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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Versteifungselement zum Versteifen eines Rohlings eines zumindest teilweise hohlen Faserverbundwerkstoffbauteils, ein Blasformkernsystem sowie ein Verfahren zur Herstellung eines zumindest teilweise hohlen Faserverbundwerkstoffbauteils.
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Für die Herstellung von Hohlbauteilen werden verschiedene Kernsysteme benötigt. Dabei werden neben Schaumsystemen, die im Bauteil verbleiben, auch Blasformkerne eingesetzt, welche nach dem Injektionsverfahren, d. h. der Injektion des Matrixmaterials und dem Aushärten des Bauteils, wieder entfernt werden.
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Bei faserverstärkten Bauteilen werden nach der Kernherstellung die Fasern in der Regel mittels der Umflechttechnik auf den Kern aufgebracht. Der entfernbare Blasformkern ist ein Hohlkörper, der beim Umflechtprozess entweder mit Umgebungsluft unter Druckbeaufschlagung oder mit einer Flüssigkeit, zum Beispiel Wasser, gefüllt sein kann.
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Daran kann ein Resin-Transfer-Moulding (RTM) Prozess anschließen. Die Druckstabilität des Kerns ist hier für die Herstellung des Bauteils zwingend notwendig, da bei der Injektion des Matrixmaterials in das Werkzeug hohe Drücke auftreten.
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Bei entfernbaren Kernen, die zur Ausschöpfung des vollen Leichtbaupotenzials eingesetzt werden, muss beim Umflechtvorgang der Kern durch die Flechtanlagen geführt werden. Das Handling der leeren, z. B. mit Luft bei Umgebungsdruck gefüllten Kerne ist beim Umflechtvorgang problematisch und kann nur mit sehr viel Aufwand realisiert werden. Die geringe Biegesteifigkeit der Kerne hat demnach eine aufwendige Gestaltung des Handlingsystems zur Folge, welches wiederum in der Geschwindigkeit begrenzt ist. Diese Geschwindigkeitskomponenten begrenzen die Umflechtgeschwindigkeit und letztlich die Taktzeit für die Herstellung der Hohlbauteile.
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Die geringe Druckstabilität der leeren bzw. mit Luft bei Umgebungsdruck gefüllten Kerne erschwert das Handling ebenfalls. Greifsysteme, welche für die Positionierung des Kerns während des Flechtvorgangs notwendig sind, beschädigen bzw. quetschen den Kern beim Greifen, da dieser keinen Widerstand aufbringt.
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1 zeigt eine Querschnittdarstellung eines bekannten Blasformkerns 1, welcher mit einem Greifer 2 gehalten wird. Der Blasformkern 1 weist kein Stützmedium im Kern auf, welches den Blasformkern 1 beim Greifvorgang stützt. Hierdurch wird der Blasformkern 1 mit seinem Hohlraum 3 gequetscht.
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Grundsätzlich lassen sich im Querschnitt kleine Körper besser greifen als Geometrien mit großen Querschnitten. Die Wandstärke trägt bei kleinen Querschnitten relevant zur Drucksteifigkeit bei und unterstützt das Greifen. Da die Sollwandstärke bei den verschiedenen Geometrieausprägungen konstant ist, verschlechtert sich das Greifpotenzial bei großen Körpern.
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Bei der vorab befüllten Kernvariante trägt das Wasser aufgrund des flüssigen Zustandes nur gering zur Drucksteifigkeit und Handlingstabilität des Kerns bei. Die Biegesteifigkeit wird nicht verbessert.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Versteifungselement zum Versteifen eines Rohlings der eingangs genannten Art, ein Blasformkernsystem sowie ein Verfahren zur Herstellung eines zumindest teilweise hohlen Faserverbundwerkstoffbauteils in vorteilhafter Weise weiterzubilden, insbesondere dahingehend, dass das Handling verbessert und die Taktzeiten bei der Herstellung eines teilweise hohlen Faserverbundwerkstoffbauteils verbessert werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Versteifungselement mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Danach ist vorgesehen, dass ein Versteifungselement zum Versteifen eines Rohlings eines zumindest teilweise hohlen Faserverbundwerkstoffbauteils wenigstens einen Grundkörper und eine Vielzahl vom Grundkörper abstehender Stützelemente aufweist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass der Rohling eines zumindest teilweise hohlen Faserverbundwerkstoffbauteils von innen durch das Versteifungselement stabilisiert werden kann, was dessen Handling bei der Herstellung verbessert. Hierdurch ist es möglich, die Taktzeiten bei der Herstellung des Faserverbundwerkstoffbauteils zu verringern.
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Das Versteifungselement kann zum Versteifen eines Blasformkerns vorgesehen sein. Darüber hinaus ist auch möglich, dass das Versteifungselement auch direkt die Innenwände des Rohlings des zumindest teilweise hohlen Faserverbundwerkstoffbauteils versteift und stabilisiert. Das Versteifungselement kann zumindest teilweise aus einem metallischen Werkstoff hergestellt sein.
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Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Stützelemente beweglich sind. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass das Versteifungselement einfach in den Rohling eingeführt werden kann.
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Außerdem kann vorgesehen sein, dass die Stützelemente flexibel sind. Auch dies unterstützt das Einführen in den Rohling, aber auch das Entfernen des Versteifungselements aus dem fertigen Faserverbundwerkstoffbauteil.
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Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Stützelemente zumindest teilweise abschnittsweise nadelartig ausgebildet sind. Es ist insbesondere möglich, dass der Grundkörper und die vom Grundkörper abstehenden Stützelemente vergleichbar eines Tannenzweiges ausgebildet sind. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass eine vergleichsweise leichte, aber zugleich stabile Struktur ausgebildet werden kann, die den Rohling des zumindest teilweise hohlen Faserverbundwerkstoffbauteils von innen stabilisieren kann.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass die Stützelemente jeweils zumindest ein Schuppenelement aufweisen. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass sich die Stützelemente besser an die Innenseite des Rohlings oder des Blasformkerns anlegen können. Hierdurch werden die Stabilität und die Versteifungswirkung durch das Versteifungselement erhöht.
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Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Stützelemente in einer gemeinsamen Vorzugsrichtung am Grundkörper angeordnet sind. Dies ermöglicht vorteilhafterweise, dass das Versteifungselement einfach in einer Richtung in den Rohling oder den Blasformkern eingeführt werden kann. Die Vorzugsrichtung ist dabei insbesondere die Richtung, in die Stützelemente in Bezug auf den Grundkörper ausgerichtet sind. Insbesondere schließen Stützelement und Grundkörper einen spitzen Winkel ein, und dieser Winkel zeigt mit seinem Scheitelpunkt in die Vorzugsrichtung. In der gleichen Richtung kann das Versteifungselement auch einfach wieder aus dem Rohling oder dem Blasformkern entfernt werden. Andererseits ist es möglich, durch eine Bewegung entgegen der Vorzugsrichtung das Versteifungselement in dem Rohling oder dem Blasformkern zu verspreizen und diesen hierdurch sicher und stabil im Rohling oder im Blasformkern zu positionieren.
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Außerdem kann vorgesehen sein, dass die Stützelemente eine zusätzliche Kraftkomponente auf den Blasformkern oder auf die Innenwand des zumindest teilweise hohlen Faserverbundwerkstoffbauteils aufbringen können. Diese zusätzliche Kraftkomponente kann beispielsweise mit einer Art Ratschenprinzip, einem Elektromagneten, einer Federspannung oder dergleichen erreicht werden. Die Stützelemente werden dann entsprechend gegen die Innenwand des Blasformkerns oder die Innenwand des zumindest teilweise hohlen Faserverbundwerkstoffbauteils angestellt.
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Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein Verbindungselement vorgesehen ist, wobei mittels des Verbindungselements der Grundkörper mit einem weiteren Grundkörper oder einem weiteren Versteifungselement verbindbar ist.
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Das Verbindungselement kann insbesondere ein Gelenk sein. Des Weiteren können mehrere Grundkörper vorgesehen sein. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass das Versteifungselement im Rohling auch um eine Kurve geführt werden kann und somit der Form des Rohlings besser folgen kann.
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Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Blasformkernsystem. Danach ist vorgesehen, dass ein Blasformkernsystem wenigstens einen hohlen Blasformkern und wenigstens ein Versteifungselement nach einem der vorgenannten erfindungsgemäßen Ausführungen aufweist.
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Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines zumindest teilweise hohlen Faserverbundwerkstoffbauteils. Danach ist vorgesehen, dass ein Verfahren zur Herstellung eines zumindest teilweise hohlen Faserverbundwerkstoffbauteils wenigstens die folgenden Schritte aufweist:
- – ein Versteifungselement gemäß der vorliegenden Erfindung wird bereitgestellt;
- – das Faserverbundwerkstoffbauteil wird um das Versteifungselement herum ausgebildet;
- – das Versteifungselement wird entfernt.
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Sämtliche vorgenannten Merkmale und Vorteile, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Versteifungselement sowie den möglichen Ausführungsformen hierzu beschrieben sind, können ebenfalls beim erfindungsgemäßen Verfahren sowie den hierzu möglichen vorteilhaften Ausführungsformen des Verfahrens vorgesehen sein.
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Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass das Verfahren die folgenden weiteren Schritte umfasst:
- – das Versteifungselement wird nach der Bereitstellung in einen hohlen Blasformkern eingebracht;
- – das Faserverbundwerkstoffbauteil wird um den Blasformkern herum ausgebildet;
- – das Versteifungselement wird aus dem Blasformkern entfernt; und
- – der Blasformkern wird entfernt.
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Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass das Versteifungselement nur in einer Richtung in den Blasformkern eingebracht und in derselben Richtung aus dem Blasformkern entfernt wird.
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Außerdem kann das Versteifungselement Stützelemente aufweisen, die nach dem Einbringen in den Blasformkern die Innenwand des Blasformkerns abstützen.
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Darüber hinaus ist möglich, dass das Versteifungselement direkt die Innenwand des zumindest teilweise hohlen Faserverbundwerkstoffbauteils abstützt.
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Weiter kann vorgesehen sein, dass kein Blasformkern verwendet wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine schematische Schnittdarstellung eines bekannten Blasformkernsystems;
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2 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Blasformkernsystems mit einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Versteifungselements im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
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3 eine erste Variante eines Grundkörpers eines erfindungsmäßen Versteifungselements;
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4 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Versteifungselements;
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5 eine zweite Variante eines Grundkörpers eines erfindungsmäßen Versteifungselements;
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6 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Versteifungselements;
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7 eine Draufsicht auf Schuppen einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Versteifungselements;
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8 eine schematische Seitenansicht auf das Versteifungselement gemäß 7;
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9 eine schematische Ansicht der Verwendung des Ausführungsbeispiels gemäß 4 in einem ersten Verfahrensschritt;
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10 eine schematische Ansicht der Verwendung des Ausführungsbeispiels gemäß 4 in einem weiteren Verfahrensschritt;
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11 eine schematische Ansicht der Verwendung des Ausführungsbeispiels gemäß 4 in einem weiteren Verfahrensschritt;
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12 eine detaillierte Darstellung des Verfahrensschrittes gemäß 10; und
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13 eine schematische Ansicht der Verwendung des Ausführungsbeispiels gemäß 6.
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2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Greifers 5, der ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Blasformkernsystems 10 hält.
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Das Blasformkernsystem 10 besteht dabei aus einem Blasformkern 12 und einem Versteifungselement 14.
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Das Versteifungselement 14 weist einen Grundkörper 16 und mehrere vom Grundkörper abstehenden Stützelementen 18 auf.
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Die Stützelemente 18 sind nadelartig ausgebildet und stehen sternförmig vom Grundkörper 16 ab.
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Ferner sind die Stützelemente 18 beweglich. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Stützelemente 18 flexibel sind.
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Der Grundkörper 16 weist einen runden Querschnitt auf. Die Anordnung der Stützelemente 18 erfolgt gleichmäßig um den gesamten Umfang des Grundkörpers 16 herum.
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Die Länge der Stützelemente 18 ist derart bemessen, dass die Spitze der Stützelemente 18 die Innenwand des Blasformkerns 12 erreicht. Die Stützelemente 18 können bei einer anderen Geometrie des Blasformkerns auch alle dieselbe Länge aufweisen.
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3 zeigt erste Variante von Grundkörpern 16 eines erfindungsmäßen Versteifungselements 14.
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Das Versteifungselement 14 weist als Grundkörper 16 mehrere Stabelemente 16 auf.
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Die Stabelemente 16 jeweils mit zwischen zwei benachbarten Stabelementen 16 befindlichen Gelenken 20 verbunden.
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Wie weiter in 4 gezeigt, sind an den Stabelementen 16 mehrere Nadelelemente 18 als Stützelemente 18 vorgesehen. Die Nadelelemente 18 weisen eine Vorzugsrichtung auf, d. h. die Nadelelemente 18 stehen alle im gleichen Winkel, hier ca. 45° vom jeweiligen Stabelement 16 ab.
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5 zeigt zweite Variante von Grundkörpern 16' eines erfindungsmäßen Versteifungselements 14'.
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Das Versteifungselement 14' weist als Grundkörper 16' mehrere Stabelemente 16' auf.
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Die Stabelemente 16' sind hier jeweils mit zwischen zwei benachbarten Stabelementen 16' befindlichen Bolzenverbindungen 20' verbunden.
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Wie weiter in 6 gezeigt, sind an den Stabelementen 16' mehrere Nadelelemente 18' als Stützelemente 18' vorgesehen. Die Nadelelemente 18' weisen eine Vorzugsrichtung auf, d. h. die Nadelelemente 18' stehen alle im gleichen Winkel, hier ca. 45° vom jeweiligen Stabelement 16' ab.
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Wie weiter in 7 im Zusammenhang mit einem weiteren Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Versteifungselementes 14'' gezeigt, können die Stützelemente 18'' mit Schuppen 22 versehen sein.
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Wie in 7 und 8 gezeigt, können die Schuppen 22 sich überlappen und eine flexible Oberfläche 24 ausbilden.
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Alternativ können, wie in 8 gezeigt, die Stützelemente 22'' L-förmig ausgebildet sein, so dass sie ebenfalls ein Schuppenmuster und eine Oberfläche 24'' wie in 7 gezeigt ausbilden.
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Die Grundkörper 16 des Versteifungselementes 14'' entsprechen dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel der ersten Variante von Grundkörpern 16.
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Das Versteifungselement 14'' weist ebenfalls als Grundkörper 16 mehrere Stabelemente 16 auf. Die Stabelemente 16 jeweils mit zwischen zwei benachbarten Stabelementen 16 befindlichen Gelenken 20 verbunden.
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Die Funktion des Versteifungselementes 14 und das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines zumindest teilweise hohlen Faserverbundwerkstoffbauteils wird nun nachstehend insbesondere im Zusammenhang mit den 8 bis 14 beschrieben:
Die 9 bis 11 zeigen beispielhaft das Versteifungselement 14 gemäß der Ausführungsform nach 4.
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Das Versteifungselement 14 wird entlang seiner Vorzugsrichtung VR in den gebogenen Blasformkern 12 eingeführt, vgl. 9. Die Verengung 13 des Blasformkerns 12 behindert das Einführen des Versteifungselements 14 nicht, denn die elastischen und flexiblen Stützelemente 18 passen sich der Durchmesserverengung entsprechend an. Aufgrund der Orientierung der Stützelemente 18 kann das Versteifungselement 14 nur in Vorzugsrichtung VR durch den Blasformkern 12 bewegt werden.
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Nach dem Einbringen des Versteifungselements 14 wird das Fasermaterial 26 z. B. mittels Umflechttechnik um den Blasformkern 12 angeordnet, also umflochten.
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10 zeigt das im Blasformkern 12 positionierte Versteifungselement 14. Auch das Fasermaterial 26 ist bereits auf dem Blasformkern 12 aufgebracht.
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11 zeigt, wie das Versteifungselements 14 in Vorzugsrichtung VR aus dem Blasformkern 12 entfernt wird.
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Damit das Versteifungselement 14 auf die erforderliche Druckbeständigkeit im Herstellungsprozess des Faserverbundwerkstoffbauteils aufbringt, können die Stützelemente 18 zusätzlich fixiert werden.
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Dies ist in 12 beispielhaft gezeigt.
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Danach kann vorgesehen sein, dass die Stützelemente 18 eine zusätzliche Kraftkomponente F auf den Blasformkern 12 aufbringen, wie der Detailaufnahme in 12 zu entnehmen ist.
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Diese zusätzliche Kraftkomponente F kann beispielsweise mit einer Art Ratschenprinzip, einem Elektromagneten, einer Federspannung oder dergleichen erreicht werden. Die Stützelemente 18 werden dann entsprechend gegen die Innenwand des Blasformkerns 12 angestellt.
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13 zeigt eine schematische Ansicht der Verwendung des Ausführungsbeispiels gemäß 6. Das Versteifungselement 14' ist hier bereits im Blasformkern 12' positioniert. Auch das Fasermaterial 26' ist bereits auf dem Blasformkern 12' aufgebracht.
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Das Versteifungselement 14' ist hier bereits entlang seiner Vorzugsrichtung VR in den gekrümmten bzw. verschwenkten Blasformkern 12' eingeführt worden. Die Verengung 13' des Blasformkerns 12' behindert das Einführen des Versteifungselements 14' nicht, denn die elastischen und flexiblen Stützelemente 18' passen sich der Durchmesserverengung entsprechend an. Auch hier kann aufgrund der Orientierung der Stützelemente 18' das Versteifungselement 14' nur in Vorzugsrichtung VR durch den Blasformkern 12' bewegt werden.
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Nach dem Einbringen des Versteifungselements 14' wird das Fasermaterial 26' z. B. mittels Umflechttechnik um den Blasformkern 12' angeordnet, also umflochten.
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Analog 11 wird nach Imprägnierung des Fasermaterials 26' mit Matrixmaterial und der Aushärtung des Matrixmaterials das Versteifungselements 14' in Vorzugsrichtung VR aus dem Blasformkern 12' entfernt.
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In der Ausführungsform gemäß 7 und 8 wird folgendermaßen zur Herstellung eines zumindest teilweise hohlen Faserverbundwerkstoffbauteils vorgegangen:
Direkt auf der flexiblen Oberfläche 24 kann ein Rohling aus Fasermaterial 26'' ausgebildet werden. In einem derartigen Fall kann sogar auf die Abstützung eines zusätzlichen Kerns, insbesondere auf den Einsatz eines Blasformkerns, verzichtet werden. Das Fasermaterial 26'' wird direkt auf der Oberfläche 24 des Versteifungselements angeordnet werden, das dann als der eigentliche Kern wirkt.
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Auch hier wird dann analog 11 nach Imprägnierung des Fasermaterials 26'' mit Matrixmaterial und der Aushärtung des Matrixmaterials das Versteifungselements 14'' in Vorzugsrichtung VR aus dem Blasformkern 12'' entfernt.
