meist durch Übereinanderlegen und Fixieren von vorgefertigten und vorverbundenen, flächigen Halbzeugen erstellt und entsprechend der dreidimensionalen Bauteilform drapiert. Solche Halbzeuge sind etwa Tapes oder Gewebe, Gelege, Vliese oder ähnliches, bei denen eine Vielzahl von einzelnen Fasern bereits zu einem flächigen Gebilde verwebt, vernäht oder verklebt sind. Um die Form nach dem Drapieren zu stabilisieren und die Fasern zu fixieren, kann Bindermaterial im Preform vorhanden sein oder aufgebracht werden. Das Preform wird dann in einem weiteren Schritt mit Matrixmaterial imprägniert, beispielsweise indem das Preform in ein Formwerkzeug eingelegt wird und Matrixmaterial injiziert wird. Anschließend wird das Matrixmaterial ausgehärtet oder konsolidiert. Als Matrixmaterial für den faserverstärkten Kunststoff kommt z.B. thermoplastischer oder duromerer Kunststoff in Frage, insbesondere Epoxidharz, Polyurethan oder Vinylester. Und als Fasermaterial können Fasern z.B. aus Kohlenstoff (Carbon), Glas, oder Aramid oder andere Fasern verwendet werden. Als Bindermaterial kann thermoplastischer Kunststoff, Duromer oder Klebstoff verwendet werden.
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Komplexere hochwertige 3-D-Strukturen lassen sich nur sehr aufwändig herstellen, da das Herstellen der benötigten Preforms schwierig, langsam und teuer ist. In manchen Fällen werden mehrere Teilpreforms hergestellt, die dann anschließend zu einem Gesamtpreform verbunden werden müssen.
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Es ist bekannt, dass Faserlagen für Preforms durch Vernähen miteinander verbunden werden können. Dabei wird mit je einem kontinuierlichen Ober- und Unterfaden eine durchgehende Naht gebildet. In
DE 69305755 T2 wird beschrieben, wie kompliziert es ist, eine geeignete Nähmethode und geeignetes Fadenmaterial zu finden. Es wird darin ein besonderes Verfahren zum Nähen beschrieben, bei dem die Fadenspannungen so eingestellt werden, dass die Verschlingung des Ober- und des Unterfadens komplett auf einer Seite außerhalb der Faserlagen zu liegen kommt.
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Das Nähen wäre generell auch für das Verbinden von Teilpreforms anwendbar. Es ist allerdings relativ langsam und ebenfalls aufwändig, da speziell angepasste Nähmaschinen notwendig sind. Bei komplex vorgeformten Teilpreforms ist es teilweise gar nicht möglich mit der Maschine zu nähen. Nachteilig ist dabei außerdem, dass beim Nähen eine lokale Kompression und oft auch eine Verschiebung der Faserlagen verursacht wird, die aufgrund der in der Naht immer notwendigen Fadenspannung zu einem gewissen Teil erhalten bleibt und zu unerwünschten Veränderungen der Festigkeit im späteren Bauteil führt.
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Alternativ könnten die Teilpreforms auch mit entsprechendem Bindemittel verklebt werden. Das beeinträchtigt allerdings, wenn es flächig angewandt wird, die Permeabilität des Preforms im Verbindungsbereich und kann zu Störungen und Ungleichmäßigkeiten beim späteren Infiltrieren mit dem Matrixmaterial führen. Wenn das Bindemittel nicht gut genug mit dem Matrixmaterial verträglich ist, können dadurch Schwachstellen im Bauteil entstehen.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein verbessertes Verfahren zum Verbinden zweier Teilpreforms zu entwickeln, bei dem die nachteiligen Auswirkungen auf das spätere Bauteil im Verbindungsbereich möglichst weit minimiert werden und das auch bei komplexeren dreidimensionalen Formen der Preforms einfach anwendbar ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mehrere einzelne Heftelemente aus Kunststoff derart im Überlappungsbereich eingebracht werden, dass ein stäbchenförmiger Teil der Heftelemente die Teilpreforms durchdringt und an jedem Ende des stäbchenförmigen Teils oder entlang der Mantelfläche des stäbchenförmigen Teils die Heftelemente so ausgebildet sind, dass deren Form das Herausziehen der Heftelemente nach dem Einbringen verhindert. Mit Durchdringen ist in diesem Zusammenhang gemeint, dass das Heftelement von einer Seite aus eingebracht wird und so weit in die Teilpreforms eindringt, dass es auf der anderen Seite der überlappenden Teilpreforms wieder herauskommt oder zumindest bis an die rückseitige Oberfläche reicht. Als Ende des stäbchenförmigen Teils werden die beiden Enden in Längsrichtung des stäbchenförmigen Teils angesehen, als Mantelfläche die Fläche, die sich weitgehend parallel zur Längsrichtung erstreckt.
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Dadurch dass einzelne, voneinander getrennte Heftelemente verwendet werden, tritt das Problem nicht auf, dass Faserlagen unerwünscht komprimiert oder dauerhaft verschoben werden, wie das beim Nähen durch die Fadenspannung der Fall ist. Die Heftelemente können an bestimmten, kritischen Stellen eingebracht werden, ohne dass es eine durchgehende Naht gibt. Dadurch kann der Abstand und auch die Anzahl der Einstichstellen einfach an die Bauteile angepasst und insgesamt deutlich reduziert werden. Dadurch dass einzelne Heftelemente verwendet werden, die an ihren Enden so geformt sind, dass sie nach dem Einbringen ein Herausziehen verhindern, ist es ausreichend, wenn der Überlappungsbereich zum Verbinden von einer Seite aus zugänglich ist. Das bringt einen weiteren Vorteil. Beim Nähen ist im Gegensatz dazu auch eine Zugänglichkeit von der Rückseite nötig, um mit der Nähmaschine die Naht zu erzeugen. Für das Einbringen können zudem einfache Apparate verwendet werden, die die Heftelemente durch die Lagen der Teilpreforms drücken. Dafür ist eine gewisse Steifigkeit der Heftelemente nötig. Aufgrund ihrer Form bleiben die Heftelemente an ihrer Stelle und rutschen nicht mehr heraus. Durch die Gestaltung der verwendeten Heftelemente, insbesondere durch die Länge des stäbchenförmigen Teils, kann variiert werden ob und wie stark die Teilpreforms aufeinander gedrückt werden. Insbesondere bei Verwendung von Heftelementen, die an jedem Ende des stäbchenförmigen Teils so ausgebildet sind, dass die Form das Herausziehen der Heftelemente verhindert, kann die lokale Kompression der Teilpreforms sehr gezielt eingestellt werden. Zum Beispiel um die Permeabilität und damit die Imprägnierung mit Matrixmaterial im Überlappungsbereich gezielt zu beeinflussen.
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Die Verwendung von Heftelementen aus Kunststoff ist vorteilhaft, da diese im Gegensatz zu metallenen Heftelementen keine Gefahr der Kontaktkorrosion in Verbindung mit Kohlenstofffasern mit sich bringen. Zum Beispiel besteht zwischen Aluminium und Kohlenstoff ein hohes elektrisches Potential, wodurch das Aluminium korrodieren würde. Da die Heftelemente im Bauteil verbleiben, ist das nicht akzeptabel, da dann die Verbindung zwischen Heftelementen und Matrixmaterial schlecht ist und eine Schwachstelle im Bauteil bildet. Heftelemente aus Kunststoff, insbesondere aus thermoplastischem Kunststoff, sind besonders gut geeignet, da sie mit der notwendigen Steifigkeit und Elastizität für das Einbringen erzeugt werden können.
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Im Gegensatz zur Verbindung mittels Klebstoff ist die Verbindung mit Heftelementen auch bei höheren Temperaturen, wie sie beim Aushärten von duromerem Matrixmaterial auftreten, noch stabil. Dadurch ist die richtige Lage der Teilpreforms im Kunststoffbauteil gesichert.
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Mit diesem Verfahren können nicht nur zwei sondern auch drei oder mehr Teilpreforms die sich in einem Bereich überlappen miteinander verbunden werden. Mehrere Heftelemente können einzeln nacheinander oder in Gruppen immer einige gleichzeitig eingebracht werden. Einzeln nacheinander hat den Vorteil, dass es sehr flexibel ist und nur einfache Apparate erfordert. Immer einige gleichzeitig hat den Vorteil, dass die Bearbeitungszeit deutlich reduziert werden kann.
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Bevorzugt ist der Querschnitt des stäbchenförmigen Teils kreisförmig, das sich dies leicht herstellen lässt. Alternativ kann der Querschnitt aber auch dreieckig, quadratisch, rechteckig flach oder mehreckig sein.
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Werden Heftelemente verwendet, die entlang der Mantelfläche des stäbchenförmigen Teils so ausgebildet sind, dass die Form das Herausziehen der Heftelemente nach dem Einbringen verhindert, so hat dies den Vorteil, dass an der Oberfläche der Teilpreforms keine Teile auftragen, die beim späteren Imprägnieren mit Matrixmaterial und Formen stören könnten.
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Weitere vorteilhafte Merkmale der erfindungsgemäßen Ausführung, die das Verfahren noch weiter verbessern und die negativen Auswirkungen an der Verbindungsstelle im späteren Bauteil noch weiter reduzieren, finden sich in den Unteransprüchen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn jedes einzelne Heftelement die Teilpreforms im Überlappungsbereich nur an einer Stelle durchdringt. Dadurch entstehen keine dauerhaften Verschiebungen im Preform, da keine Kräfte zwischen zwei Durchtrittsstellen auftreten können.
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Um die Heftelemente möglichst einfach und mit wenig Einfluss auf die umliegenden Bereiche der Teilpreforms einbringen zu können, können die Heftelemente zumindest an einem Ende des stäbchenförmigen Teils so ausgebildet sein, dass sie zum Einbringen in die Teilpreforms von der normalen Lage weitgehend elastisch in eine zweite Lage verformt werden können und sich nach dem Einbringen aufgrund der elastisch eingebrachten Spannungen in die normale Lage zurückbewegen, die ein Herausziehen der Heftelemente verhindert.
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Besonders geeignet für das erfinderische Verfahren sind Heftelemente, die die Form eines doppelten T aufweisen, wobei zumindest ein Querbalken des doppelten T weitgehend elastisch so verformbar ist, dass er annähernd parallel zum stäbchenförmigen Teil des Heftelementes umgebogen werden kann und die Teilpreforms durchdringen kann. Dadurch entsteht eine Form, die besonders leicht eingebracht werden kann. Der Querbalken kann zudem sehr dünn ausgeführt werden, so dass er nach dem Einbringen wenig auf der Oberfläche aufträgt.
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Alternativ zur Verformung des Heftelementes beim Einbringen können die Heftelemente zumindest an einem Ende des stäbchenförmigen Teils eine Form entsprechend einer Kegelspitze oder Pfeilspitze oder Pyramidenspitze aufweisen. Die Spitze liegt auf der vom stäbchenförmigen Teil abgewandten Seite und zumindest ein Teil der Kegelspitze oder Pfeilspitze oder Pyramidenspitze, z.B. die Basis ist breiter als der Durchmesser des stäbchenförmigen Teils. So können die Heftelemente einfacher die Teilpreforms durchdringen und sind danach gegen ein Herausziehen gesichert, ohne dass dafür erst noch ein weiterer Arbeitsschritt oder eine Zugänglichkeit auf der Rückseite der Preforms für ein Werkzeug notwendig ist.
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Als weitere Variante für das erfindungsgemäße Verfahren können Heftelemente verwendet werden, die entlang der Mantelfläche des stäbchenförmigen Teils widerhakenartige Strukturen aufweisen, die sich in den Teilpreforms verhaken, wenn der stäbchenförmige Teil der Heftelemente diese durchdringt. Die widerhakenartigen Strukturen können bevorzugt schräg zur Mäntelfläche abstehende Zacken oder Stacheln sein. So lassen sich die Heftelemente gut einbringen und verhindern das Herausziehen, ohne dass ein zusätzlicher Vorgang zum Fixieren der Heftelemente nach dem Einbringen notwendig ist. Dabei ist es notwendig, dass die widerhakenartigen Strukturen so über die Mantelfläche verteilt sind, dass ein Herausziehen aus allen Teilpreforms verhindert wird.
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Bevorzugt werden Heftelemente aus thermoplastischem Kunststoff verwendet. Diese sind günstig herstellbar und stehen mit geeigneter Steifigkeit und Elastizität zur Verfügung. Es können alternativ auch Heftelemente aus duroplastischem Kunststoff verwendet werden, wenn zum Beispiel eine höhere Steifigkeit gewünscht ist.
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Duromere Matrixmaterialien müssen bei erhöhter Temperatur ausgehärtet werden. Damit die Heftelemente die Teilpreforms auch während des Aushärtens zuverlässig verbinden, ist es von Vorteil, wenn die Schmelztemperatur des verwendeten Kunststoffs für die Heftelemente mindestens 120°C beträgt.
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Besonders bevorzugt werden Heftelemente aus einem Kunststoff verwendet, der sich in einem Matrixmaterial, wie es bei der Herstellung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen verwendet wird, anlösen oder nach und nach auflösen lässt. Durch oberflächliches Anlösen der Heftelemente durch das Matrixmaterial wird eine chemische Verbindung zwischen Heftelement und Matrixmaterial geschaffen, die stabiler ist als ein bloßes Anhaften. Es kann auch ein Kunststoff verwendet werden, der sich ganz im Matrixmaterial auflösen lässt. Dadurch kann eine Mischung entstehen, die eine relativ homogene Stelle im Bauteil bildet. Oder das Heftelement wird zumindest soweit aufgelöst, dass es zu einzelnen, insbesondere partikelförmigen Einschlüssen von diesem Kunststoffmaterial im Matrixmaterial kommt. Dadurch kann die Festigkeit und v.a. die Schlagzähigkeit im Verbindungsbereich hoch gehalten oder sogar erhöht werden. In diesen Fällen ist es wichtig, dass das Auflösen unter den Bedingungen der Imprägnierung und Aushärtung des Bauteils erst nach und nach geschieht. So bleibt beim Imprägnieren und Aushärten zunächst die Verbindung der Teilpreforms erhalten und die Heftelemente lösen sich erst auf, wenn das Matrixmaterial schon ausreichend fest ist, so dass sich die Teilpreforms nicht mehr verschieben können. Ein solcher Kunststoff für die Heftelemente ist beispielsweise das Thermoplast Phenox Resin (ein Polyhydroxyether mit endständigen Alpha-Glykol-Gruppen), wie es von der Fa. Inchem angeboten wird. Dieser Kunststoff wird bei Verwendung eines Epoxidharzes oberflächlich angelöst. Auch für andere Matrixmaterialien wie Polyurethan oder Vinylester lassen sich geeignete anlösbare oder auflösbare Kunststoffe für die Heftelemente finden.
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Anhand von Ausführungsbeispielen werden weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung erläutert unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Die genannten Merkmale können nicht nur in der dargestellten Kombination vorteilhaft umgesetzt werden, sondern auch einzeln untereinander kombiniert werden.
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1 ein Beispiel für erfindungsgemäß verbundene Teilpreforms nach dem Einbringen des Heftelements (Ausschnitt)
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2 ein Heftelement beim Einbringen in die Teilpreforms
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3 weiteres Beispiel für erfindungsgemäß verbundene Teilpreforms nach dem Einbringen des Heftelements (Ausschnitt)
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4 erfindungsgemäß verbundene Teilpreforms (Draufsicht)
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5 noch ein Beispiel für erfindungsgemäß verbundene Teilpreforms nach dem Einbringen des Heftelements (Ausschnitt)
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Nachfolgend werden die Figuren detaillierter beschrieben. 1 zeigt einen Ausschnitt eines Gesamtpreforms als schematischen Querschnitt. Das erste Teilpreform 1 und das zweite Teilpreform 2 überlappen sich. Beide sind beispielsweise mehrlagige Kohlenstofffasergebilde, wie sie als Verstärkungsstrukturen verwendet werden. Entlang des Überlappungsbereiches werden mehrere Heftelemente aus Kunststoff eingebracht. Es sind mindestens zwei Heftelemente nötig, um die Position der Teilpreforms zueinander zu fixieren. Bevorzugt werden deutlich mehr Heftelemente eingebracht, damit der Überlappungsbereich besser fixiert ist. In der Abbildung ist eines dieser Heftelemente 3 dargestellt. Es weist einen stäbchenförmigen Teil 4 auf, der die beiden Teilpreforms 1, 2 durchdringt. Die Heftelemente 3 sind in diesem Beispiel als Doppel-T ausgeführt. Die Querbalken 5, 6 an den Enden des stäbchenförmigen Teils verhindern nach dem Einbringen, dass das Heftelement 3 wieder herausgezogen werden oder herausrutschen kann. Dadurch sind die beiden Teilpreforms 1, 2 zuverlässig miteinander verbunden für die weiteren Prozessschritte beim Herstellen der faserverstärkten Kunststoffbauteile. Durch die Länge des stäbchenförmigen Teils 4 kann festgelegt werden, ob und wie stark die beiden Teilpreforms 1, 2 aufeinander gedrückt werden. So kann beispielsweise eine unerwünschte lokale Kompression sicher vermieden werden. Es kann auch gezielt eine lokale starke Kompression verwirklicht werden, um beispielsweise die Permeabilität für die Harzimprägnierung gezielt zu beeinflussen.
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Die Teilpreforms sind üblicherweise in sich bereits fixiert und entsprechend der späteren Bauteilform vorgeformt bevor sie miteinander verbunden werden. Für die Anwendung des Verbindungsverfahrens ist das jedoch nicht unbedingt notwendig. Es können genauso auch ebene Teilpreforms oder solche die einfach aus mehreren drapierten Lagen aufgebaut sind, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verbunden werden.
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Als Kunststoff für die Heftelemente eignet sich zum Beispiel sogenanntes Phenoxy Resin. Es ist ein Thermoplast, der beim Imprägnieren des Preforms mit Epoxidharzen oberflächlich angelöst wird und sich somit chemisch mit dem Matrixmaterial verbindet. Dadurch werden die Heftelemente gut und dauerhaft in das Matrixmaterial eingebunden, ohne dass Schwachstellen im Bauteil entstehen.
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In 2 ist das Heftelement 3 beim Einbringen dargestellt. Der eine Querbalken 6a am Ende des stäbchenförmigen Teils ist in seiner zweiten Lage. D.h. er ist weitgehend elastisch so verformt, dass er annähernd parallel zum stäbchenförmigen Teil 4 ausgerichtet ist. Dadurch lässt sich das Heftelement gut an der gewünschten Verbindungsstelle einbringen. Zum Einbringen können geeignete Einschuss- oder Heftapparate verwendet werden. Nach dem Durchdringen klappt der Querbalken aufgrund seiner Elastizität in die normale Lage zurück, wie es in 1 gezeigt ist, und verhindert so das Herausziehen. Es ist kein zusätzlicher Arbeitsschritt notwendig, um das Heftelement in seiner Position zu sichern. Alternativ zu der gezeigten Art der Verformung könnte der Querbalken für die zweite Lage beim Einbringen je zur Hälfte seitlich nach hinten geklappt werden, so dass eine Pfeilartige Form entsteht. Dabei entsteht die elastische Verformung im Querbalken anstatt im stäbchenförmigen Teil des Heftelements.
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In 3 ist eine alternative Form für die Heftelemente 3.1 dargestellt. Der stäbchenförmige Teil 4.1 durchdringt wiederum die beiden Teilpreforms 1, 2 in dem Bereich, in dem sie sich überlappen. An einem Ende des stäbchenförmigen Teils ist das Heftelement als Spitze 6.1 ausgeformt. Das kann in Form einer Kegel-, einer Pyramiden- oder auch einer flache Pfeilspitze sein. Dadurch kann das Heftelement 3.1 in eine Richtung leicht eingebracht werden, gleichzeitig ist das Herausziehen des Heftelementes in die andere Richtung aber verhindert. Am anderen Ende des stäbchenförmigen Teils ist ein Querbalken 5.1 vorhanden. Alternativ kann am anderen Ende des stäbchenförmigen Teils eine zweite Spitze ähnlich oder gleich wie die Spitze 6.1 vorhanden sein. Dadurch lässt sich das Verfahren noch weiter vereinfachen, weil beim Einbringen der Heftelemente nicht auf die Lage der Heftelemente geachtet werden muss, da sie symmetrisch sind.
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4 zeigt eine Draufsicht der verbundenen Teilpreforms 1, 2. Die Heftelemente 3, 3.1 sind senkrecht zur Zeichenebene angeordnet, zu sehen sind nur die Querbalken 5, 5.1. Je nach Gestaltung der Teilpreforms und des Überlappungsbereiches, sowie je nach Anforderungen an die Verbindung, kann der Abstand der Heftelemente unterschiedlich gewählt werden.
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In 5 wird eine weitere alternative Form für die Heftelemente 3.2 gezeigt. Die Heftelemente 3.2 weisen an der Mantelfläche des stäbchenförmigen Teils 4.2 widerhakenartige Strukturen 7 auf, hier als schräg zur Mantelfläche angeordnete Stacheln ausgebildet, die sich in den beiden Teilpreforms 1, 2 verhaken. Sie sind so auf der Mantelfläche verteilt, dass sich das Herausziehen aus beiden Teilpreforms 1, 2 zuverlässig verhindern. Durch die schräge Anordnung können die Heftelemente gut, in diesem Beispiel von oben nach unten, eingebracht werden, ohne dass die Faserlagen der Teilpreforms zu stark verschoben werden.
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Für alle gezeigten Ausführungsformen gilt: Dadurch dass jedes Heftelement 3, 3.1, 3.2 die Teilpreforms 1, 2 nur an einer Stelle mit dem jeweiligen stäbchenförmigen Teil 4, 4.1, 4.2 durchdringt, kann beim Einbringen eine zu starke, bleibende Verschiebung der Faserlagen in den Teilpreforms vermieden werden. Das ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber dem bekannten Nähen oder anderen Hefttechnologien.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erstes Teilpreform
- 2
- zweites Teilpreform
- 3, 3.1, 3.2
- Heftelement
- 4, 4.1, 4.2
- stäbchenförmiger Teil des Heftelements
- 5, 5.1, 6
- Querbalken am Ende des stäbchenförmigen Teils des Heftelements in normaler Lage
- 6a
- Querbalken am Ende des stäbchenförmigen Teils des Heftelements in zweiter Lage
- 6.1
- Pyramiden-, Kegel- oder Pfeilspitze am Ende des stäbchenförmigen Teils des Heftelements
- 7
- widerhakenartige Strukturen an der Mantelfläche des stäbchenförmigen Teils
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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