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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bearbeiten von textilverstärkten Faserverbundwerkstücken - insbesondere bei denen ein oder mehrere Komponenten thermisch aktiviert werden.
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Textilverstärkte Faserverbundmaterialien weisen eine Matrix auf, die mit zwei- oder dreidimensional angeordneten Textilfasern verstärkt ist. Verbunde mit einer zweidimensionalen Anordnung sind beispielsweise gewebeverstärkte Kunststoffverbunde. Diese weisen einen mehrlagigen Aufbau auf, wobei in jeder Lage oder Schicht eine Gewebe- oder Gelegeschicht angeordnet ist und die Gewebe- oder Gelegeschichten durch einen umhüllenden Matrixwerkstoff (i.A. Kunststoff) zu dem resultierenden Verbundmaterial verbunden sind. Die Textilfasern können dabei in einer Lage die gleiche oder verschiedene Orientierungen aufweisen, und auch die Textilfasern in verschiedenen Lagen können die gleiche oder verschiedene Orientierung aufweisen.
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Im Fertigungsprozess von Bauteilen aus solchen textilverstärkten Faserverbundmaterialien werden flächige oder bereits vorgeformte Halbzeuge eingesetzt. Bei diesen sind die Textilschichten und die Matrix entweder noch nicht vollständig miteinander verbunden und konsolidiert oder sie weisen nur die Textilschichten und noch nicht das später verwendete Matrixmaterial auf. Im letzten Fall sind die Textilschichten durch ein Bindermaterial so miteinander verbunden, dass sie nicht mehr verrutschen können und ein aufwendiges Neujustieren der einzelnen Textilschichten zueinander während einer späteren Fertigstellung des Werkstücks durch das Injizieren des Matrixmaterials und dessen Konsolidierung vermieden wird.
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Unter konsolidieren bzw. Konsolidierung wird verstanden, dass der Faserverbundwerkstoff ausgehärtet wird - i.A. durch thermisch induzierte Vernetzung eines Duroplastwerkstoffes oder durch Schmelzen und Abkühlen eines Thermoplastwerkstoffes. Dies kann teilweise geschehen (teilweise Konsolidierung) oder vollständig erfolgen. Unkonsolidiert ist der Faserverbundwerkstoff, wenn kein Verfestigungsprozess stattgefunden hat.
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Unter textilverstärkten Faserverbundwerkstücken werden im Sinne der Erfindung sowohl die oben beschriebenen Halbzeuge als auch fertiggestellte Bauteile aus textilverstärktem Faserverbundmaterialien verstanden. Diese weisen eine flächige Ausdehnung auf, wobei die Dicke des Werkstücks senkrecht zu dieser flächigen Ausdehnung wesentlich kleiner als die Ausdehnungen in der Flächenebene ist.
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Bei der Herstellung der textilverstärkten Faserverbundwerkstücke können ein oder mehrere Komponenten thermisch aktiviert werden. Diese Komponenten können beispielsweise Binder, z.B. aus thermoplastischem Kunststoff, das Kunststoffmatrixmaterial oder Härter sein. Die thermische Aktivierung kann beispielsweise das Aufschmelzen eines thermoplastischen Kunststoffes oder die chemische Reaktion einer Komponente sein.
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Zum Eintrag der Temperatur in das Faserverbundwerkstück kommen im Stand der Technik verschiedene Heizverfahren zum Einsatz, bei denen die Temperatur von einer Fläche aus in das Faserverbundwerkstück eingetragen wird. Dies kann mittels Heizfeldern, Heizwendeln oder Heizmedien wie Wasser, Öl oder Heißluft, die an das Faserverbundwerkstück angrenzen oder von diesem beabstandet sind, oder durch Widerstandsheizen einer flächigen Teilkomponente des Faserverbundwerkstücks, bei dem der Strom entlang dieser Teilkomponente fließt und diese erwärmt, erreicht werden. Das Widerstandsheizen ist beispielsweise in der
DE 10201000782 A1 beschrieben.
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Nachteilig an diesen Verfahren ist, dass die Wärmeenergie jedoch immer von einer Oberfläche des Werkstücks eingetragen und in Dickenrichtung des Werkstücks transportiert wird, so dass es immer zu einer inhomogenen Temperaturverteilung über die Dicke des Werkstücks kommt. Dies ist insbesondere bei dicken Werkstücken (Dicke z.B. größer als ca. 3mm) problematisch. Zum einen wird zum vollständigen Erwärmen des Werkstücks eine relativ lange Zeit benötigt und zum anderen können aufgrund des Wärmeverlustes während des Wärmetransports im Werkstück relativ hohe Temperaturen an der Oberfläche des Werkstücks notwendig sein, um auch in der Mitte des Werkstücks eine für die thermische Aktivierung ausreichende Temperatur zu erreichen. Damit können Werkstücke mit Komponenten, die eine niedrige Zersetzungstemperatur aufweisen, nicht mit einem derartigen Verfahren erwärmt werden. Darüber hinaus werden oftmals die Werkzeuge, die zur Halterung des Werkstücks und gegebenenfalls zur Erzeugung eines Drucks auf das Werkstück dienen, ebenfalls mitaufgeheizt. Die für das Heizen oder Abkühlen der Werkzeuge und den stoffgebundenen Wärmetransport innerhalb des Werkstücks notwendigen Zeiten führen zu hohen Bearbeitungszeiten für diese Verfahren.
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Für pressfähige Materialien mit einem thermisch aushärtbaren Matrixmaterial und kurzen leitfähigen Fasern, die eine elektrische Leitfähigkeit von größer 0,1 S/m aufweisen, ist auch das Widerstandsheizen, bei dem der Strom in Dickenrichtung durch das Werkstück geleitet wird, bekannt. Beispielsweise wird in der
DE 10164231 B4 dieses Verfahren zum Erwärmen einer pressfähigen Masse, die Kohlenstofffasern und ein thermisch aushärtbares Material enthält, genutzt, wobei die Masse eine elektrische Leitfähigkeit von größer 0,1 S/m und eine räumlich ungeordnete Verteilung der Fasern mit einer Länge von kleiner 5 cm aufweist. Die pressfähige Masse wird während der Erwärmung in eine gewünschte Form gepresst und gehärtet und später durch weiteres Erhitzen carbonisiert. Für Faserstoffmassen, die textile Verstärkungen in Form von Matten, Geweben oder Vliesen aufweisen, erwähnt die
DE 10164231 B4 die Nutzung des Widerstandsheizens nicht.
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Die
WO 03/ 078 141 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Konsolidieren eines Faserhalbzeugs, bei dem die notwendige Wärme durch einen Stromfluss durch das Halbzeug, das ein elektrisch leitfähiges Gewebe enthalten kann, erzeugt wird. Dabei kann der Strom auch in Dickenrichtung durch das Faserhalbzeug geleitet werden. Die Tragstruktur besteht aus einem Material, das elektrisch leitfähig ist und den Drücken und Temperaturen während des Betriebs standhält. Als Beispiel für ein solches Material wird eine Stahl-/Keramik-Kombination erwähnt. Die Einstellung unterschiedlicher Verpressungsgrade über die Ausdehnung des Faserhalbzeugs hinweg ist jedoch mit der beschriebenen Vorrichtung nicht möglich.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum thermischen Bearbeiten von textilverstärkten Faserverbundwerkstücken bereitzustellen, mit der die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden. Insbesondere soll die Vorrichtung ein Erwärmen des Werkstücks auch für Faserverbundwerkstücken mit einer sehr kleinen elektrischen Leitfähigkeit von kleiner 0,1 S/m und für Faserverbundwerkstücke mit trockenen Fasern, das heißt für Werkstücke ohne enthaltenes Matrixmaterial und damit mit schlechter Wärmeleitung, ermöglichen.
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Bei einem Verfahren zum thermischen Bearbeiten eines textilverstärkten Faserverbundwerkstücks mit mehreren übereinander angeordneten Lagen von elektrisch leitfähigen Textilien, das mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgeführt werden kann, wird durch das Faserverbundwerkstück in Dickenrichtung ein Strom geleitet. Durch den Stromfluß in Dickenrichtung wird im Faserverbundwerkstück eine vorgegebene Wärmemenge erzeugt und das Faserverbundwerkstück gleichmäßig über seine gesamte Dicke erwärmt. Die Dickenrichtung des Faserverbundwerkstücks ist dabei die Richtung senkrecht zur Ausdehnung der einzelnen Textillagen und die Richtung, in der die einzelnen Textillagen übereinander angeordnet sind. „Übereinander angeordnet“ bedeutet, dass die Ebenen, in denen die Textillagen angeordnet sind, nahezu parallel zueinander verlaufen, wobei lokale oder ganzflächige Abweichungen von der Parallelität möglich sind. Beispielweise können die Textillagen unterschiedlich Dicken in unterschiedlichen lateralen Bereichen der Lage aufweisen, so dass zwei benachbarte Textillagen nicht ganzflächig parallel zueinander verlaufen. Auch eine ganzflächige Abweichung der Ausrichtung der Ebenen zueinander von der Parallelität von kleiner 45° soll noch unter „übereinander angeordnet“ verstanden werden.
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Unter thermischem Bearbeiten wird jede Form einer durch eine Wärmemenge ausgelösten Veränderung des Faserverbundwerkstücks verstanden. Beispielsweise kann die thermische Bearbeitung zum Reduzieren des Feuchtigkeitsgehaltes des Faserverbundwerkstücks, z.B. zum thermischen Trocknen der Textillagen, oder zur thermischen Aktivierung mindestens einer im Faserverbundwerkstück enthaltenen thermisch aktivierbaren Komponente eingesetzt werden. Die vorgegebene Wärmemenge entspricht damit der für das thermische Bearbeiten notwendigen Wärmemenge.
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Vorzugsweise wird gleichzeitig zur Einleitung eines Stroms ein Pressdruck im Bereich von 0,001 MPa bis 100 MPa, vorzugsweise von 0,01 MPa bis 10 MPa und besonders bevorzugt von 0,01 bis 0,1 MPa in Dickenrichtung auf das Faserverbundwerkstück ausgeübt. Durch den ausgeübten Druck werden die Lagen der elektrisch leitfähigen Textilien gegeneinander gedrückt, wodurch sich die Anzahl der Kontaktstellen zwischen den einzelnen Lagen erhöht. Damit sinkt der Widerstand des Faserverbundwerkstücks, so dass ein elektrischer Stromfluss durch das Faserverbundwerkstück, der für die Erzeugung der vorgegebenen Wärmemenge notwendig ist, einstellbar ist.
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Vorzugsweise enthält das Faserverbundwerkstück mindestens eine thermisch aktivierbare Komponente. Die vorgegebene Wärmemenge ergibt sich dann aus der für die thermische Aktivierung der mindestens einen thermisch aktivierbaren Komponente des Faserverbundwerkstückes notwendigen Temperatur. Dies kann beispielsweise die Schmelztemperatur eines thermoplastischen Binders sein, der nach dem Aufschmelzen und Abkühlen die verschiedenen Lagen der Textilien miteinander verbindet, so dass die Lagen nicht mehr gegeneinander verrutschen können. Damit liegt die Zieltemperatur im Faserverbundwerkstück beispielsweise zwischen 50°C und 300°C, bevorzugt zwischen 100°C und 240°C und besonders bevorzugt zwischen 120°C und 200°C. In besonderen Anwendungsfällen können auch höhere Temperaturen notwendig sein, welche ebenso mit diesem Verfahren erreichbar sind. Die Temperatur wird dabei unterhalb der Zersetzungstemperatur der thermisch aktivierbaren Komponente gehalten. Weitere Beispiele für die thermisch aktivierbare Komponente sind Kunststoffmatrixmaterialien, die sich durch die zugeführte Wärmemenge mit den Textillagen verbinden und eine Matrix bilden, oder Härter, die die Steifheit und/oder Festigkeit der Textillagen erhöhen. Jedoch kann die vorgegebene Wärmemenge auch durch die für die thermische Aktivierung der mindestens einen thermisch aktivierbaren Komponente des Faserverbundwerkstückes notwendigen Temperatur begrenzt sein, wenn beispielsweise das Faserverbundwerkstück zwar thermisch bearbeitet, z.B. getrocknet, die thermisch aktivierbare Komponente jedoch nicht aktiviert werden soll.
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Unter einer Textillage wird eine Faserschicht verstanden, die sich flächig ausdehnt und in der sich die Fasern nahezu vollständig entlang der Schichtebene ausdehnen. Dabei können die Fasern in ihrer Richtung geordnet oder ungeordnet sein und/oder ein Gelege oder ein Gewebe bilden. Vorzugsweise sind die Fasern innerhalb einer Textillage oder in verschiedenen Textillagen so angeordnet, dass der Winkel zwischen den Fasern möglichst groß, d.h. größer als 20°, ist. Besonders bevorzugt ist der Winkel zwischen den Fasern möglichst nahe 90°. Durch die von einem Vielfachen von 180° verschiedene Orientierung der Fasern zueinander wird die gleichmäßige Verteilung der Stromdichte und damit eine homogene Temperaturverteilung über die flächige Ausdehnung des Faserverbundwerkstücks hinweg erreicht. Die Textilfasern bestehen bevorzugt aus Kohlenstoff, jedoch ist jedes elektrisch leitfähige Material, das den Erfordernissen des herzustellenden Faserverbundbauteils gerecht wird, einsetzbar.
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Ein solches Verfahren ist insbesondere für den Einsatz bei Faserverbundwerkstücken geeignet, deren elektrische Leitfähigkeit in Dickenrichtung kleiner als 1 S/m, bevorzugt kleiner als 0,1 S/m und besonders bevorzugt kleiner als 0,08 S/m ist.
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Darüber hinaus ist das Verfahren insbesondere für Faserverbundwerkstücke geeignet, die sogenannte trockene Faserhalbzeuge sind, das heißt die noch kein Matrixmaterial enthalten. Dabei kann eine gegebenenfalls vorhandene thermisch aktivierbare Komponente zwar aus dem selben Material wie die später einzubringende Matrix bestehen, jedoch ist sie nicht zur Ausbildung einer Matrix für ein später zu erzeugendes Faserverbundbauteil ausreichend, sondern dient lediglich der vorläufigen und gegebenenfalls auch unvollständigen Fixierung der einzelnen Textillagen des Faserverbundwerkstückes untereinander und/oder der Erhöhung der Steifheit und/oder Festigkeit der Textillagen. Solche trockenen Faserhalbzeuge weisen in Dickenrichtung eine besonders kleine elektrische Leitfähigkeit auf, beispielsweise kleiner als 0,1 S/m. Wenn eine thermisch aktivierbare Komponente vorhanden ist, ist diese vorzugsweise als Pulver, in Form von Fäden oder Fasern oder als eine Beschichtung der Textilfasern ausgebildet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die im Faserverbundwerkstück erzeugte Wärmemenge vorzugsweise über die Einstellung des Pressdrucks reguliert. Je größer der Pressdruck ist, desto kleiner wird der Widerstand des Faserverbundwerkstücks in Dickenrichtung, so dass der Stromfluss durch das Faserverbundwerkstück sich bei gleicher elektrischer Leistung erhöht und damit die erzeugte Wärmemenge, d.h. die erreichte Temperatur, erhöht wird. Damit ist die einzubringende Leistung und folgend die Temperatur innerhalb des Faserverbundwerkstücks sehr gut über den Pressdruck kontrollierbar. Somit kann insbesondere ein Zersetzen einer ggf. vorhandenen thermisch aktivierbaren Komponente vermieden werden. Darüber hinaus kann der Pressdruck während der Durchführung der thermischen Bearbeitung variiert werden, so dass die erzeugte Wärmemenge und folglich die Temperatur des Faserverbundwerkstücks jederzeit kontrolliert, eingestellt und an die Erfordernisse des Verfahrensablaufs angepasst werden kann.
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Die Stromdichte des eingeleiteten Stroms liegt im Bereich zwischen 100 A/m2 bis 100000 A/m2 vorzugsweise im Bereich von 1000 A/m2 bis 10000 A/m2, besonders bevorzugt im Bereich von 3000 A/m2 bis 6000 A/m2.
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Der eingeleitete Strom kann sowohl ein Wechselstrom als auch ein Gleichstrom sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden in mindestens zwei lateralen Bereichen des Faserverbundwerkstücks unterschiedliche Verpressungsgrade eingestellt. Das bedeutet, dass die einzelnen Textillagen in den lateralen Bereichen unterschiedlich stark aufeinander gepresst werden, wodurch unterschiedliche Widerstände und folglich unterschiedliche Stromflüsse und unterschiedliche Temperaturen in diesen Bereichen des Faserverbundwerkstücks erreicht werden. Damit kann beispielsweise in einem ersten lateralen Bereich mindestens eine thermisch aktivierbare Komponente aktiviert werden, während sie in einem anderen lateralen Bereich nicht aktiviert wird.
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Vorzugsweise werden die unterschiedlichen Verpressungsgrade dadurch erreicht, dass auf die mindestens zwei lateralen Bereiche des Faserverbundwerkstücks unterschiedliche Pressdrücke in Dickenrichtung ausgeübt werden.
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Eine weitere Möglichkeit, lokal verschiedene Verpressungsgrade zu erreichen, ist durch einen lokal verschiedenen Aufbau des Faserverbundwerkstücks gegeben. Dies kann beispielsweise durch lokal verschiedene Dicken einer oder mehrerer Textillagen, lokal unterschiedliche Elastizitätsmodule einer oder mehrerer Textillagen und/oder lokal unterschiedliche Dicken und/oder Elastizitätsmodule eines zwischen mindestens zwei Textillagen eingebrachten Füllstoffes realisiert werden. Der Füllstoff kann beispielsweise ein Matrixmaterial oder ein Einleger aus einem anderen Material sein.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird eine lokal unterschiedliche Temperatur im Faserverbundwerkstück dadurch erreicht, dass in mindestens zwei laterale Bereiche des Faserverbundwerkstücks unterschiedliche Stromdichten des Stroms eingeleitet werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Wärme aus dem Faserverbundwerkstück an ein angrenzendes Medium, beispielsweise eine Tragstruktur, in mindestens zwei lateralen Bereichen des Faserverbundwerkstücks unterschiedlich abgeleitet. Damit kann die Temperatur des Faserverbundwerkstücks lokal unterschiedlich eingestellt werden.
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Ein lateraler Bereich des Faserverbundwerkstücks ist dabei ein sich über eine oder mehrere Textillagen in Dickenrichtung erstreckender Bereich, der eine spezifische Position innerhalb der flächigen Ausdehnung des Faserverbundwerkstücks, also innerhalb einer oder mehrerer Ebenen, in der sich die eine oder mehrere Textillagen erstrecken, aufweist.
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Diese und weitere Möglichkeiten zur Realisierung der genannten Ausführungsformen zur Erzeugung lokal unterschiedlicher Temperaturen innerhalb des Faserverbundwerkstücks werden später mit Bezug auf die erfindungsgemäße Vorrichtung erläutert.
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Fertigungsbedingt kann es möglich sein, dass das Faserverbundwerkstück neben den übereinander angeordneten Textillagen noch mindestens eine weitere elektrisch leitfähige Lage aufweist, die derart angeordnet ist, dass sie einen elektrischen Kurzschluss zwischen Bereichen verschiedener Textillagen des Faserverbundwerkstücks erzeugt, wenn Strom in Dickenrichtung in das Faserverbundwerkstück eingeleitet wird. Der Kurzschluss wird dabei beispielsweise aufgrund der in Faserrichtung, gegenüber quer zur Faserrichtung, deutlich besseren Leitfähigkeit erzeugt. Diese im weiteren Kurzschlusslage genannte Lage, die beispielsweise ebenfalls eine Textillage sein kann, wird vorzugsweise durch einen Schritt zum Einbringen eines isolierenden Materials zwischen die Kurzschlusslage und die angrenzenden elektrisch leitfähigen Textillagen und gegebenenfalls zwischen die Kurzschlusslage und eine Vorrichtung, die Strom in das Faserverbundwerkstück einleitet, isoliert. Damit wird ein Kurzschluss während des Einleitens von Strom in Dickenrichtung verhindert.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum thermischen Bearbeiten eines textilverstärkten Faserverbundwerkstücks mit mehreren übereinander angeordneten Lagen von elektrisch leitfähigen Textilien umfasst eine Tragstruktur mit zwei voneinander beabstandeten und einander gegenüberliegend angeordneten Teilen, wobei jeder Teil mindestens einen elektrisch leitfähigen flächigen Bereich an der dem anderen Teil zugewandten Oberfläche aufweist, eine Strom- oder Spannungsquelle, die mit mindestens einem der elektrisch leitfähigen Bereiche der Tragstruktur elektrisch leitend verbunden und geeignet ist, einen Stromfluss zwischen den elektrisch leitfähigen Bereichen der Teile der Tragstruktur durch mindestens Teile des zwischen den Teilen der Tragstruktur angeordneten Faserverbundwerkstücks in Dickenrichtung zu erzeugen, und eine Einrichtung zur Ausübung eines Drucks auf mindestens einen der Teile der Tragstruktur. Dabei ist die Vorrichtung geeignet, einen Pressdruck im Bereich von 0,001 MPa bis 10 MPa auf mindestens Teile des zwischen den Teilen der Tragstruktur angeordneten Faserverbundwerkstücks in Dickenrichtung auszuüben. Vorzugsweise ist die Vorrichtung geeignet, einen Druck von 0,01 MPa bis 0,1 MPa in Dickenrichtung auf das Faserverbundwerkstück auszuüben.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst mindestens einer der elektrisch leitfähigen Bereiche der Tragstruktur eine elektrisch leitfähige und thermisch isolierende Schicht an der dem anderen Teil der Tragstruktur zugewandten Oberfläche oder mindestens ein Teil der Tragstruktur weist neben dem elektrisch leitfähigen Bereich einen thermisch isolierenden Bereich auf.
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Dies dient zum einen dazu, die thermische Belastung der Tragstruktur und der Einrichtung zur Ausübung eines Drucks zu verringern und eine Ableitung der bei Ausführung des oben beschriebenen Verfahrens im Faserverbundwerkstück erzeugten Wärme aus dem Faserverbundwerkstück zu reduzieren. Damit sinkt die Temperatur in mindestens einer der äußeren Lagen des Faserverbundwerkstücks nicht so stark gegenüber den mittleren Lagen des Faserverbundwerkstücks ab, so dass eine gleichmäßigere Temperaturverteilung erreicht wird.
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In der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Tragstruktur derart ausgestaltet, dass in mindestens zwei lateralen Bereichen des Faserverbundwerkstücks unterschiedliche Verpressungsgrade eingestellt werden können. Dies kann beispielsweise über eine Kontur mindestens in einem der Teile der Tragstruktur realisiert werden, so dass der Abstand zwischen den einander zugewandten Oberflächen der beiden Teile der Tragstruktur in den mindestens zwei lateralen Bereichen unterschiedlich ist. Eine erfindungsgemäße Möglichkeit besteht darin, dass auf mindestens zwei laterale Bereiche des Faserverbundwerkstücks unterschiedliche Pressdrücke in Dickenrichtung ausgeübt werden. Dazu weist mindestens ein Teil der Tragstruktur mindestens zwei unabhängig voneinander in Richtung des anderen Teils der Tragstruktur bewegbare Einheiten auf und die Einrichtung zum Ausüben eines Drucks ist geeignet, über diese mindestens zwei Einheiten unterschiedliche Drücke auf die darunter liegenden lateralen Bereiche des Faserverbundwerkstücks auszuüben. Eine weitere Möglichkeit ist, dass mindestens ein Teil der Tragstruktur mindestens zwei Bereiche aufweist, die unterschiedliche Elastizitätsmodule haben, so dass der von außen auf die Tragstruktur eingebrachte Druck lokal verschieden an das Faserverbundwerkstück weitergegeben wird. Dies kann beispielsweise durch einen Einleger in die Tragstruktur erreicht werden, der aus einem Material mit einem anderen Elastizitätsmodul besteht als die übrigen Bereiche der Tragstruktur.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist die Tragstruktur derart ausgestaltet, dass in mindestens zwei laterale Bereiche des Faserverbundwerkstücks unterschiedliche Stromdichten des Stroms eingeleitet werden. Dies wird vorzugsweise dadurch realisiert, dass mindestens ein Teil der Tragstruktur an der dem anderen Teil der Tragstruktur zugewandten Oberfläche mindestens zwei Bereiche aufweist, die unterschiedliche elektrische Leitfähigkeiten haben. Dazu kann der leitfähige Bereich der Tragstruktur beispielsweise durch einen Einleger mit einer abweichenden elektrischen Leitfähigkeit, z.B. aus einem weniger elektrisch leitfähigen Material, lateral an der dem anderen Teil der Tragstruktur und damit dem Faserverbundwerkstück zugewandten Oberfläche unterbrochen sein. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der gesamte Teil der Tragstruktur aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht. Dies kann beispielsweise Stahl anstelle von Aluminium sein. Eine andere Möglichkeit ist, dass der betreffende Teil der Tragstruktur zum größten Teil aus einem weniger gut elektrisch leitenden Material besteht und der leitfähige Bereich des Teils der Tragstruktur als eine strukturierte leitfähige Schicht auf oder in einer dem Faserwerkstück zugewandten Oberfläche der Tragstruktur ausgebildet ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist die Tragstruktur derart ausgestaltet, dass aus mindestens zwei lateralen Bereichen des Faserverbundwerkstücks unterschiedliche Wärmemengen abgeleitet werden. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass mindestens ein Teil der Tragstruktur mindestens zwei Bereiche aufweist, die unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten haben. Auch dies kann beispielsweise wieder durch einen Einleger aus einem anderen Material erreicht werden.
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Vorzugsweise ist die Strom- oder Spannungsquelle geeignet, einen Wechselstrom bzw. eine Wechselspannung bereitzustellen. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die Strom- oder Spannungsquelle geeignet, einen Gleichstrom bzw. eine Gleichspannung bereitzustellen.
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Eine oder beide Teile der Tragstruktur sind vorzugsweise als plattenförmigen Strukturen ausgebildet, jedoch sind ebenso freie Konturen einer oder beider der dem Faserverbundwerkstück zugewandten Oberflächen der Tragstruktur und/oder eines oder beider Teile der Tragstruktur im Ganzen umsetzbar.
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Die beschriebenen Ausführungsformen der Vorrichtung können auch miteinander kombiniert werden, soweit sich dies nicht ausschließt.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich folgende Vorteile erzielen:
- - Die Wärme wird direkt im Faserverbundwerkstück erzeugt, so dass eine bessere Energieeffizienz und eine homogenere Temperaturverteilung in Dickenrichtung im Faserverbundwerkstück erreicht werden.
- - Es sind nur kurze Bearbeitungszeiten notwendig, da die Erwärmung des Faserverbundwerkstücks durch den eingeleiteten Strom schneller erreicht wird, als durch Konvektion und/oder thermische Leitung außer- und innerhalb des Faserverbundwerkstücks. Darüber hinaus kann eine zeitaufwendige Kühlung oder Heizung der Tragstruktur weitestgehend vermieden werden.
- - Die Kosten zum Ausführen des Verfahrens können durch das Vermeiden von Kühl- oder Heizeinheiten in der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere in der Tragstruktur, und die damit entfallende Wartung dieser Einheiten reduziert werden.
- - Das Verfahren kann auch bei Faserverbundwerkstücken mit relativ temperatursensiblen thermischen Komponenten, bei denen die Temperatur für die thermische Aktivierung und die Zersetzungstemperatur eng beieinander liegen, eingesetzt werden, da die Temperatur sehr genau über den Pressdruck und die eingeleitete Stromdichte eingestellt werden kann.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1a eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung, bei der die gesamte Tragstruktur als elektrischer Leiter ausgebildet ist, wobei das Faserverbundwerkstück eine thermisch aktivierbare Komponente enthält.
- 1b die erste Ausführungsform der Vorrichtung, wobei das Faserverbundwerkstück jedoch keine thermisch aktivierbare Komponente enthält.
- 2 eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung, bei der die gesamte Tragstruktur als elektrischer Leiter ausgebildet ist und elektrisch leitfähige, aber thermisch isolierende Bereiche an den dem Faserverbundwerkstück zugewandten Oberflächen aufweist,
- 3 eine dritte Ausführungsform einer Vorrichtung, bei der die Tragstruktur neben dem elektrisch leitfähigen Bereich einen elektrisch und thermisch isolierenden Bereich aufweist,
- 4 eine vierte Ausführungsform einer Vorrichtung, bei der die Tragstruktur eine Kontur aufweist,
- 5 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die Tragstruktur zwei unabhängig voneinander in Richtung des Faserverbundwerkstücks bewegbare Einheiten aufweist,
- 6 eine sechste Ausführungsform einer Vorrichtung, bei der die Tragstruktur einen Einleger aus einem anderen Material aufweist,
- 7 eine siebente Ausführungsform einer Vorrichtung, bei der beliebige Geometrien realisiert werden können. Der allgemeine Aufbau ist analog dem der 1a, und
- 8 einer Anordnung von isolierendem Material für eine Ausführungsform des Verfahrens, bei dem das Faserverbundwerkstück eine Kurzschlusslage enthält. Diese Kurzschlusslage kann beispielsweise ein Kohlestofffasertextil sein, welches in Faserlängsrichtung gegenüber der Faserquerrichtung eine deutlich bessere Leitfähigkeit aufweist.
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1a zeigt das Querschnittsprofil einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung zum thermischen Bearbeiten eines textilverstärkten Faserverbundwerkstücks 1. Das Faserverbundwerkstück 1 weist mehrere übereinander angeordnete Lagen 1a von elektrisch leitfähigen Textilien auf. Diese erstrecken sich jeweils flächig in einer Ebene, die parallel zu der in 1 dargestellten x-y-Ebene verläuft. Die Ausdehnung der spezifischen Lagen 1a in x- und y-Richtung ist im dargestellten Fall gleich, kann jedoch auch unterschiedlich sein. Die Figur zeigt die Textillagen 1a nur schematisch; die Anzahl der Textillagen 1a ist nicht begrenzt. Darüber hinaus weist das Faserverbundwerkstück 1 mindestens eine thermisch aktivierbare Komponente 1b auf, die in 1 durch die Punkte zwischen den Lagen 1a gekennzeichnet ist. Die Dicke des Faserverbundwerkstücks ist in z-Richtung definiert und durch die Anzahl der Lagen 1a und das Volumen der thermisch aktivierbaren Komponente 1b bestimmt.
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1b zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der 1a in der Art, dass hierbei keine thermisch aktivierbare Komponente im Faserverbundwerkstück 1 vorliegt. Das Faserverbundwerkstück 1 kann mit Hilfe der Vorrichtung erwärmt werden, was z.B. zum thermischen Trocknen der unkonsolidierten Textilien einsetzbar ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum thermischen Bearbeiten eines textilverstärkten Faserverbundwerkstücks 1 umfasst eine Tragstruktur 2, eine Spannungs- und Stromquelle 3 inklusive der dazugehörigen Zuleitungen sowie eine Einrichtung 4 zum Ausüben eines Druckes auf die Tragstruktur 2. Die Tragstruktur 2 weist zwei voneinander beabstandete und einander gegenüberliegend angeordnete Teile, nämlich das Oberteil 21 und das Unterteil 22, auf. Zwischen dem Oberteil 21 und dem Unterteil 22 wird beim Ausführen eines Verfahrens zum thermischen Bearbeiten eines textilverstärkten Faserverbundwerkstücks das Faserverbundwerkstück 1 angeordnet, wie dies in 1a dargestellt ist. Das Oberteil 21 weist eine erste Oberfläche 211 auf, die dem Faserverbundwerkstück 1 zugewandt ist, während das Unterteil 22 eine zweite Oberfläche 221 aufweist, die dem Faserverbundwerkstück 1 zugewandt ist. Das Oberteil 21 und das Unterteil 22 bestehen aus einem elektrisch leitfähigen Material, wobei in der dargestellten Ausführungsform jeweils das gesamte Teil der Tragstruktur elektrisch leitfähig ist.
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Die Spannungs- und Stromquelle 3 ist in 1 über die dazugehörigen Leitungen mit dem Oberteil 21 und dem Unterteil 22 der Tragstruktur 2 elektrisch leitend verbunden. Daher wird ein Strom durch das Faserverbundwerkstück 1 beim Ausführen des Verfahrens geleitet, so dass die elektrische Energie in Wärme umgesetzt wird. Wenn das Oberteil 21 oder das Unterteil 22 elektrisch leitend mit Masse verbunden sind, kann die Spannungs- und Stromquelle 3 auch nur mit dem nicht mit Masse verbundenen Teil der Tragstruktur 2 elektrisch leitend verbunden sein. Die Spannungs- und Stromquelle 3 ist in dem in 1 dargestellten Fall als Wechselstrom erzeugende Quelle ausgeführt. Ebenso ist die Verwendung von Gleichstrom möglich. Die Stromstärke kann so reguliert werden, dass die in das Faserverbundwerkstück 1 eingeleitete Stromdichte im Bereich von vorzugsweise 3000 A/m2 bis 6000 A/m2 liegt.
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Die Einrichtung 4 ist hier als Druckstempel dargestellt, der mit einer Kraft F auf das Oberteil 21 gedrückt wird, so dass das Oberteil 21 mit einem zu dieser Kraft korrespondierendem Pressdruck auf das Faserverbundwerkstück 1 gedrückt wird. In 1 ist nur ein Druckstempel 4 dargestellt, jedoch kann die Einrichtung 4 zum Ausüben eines Druckes auch mehrere Teile umfassen, von denen ein oder mehrere auch eine Kraft auf das Unterteil 22 ausüben können. Die Kraft F (bzw. die Kräfte bei mehreren Teilen der Einheit 4) kann so reguliert werden, dass ein Pressdruck im Bereich von 0,01 MPa bis 0,1 MPa auf das Faserverbundwerkstück 1 in Dickenrichtung, d.h. in z-Richtung, ausgeübt wird. Der einzustellende Druck muss entsprechend der gewünschten Heizzeit und Temperatur iterativ über Versuche ermittelt werden.
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2 zeigt das Querschnittsprofil einer zweiten Ausführungsform der Vorrichtung. In dieser sowie allen folgenden Figuren ist das Faserverbundwerkstück 1 zur besseren Anschaulichkeit der Darstellungen nur noch als Einheit dargestellt, so dass die einzelnen Lagen 1a und die ggf. vorhandene thermisch aktivierbare Komponente 1b nicht dargestellt sind. Die zweite Ausführungsform der Vorrichtung unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass das Oberteil 21 und das Unterteil 22 jeweils eine elektrisch leitfähige, jedoch thermisch isolierende Schicht 21a bzw. 22a aufweist. Die Schicht 21a ist auf der ersten Oberfläche 211 angeordnet, während die Schicht 22a auf der zweiten Oberfläche 221 angeordnet ist. Damit grenzen die Schichten 21a und 22a bei der Ausführung des Verfahrens an das Faserverbundwerkstück 1 an und realisieren den elektrischen Kontakt zu diesem, während sie gleichzeitig die Wärmeleitung vom Faserverbundwerkstück 1 in die Tragstruktur 2 verringern. In 2 ist der Fall dargestellt, dass die gesamte Tragstruktur 2 aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht. Jedoch können auch nur die Schichten 21a und 22a elektrisch leitfähig sein, während die übrigen Bereiche der Tragstruktur 2 aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen. Dann ist die Spannungs- und Stromquelle 3 direkt mit den Schichten 21a und 22a elektrisch leitend verbunden.
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Beispielhaft dafür ist in 3 eine dritte Ausführungsform dargestellt, wobei die Schichten 21a und 22a aus einem elektrisch leitfähigen, jedoch thermisch nicht notwendigerweise gut isolierendem Material bestehen. Die übrigen Bereiche 21c und 22c der Tragstruktur 2 bestehen aus elektrisch und thermisch isolierendem Material.
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In 4 ist eine vierte Ausführungsform dargestellt, bei der das Oberteil 21 in der ersten Oberfläche 211 eine Kontur aufweist, so dass der Abstand der ersten Oberfläche 211 zur zweiten Oberfläche 221 in x-Richtung variiert. Dargestellt ist ein bereits zusammengepresstes Faserverbundwerkstück 1, das ursprünglich über seine gesamte flächige Ausdehnung eine nahezu gleiche Dicke aufwies. Durch die Kontur in der ersten Oberfläche 211 wird in einem ersten lateralen Bereich 11 des Faserverbundwerkstücks 1 ein erster Verpressungsgrad eingestellt, der sich von einem in einem zweiten lateralen Bereich 12 des Faserverbundwerkstücks 1 eingestellten Verpressungsgrad unterscheidet.
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In 5 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt, bei der die verschiedenen Verpressungsgrade für verschiedene laterale Bereiche des Faserverbundwerkstücks 1 auf andere Art erzeugt werden. Hier weist das Oberteil 21 einen ersten lateralen Bereich 212 und einen zweiten lateralen Bereich 213 auf, die unabhängig voneinander in z-Richtung bewegbar sind. Darüber hinaus weist die Einrichtung 4 zum Ausüben eines Druckes eine erste Einheit 41 und eine zweite Einheit 42 auf. Mit Hilfe der über die erste Einheit 41 und die zweite Einheit 42 in den ersten lateralen Bereich 212 und den zweiten lateralen Bereich 213 des Oberteils 21 eingeleiteten Kräfte F1 und F2, können gleiche oder unterschiedliche Pressdrücke auf den ersten lateralen Bereich 11 und den zweiten lateralen Bereich 12 des Faserverbundwerkstücks 1 ausgeübt werden. Damit wird das selbe Ergebnis wie bei der vierten Ausführungsform erreicht, wobei jedoch die Verpressungsgrade über die Pressdrücke in den verschiedenen lateralen Bereichen des Faserverbundwerkstücks 1 genauer und bezüglich verschiedener Faserverbundwerkstücke 1 verschieden eingestellt werden können.
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In 6 ist eine sechste Ausführungsform der Vorrichtung dargestellt, bei der das Oberteil 21 der Tragstruktur einen Einleger 21 d aufweist. Der Einleger 21d ist aus einem Material, das sich hinsichtlich des Elastizitätsmoduls und/oder der elektrischen und/oder der thermischen Leitfähigkeit vom Material des übrigen Oberteils 21 unterscheidet. Ein unterschiedliches Elastizitätsmodul bewirkt einen unterschiedlichen Pressdruck in einem lateral dem Einleger 21d zugeordneten lateralen Bereich des Faserverbundwerkstücks 1, während sich eine unterschiedliche elektrische Leitfähigkeit auf den in einen lateral dem Einleger 21d zugeordneten lateralen Bereich des Faserverbundwerkstücks 1 eingeleiteten Strom auswirkt. Damit kann direkt die in den verschiedenen lateralen Bereichen des Faserverbundwerkstücks 1 erzeugte Wärmemenge gesteuert werden. Eine unterschiedliche thermische Leitfähigkeit wirkt sich hingegen auf die Ableitung der im entsprechenden lateralen Bereich des Faserverbundwerkstücks erzeugten Wärme in das Oberteil 21 aus und führt damit zu unterschiedlichen Temperaturen in den verschiedenen lateralen Bereichen des Faserverbundwerkstücks 1 zumindest in den äußeren Lagen 1a, die an die erste Oberfläche 211 angrenzen.
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In 7 ist eine siebente Ausführungsform der Vorrichtung dargestellt, bei der das Oberteil 21 und das Unterteil 22 eine beliebige Kontur der Oberflächen 211 und 221 aufweisen, die von der in den bisherigen Figuren dargestellten ebenen Kontur abweicht. Dies ermöglicht die Bearbeitung oder Erzeugung von Faserverbundwerkstücken 1 mit gekrümmten sowie Freiformflächen.
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In 8 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der das Faserverbundwerkstück 1 weiterhin eine elektrisch leitfähige Kurzschlusslage 1c aufweist, die oberhalb der obersten Textillage 1a und unterhalb der untersten Textillage 1a des Faserverbundwerkstücks 1 angeordnet ist und den Rand des Faserverbundwerkstücks 1 in Dickenrichtung zumindest in einem lateralen Bereich des Faserverbundwerkstücks 1 umhüllt. Um einen Kurzschluss durch diese textile Kurzschlusslage 1c während der Ausführung des Verfahrens zu verhindern, weist das Faserverbundwerkstück weiterhin mehrere isolierende Lagen 1d, beispielsweise aus einem Glasfaserverstärktem Textil, auf, die zwischen der Kurzschlusslage 1c und der obersten Textillage 1a sowie zwischen der Kurzschlusslage 1c und den angrenzenden Bereichen der Oberfläche 211 des Oberteils 21 der Tragstruktur 2 derart angeordnet sind, dass lokal eine elektrische Isolation erzielt wird. Diese isolierenden Lagen 1d können nach der Ausführung des Verfahrens im Faserverbundwerkstück 1 verbleiben oder von diesem wieder entfernt werden. Ebenfalls möglich sind weitere isolierende Lagen 1d, die zwischen der unterste Textillage 1a und der Kurzschlusslage 1c und/oder der Oberfläche 221 des Unterteils 22 der Tragstruktur 2 und der Kurzschlusslage 1c angeordnet sind. Weiterhin möglich ist, dass die isolierende Lage 1d zwischen der Kurzschlusslage 1c und der Oberfläche 211 bzw. 221 eingespart werden kann, wenn die Oberfläche 211 bzw. 221 in dem an die Kurzschlusslage 1c angrenzenden Bereich elektrisch isolierend ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Faserverbundwerkstück
- 1a
- elektrisch leitfähige Textillage
- 1b
- thermisch aktivierbare Komponente
- 1c
- elektrisch leitfähige Kurzschlusslage
- 1d
- isolierende Lage
- 11
- Erster lateraler Bereich des Faserverbundwerkstücks
- 12
- Zweiter lateraler Bereich des Faserverbundwerkstücks
- 2
- Tragstruktur
- 21
- Oberteil der Tragstruktur
- 211
- Erste Oberfläche des Oberteils der Tragstruktur
- 212
- Erster lateraler Bereich des Oberteils der Tragstruktur
- 213
- Zweiter lateraler Bereich des Oberteils der Tragstruktur
- 22
- Unterteil der Tragstruktur
- 221
- Zweite Oberfläche des Unterteils der Tragstruktur
- 21a,22a
- Elektrisch leitfähige, thermisch isolierende Schicht
- 21b, 22b
- Elektrisch leitende Schicht
- 21c, 22c
- Elektrisch und thermisch isolierender Bereich
- 21d
- Einleger
- 3
- Spannungs- und Stromquelle
- 4
- Einrichtung zum Ausüben eines Drucks
- 41
- Erste Einheit
- 42
- Zweite Einheit
