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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines Strukturbauteils aus faserverstärktem Kunststoff gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung zum Herstellen eines Strukturbauteils aus faserverstärktem Kunststoff sind bereits aus der
DE 10 2007 027 113 A1 als bekannt zu entnehmen. Bei dem Verfahren wird wenigstens eine Faser zum Herstellen des Strukturbauteils auf eine Wickelstruktur gewickelt und in einer Vakuumfolie angeordnet, welche evakuiert wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass Strukturbauteile, insbesondere Fachwerkstrukturen, aus faserverstärktem Kunststoff auf besonders einfache Weise hergestellt werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass Strukturbauteile, insbesondere Fachwerkstrukturen, aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere für Fahrzeuge und/oder Betriebsmittel zu deren Herstellung, auf besonders einfache Weise hergestellt werden können, ist es bei einem ersten Schritt des Verfahrens vorgesehen, dass ein Träger bereitgestellt wird, welcher eine Mehrzahl von Befestigungsstellen aufweist, an welchen Umlenkelemente der Wickelstruktur befestigbar sind. Mit anderen Worten ist es grundsätzlich möglich, an jeder der Befestigungsstellen ein Umlenkelement der Wickelstruktur zu befestigen.
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Bei einem zweiten Schritt des Verfahrens wird eine vorgebbare Anzahl der Befestigungsstellen des Trägers ausgewählt. Beispielsweise wird zumindest ein Teil der Befestigungsstellen beziehungsweise eine Teilmenge der Befestigungsstellen ausgewählt. Bei einem dritten Schritt des Verfahrens werden Umlenkelemente der Wickelstruktur an den jeweiligen ausgewählten Befestigungsstellen befestigt. Nach dem Befestigen der Umlenkelemente an den ausgewählten Befestigungsstellen sind beispielsweise nicht an allen Befestigungsstellen Umlenkelemente befestigt, sondern lediglich an einem Teil der Befestigungsstellen sind entsprechende Umlenkelemente der Wickelstruktur befestigt.
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Bei einem vierten Schritt des Verfahrens wird die Faser um die an den jeweiligen Befestigungsstellen befestigten Umlenkelemente gewickelt. Der Träger und die Umlenkelemente der Wickelstruktur bilden ein wandlungsfähiges Werkzeug zum wandlungsfähigen wickeltechnischen Herstellen von Strukturbauteilen, insbesondere Fachwerkstrukturen, aus faserverstärkten Kunststoff, da die Umlenkelemente der Wickelstruktur bedarfsgerecht an den jeweiligen Befestigungsstellen angeordnet und befestigt werden können. Dadurch können Strukturbauteile mit bedarfsgerechter Geometrie hergestellt werden. Insbesondere ist mittels des Verfahrens eine automatisierbare wickeltechnische Herstellung von integralen, leichtbaugerechten Fachwerkstrukturen aus Faserverbundwerkstoffen mit verbesserter Verbundqualität realisierbar, da der Träger und die Wickelstruktur als wandlungsfähige Werkzeugvorrichtung genutzt werden können. Die Werkzeugvorrichtung ist wandlungsfähig, da die Umlenkelemente bedarfsgerecht an den Umlenkstellen befestigt werden können, wodurch ein Wickelpfad, entlang welchem die Faser geführt und um die Umlenkelemente gewickelt wird, bedarfsgerecht eingestellt beziehungsweise ausgestaltet werden kann.
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Der Erfindung liegt insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass üblicherweise für die Herstellung von Faserverbundstrukturen ein breit gefächertes Spektrum an Fertigungsverfahren besteht. Die Eignung dieser Fertigungsverfahren ist abhängig von der darstellbaren Geometrie, Laminatqualität, Faserorientierung und des erreichbaren Automatisierungsgrades. Für die Erzeugung von Fachwerkstrukturen, das heißt Fachwerken bestehen derzeit unterschiedliche Ansätze. Eine Möglichkeit stellt das Kombinieren von Profilen zu fachwerkartigen Tragstrukturen unter der Verwendung von gewichtsintensiven Fügungen dar. Diese werden häufig aus isotropen Materialien in Form von Schellenelementen, welche beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff gebildet sind, ausgeführt. Die Fügestellengestaltung über Muffenanbindung und Klebung überkompensiert demzufolge oftmals den Gewichtsvorteil gegenüber einer geschweißten Metallkonstruktion. Zur Erzeugung der Profile werden in der Regel kontinuierliche Verfahren wie das Pultrusions-, Flecht-, Wickelverfahren auf Grund ihres hohen Materialdurchsatzes sowie der hohen Automatisierbarkeit der Prozesse eingesetzt.
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Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung derartiger Fachwerkstrukturen stellt das Kombinieren von gewickelten, modularen Tragstrukturen dar, welche auch als Modulstrukturen bezeichnet werden. Die in sich geschlossenen Modulstrukturen weisen über die jeweiligen Knoten- beziehungsweise Eckpunkte hinweg eine durchgehende, umlaufende Faserverstärkung auf. Der Einsatz von gewickelten Vieleckelementen ermöglicht eine Reduktion der Fügestellenanzahl innerhalb des Fachwerks. Die Problematik der Leichtbaugradminderung bezüglich der verbleibenden Fügestellen besteht weiterhin.
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Fachwerke lassen sich beispielsweise mit Hilfe eines Wickelverfahrens auch direkt als integrales Bauteil herstellen, indem die Faser um mehrere in Abständen positionierte Umlenkpunkte gewickelt wird. Diese Umlenkpunkte werden beispielsweise durch die jeweiligen Umlenkelemente gebildet. Die integrale Bauweise des Fachwerks ermöglicht eine Steigerung des Leichtbaugrades. Problematisch ist an diesem Verfahren die geringe Verbundqualität und Formtreue, die durch das Wickeln einer Faser um Umlenkpunkte ohne Wickelgrund beziehungsweise ohne zusätzliche Kompaktierung erreichbar ist.
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Diese Problematik kann durch entsprechende Werkzeugvorrichtungen, die einen Wickelgrund zwischen den Umlenkpunkten schaffen und eine Kompaktierung ermöglichen, entgegengewirkt werden. Allerdings werden für eine derartige Umsetzung aufwändige, anwendungsspezifische Werkzeugvorrichtungen benötigt, wodurch die Wandlungsfähigkeit des Verfahrens enorm verringert wird. Aktuell existiert somit kein Verfahren, mit dessen Hilfe leichtbaugerechte integrale Fachwerkstrukturen in Faserverbundbauweise mit hinreichender Verbundqualität hergestellt werden können, ohne aufwändige, anwendungsspezifische Werkzeugvorrichtungen zu verwenden.
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Diese Probleme und Nachteile können durch das erfindungsgemäße Verfahren vermieden werden. Durch den Einsatz der Vakuumfolie kann eine hinreichende und vorteilhafte Kompaktierung der um die Umlenkelemente gewickelten Faser realisiert werden. Ferner stellen die Umlenkelemente einen besonders vorteilhaften Wickelgrund dar, um die diesbezüglich genannten Nachteile zu vermeiden. Durch das bedarfsgerechte Befestigen der Umlenkelemente an den jeweiligen Umlenkstellen ist es möglich, die durch die Umlenkelemente gebildeten Umlenkpunkte bedarfsgerecht auf dem Träger zu positionieren.
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Die jeweilige Befestigungsstelle umfasst beispielsweise eine Öffnung, welche auch als Loch bezeichnet wird. Beispielsweise ist der Träger als Platte ausgebildet, wobei durch die Befestigungsstellen ein Lochmuster gebildet ist. Beispielsweise mit Hilfe von Stiften und/oder Bolzen, welche in die jeweilige Öffnung eingeführt werden, werden die Umlenkelemente an den jeweiligen Befestigungsstellen und somit an dem Träger befestigt.
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Vorzugsweise sind die Umlenkelemente als Stabelemente, insbesondere als zylinderförmige Stabelemente, ausgebildet. Mit anderen Worten weisen die Umlenkelemente vorzugsweise außenumfangsseitig die Form eines zumindest im Wesentlichen graden Kreiszylinders auf, sodass die Faser besonders vorteilhaft um die Umlenkelemente gewickelt werden kann.
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Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann prozesssicher und mit besonders geringem Aufwand ein Strukturbauteil aus Faserverbundkunststoff (FVK) unter besonderer Berücksichtigung des Leichtbaugedankens hergestellt werden. Vorzugsweise ist der Träger eigensteif beziehungsweise starr, wobei die Umlenkelemente beispielsweise voneinander beabstandet an dem Träger fixiert werden.
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Besonders bevorzugt ist die Faser mit einem Harz getränkt. Denkbar wäre auch die Applizierung eines Binders, sodass nach Erwärmung eine Preform entsteht. Insbesondere nach dem Evakuieren der Vakuumfolie wird die Faser einer Wärmebeaufschlagung unterzogen und dadurch erwärmt, wodurch die Faser und somit das Strukturbauteil insgesamt verfestigt wird.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
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1 eine schematische und perspektivische Draufsicht auf eine Vorrichtung zum Herstellen eines Strukturbauteils aus faserverstärktem Kunststoff, wobei die Vorrichtung einen eigensteifen Träger mit einer Mehrzahl von Befestigungsstellen und eine Wickelstruktur mit einer Mehrzahl von Umlenkelementen aufweist, welche an einem Teil der Befestigungsstellen befestigt sind;
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2 eine weitere schematische und perspektivische Draufsicht auf das Werkzeug bei einem Verfahren gemäß einer ersten Ausführungsform zum Herstellen des Strukturbauteils;
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3 eine weitere schematische und perspektivische Draufsicht auf das Werkzeug bei dem Verfahren gemäß der ersten Ausführungsform;
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4 eine weitere schematische und perspektivische Draufsicht auf das Werkzeug bei dem Verfahren gemäß der ersten Ausführungsform;
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5 eine weitere schematische und perspektivische Draufsicht auf das Werkzeug bei dem Verfahren gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer schematischen und perspektivischen Draufsicht ein Werkzeug, das heißt eine Vorrichtung beziehungsweise eine Werkzeugvorrichtung zum Herstellen eines Strukturbauteils, insbesondere einer Fachwerkstruktur, aus faserverstärktem Kunststoff. Der faserverstärkte Kunststoff wird auch als Faserverbundkunststoff (FVK) bezeichnet und umfasst wenigstens eine Faser, welche auch als Verstärkungsfaser bezeichnet wird. Insbesondere umfasst der faserverstärkte Kunststoff eine Mehrzahl von Verstärkungsfasern. Ferner umfasst der faserverstärkte Kunststoff eine aus Kunststoff gebildete Matrix, in welche die Verstärkungsfaser beziehungsweise Verstärkungsfasern im fertig hergestellten Zustand des Strukturbauteils eingebettet ist. Aus 1 ist erkennbar, dass die Vorrichtung einen eigensteifen beziehungsweise starren Träger in Form einer Platte 10 umfasst, welche eine Mehrzahl von Befestigungsstellen 12 aufweist. Die Befestigungsstellen 12 sind matrixartig, das heißt in nebeneinander angeordneten Spalten und in untereinander angeordneten Zeilen angeordnet und umfassen jeweils wenigstens eine Öffnung, welche auch als Loch bezeichnet wird. Ferner umfasst das Werkzeug eine im Ganzen mit 14 bezeichnete Wickelstruktur, welche eine Mehrzahl von Umlenkelementen 16 aufweist. Vorliegend sind die Umlenkelemente 16 als Stabelemente ausgebildet und weisen dabei außenumfangsseitig die Form eines zumindest im Wesentlichen geraden Kreiszylinders auf. Mit anderen Worten sind die Umlenkelemente 16 vorliegend außenumfangsseitig zylinderförmig ausgebildet. Grundsätzlich ist das jeweilige Umlenkelement 16 an jeder Befestigungsstelle 12 befestigbar. Dadurch können die Umlenkelemente 16 bedarfsgerecht relativ zueinander positioniert und dabei voneinander beabstandet an dem Träger 10 befestigt werden.
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Anhand von 2 bis 4 ist eine erste Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen eines Strukturbauteils veranschaulicht. Im Rahmen der ersten Ausführungsform werden genau vier Umlenkelemente 16 verwendet. Selbstverständlich ist es denkbar, eine gegenüber vier höhere oder geringere Anzahl an Umlenkelementen der Wickelstruktur 14 zu verwenden und diese jeweiligen Umlenkelemente an jeweiligen Befestigungsstellen des Trägers 10 zu befestigen. Durch das bedarfsgerechte Positionieren der Umlenkelemente 16 relativ zueinander kann die Geometrie des herzustellenden Strukturbauteils bedarfsgerecht eingestellt werden.
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Bei einem ersten Schritt des Verfahrens wird der Träger 10 bereitgestellt. Bei einem zweiten Schritt des Verfahrens wird eine vorgebbare Anzahl der Befestigungsstellen 12 ausgewählt. Da bei der ersten Ausführungsform vier Umlenkelemente 16 verwendet werden, werden vier Befestigungsstellen 12 ausgewählt, an denen die jeweiligen Umlenkelemente 16 befestigt werden. Dies bedeutet, dass die Anzahl der ausgewählten Befestigungsstellen 12 mit der Anzahl der verwendeten Umlenkelemente 16 korrespondiert. Bei einem dritten Schritt des Verfahrens werden die Umlenkelemente 16 an den jeweiligen ausgewählten Befestigungsstellen 12 befestigt.
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Zum Herstellen des Strukturbauteils wird die zuvor genannte, wenigstens eine Faser verwendet, welche in 2 mit 18 bezeichnet ist. Im Rahmen des Verfahrens wird die Faser 18 von einer Spule 20 abgewickelt und um die Wickelstruktur 14, das heißt um die Umlenkelemente 16 gewickelt. Dabei veranschaulicht in 2 ein Pfeil 22 eine Wickelrichtung, entlang welcher die Faser 18 um die Umlenkelemente 16 geführt und somit um die Umlenkelemente 16 gewickelt wird.
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Bevor jedoch die Faser 18 um die Umlenkelemente 16 gewickelt wird, wird ein erstes Folienelement 24 einer Vakuumfolie 26 (4) um die an dem Träger 10 befestigten Umlenkelemente 16 gewickelt. Daraufhin wird die Faser 18 um das Folienelement 24 und somit um die Umlenkelemente 16 gewickelt, sodass die Vakuumfolie 26 zum Auslegen von vorgesehenen Wickelpfaden genutzt wird. Dies ist anwendbar auf das Wickelverfahren nach dem Drehbankprinzip beziehungsweise dem Raumwickeln mit Robotern. Dadurch können unterschiedliche Fachwerkstrukturen hergestellt werden. Durch das Wickeln des Folienelements 24 um die Umlenkelemente 16 wird das Folienelement 24 an der Wickelstruktur 14 vorpositioniert. Nach dem Vorpositionieren des Folienelements 24 wird die vorzugsweise mit einem Harz getränkte Faser 18 um die Wickelstruktur 14 und insbesondere um das Folienelement 24 gewickelt. Die Umlenkelemente 16 stellen jeweilige Umlenkpunkte dar, um welche die Faser 18 gewickelt wird, wobei die Faser 18 an den Umlenkpunkten umgelenkt wird. Vorzugsweise werden mehrere Fasern zum Herstellen des Strukturbauteils genutzt, wobei diese mehreren Fasern um die Wickelstruktur 14, insbesondere um das Folienelement 24 gewickelt werden. Beispielsweise ist die Faser 18 als Kohlefaser ausgebildet.
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Durch entsprechendes Positionieren der Umlenkelemente 16 sowie durch entsprechende Wahl der Wickelrichtung kann ein jeweiliger Wickelpfad ausgelegt, das heißt eingestellt werden, wobei die Faser 18 entlang dieses Wickelpfades um die Wickelstruktur 14 gewickelt wird. Durch entsprechende Auslegung des Wickelpfades ist es mittels der Vorrichtung möglich, Fachwerke, das heißt Fachwerkstrukturen auf einfache Weise herzustellen. Nach dem Wickeln der Faser 18 um das Folienelement 24 und somit um die Umlenkelemente 16 wird wenigstens ein weiteres Folienelement 28 der Vakuumfolie 26 um die auf das Folienelement 24 abgelegte, imprägnierte Faser 18 gewickelt. Mit anderen Worten wird das Folienelement 28 (3) auf die abgelegte Faser 18 und somit auf das Folienelement 24 aufgebracht.
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Die Folienelemente 24 und 28 werden beispielsweise mittels wenigstens eines Vakuumdichtbands 30 (4) miteinander verbunden und dadurch gegenseitig abgedichtet, sodass die Faser 18 zwischen den Folienelementen 24 und 28 und dem Vakuumdichtband 30 angeordnet ist. Mit anderen Worten ist die Faser 18 in einem zwischen den Folienelementen 24 und 28 und dem Vakuumdichtband 30 angeordneten Zwischenraum angeordnet, welcher durch die Folienelemente 24 und 28 und durch das Vakuumdichtband 30 abgedichtet ist.
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Im Anschluss wird die Vakuumfolie 26 zwischen den Folienelementen 24 und 28 evakuiert, wodurch beispielsweise zwischen den Folienelementen 24 und 28 ein Vakuum erzeugt wird. Hierdurch wird die Faser 18, insbesondere während ihres Aushärteprozesses, kompaktiert. Es kann vorgesehen sein, dass die imprägnierte Faser 18 mittels einer Heizeinrichtung erwärmt wird, um dadurch das Aushärten der Faser 18 zu beschleunigen beziehungsweise das Aushärten des Binders zu bewirken.
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Ferner ist es denkbar, dass die Vakuumfolie 26 erst nach dem Abschluss des Wickelverfahrens, das heißt nach dem Wickeln der Faser 18 um die Umlenkelemente 16 angebracht wird. Es können somit auch freie Schenkel umschlossen und mit Hilfe von Klemmvorrichtungen an jeweiligen Enden abgedichtet werden. Die Kompaktierung erhöht den Faservolumengehalt und ermöglicht das Zustandekommen eines homogenisierten Faserverbundes. Durch die Flexibilität der Positionierung der Umlenkelemente 16 und der durch die Umlenkelemente 16 gebildeten Umlenkpunkte auf dem Träger 10 können zumindest nahezu beliebige Geometrien erzeugt werden, wodurch aufwendige Werkzeugvorrichtungen entfallen können und eine besonders vorteilhafte Wandlungsfähigkeit realisiert werden kann. Die Problematik der geringen Verbundgüte lässt sich dadurch verbessern.
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Anhand von 5 ist eine zweite Ausführungsform des Verfahrens veranschaulicht. Im Rahmen der ersten Ausführungsform wird eine zumindest im Wesentlichen viereckige Struktur hergestellt, wobei im Rahmen der zweiten Ausführungsform zwei zumindest im Wesentlichen dreieckige Strukturen hergestellt werden können. Bei der zweiten Ausführungsform kommen vorliegend sechs Umlenkelemente 16 zum Einsatz, welche an jeweiligen Befestigungsstellen 12 der Trägers 10 bedarfsgerecht positioniert werden können.
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Das Verfahren und die Vorrichtung weisen folgende Vorteile auf: leichtbaugerechte Umsetzung von struktursteifen Elementen (zum Beispiel Dreiecke) und faserverbundgerechte Nutzung des Materials entlang seiner Vorzugsrichtung (Faserrichtung) in einem Fachwerk mit hohem Leichtbaugrad aufgrund der integralen Bauweise; Entfall von kostenintensiven Werkzeugvorrichtungen; wandlungsfähiges Verfahren durch wandlungsfähiges Werkzeugkonzept; hoher Leichtbaugrad durch Biegelastaufnahme (Zug-Druck) durch unidirektional verstärkten FVK, insbesondere kohlefaserverstärkten Kunststoff (CFK); Integration von Schmaltextilien (Gewebebänder oder ähnliches) für weitere Verstärkungsrichtung möglich; deutlich reduzierter Verschnitt gegenüber Schalenbauweisen; Integration von metallischen Komponenten im Wickelprozess möglich; Kombination unterschiedlicher Werkstoffe (Glas- und Kohlefaser) möglich; Entfall von Knotenelementen und Fügestellen; Entfall von Autoklav-, Injektions- oder Infusionsprozessen; schnelle Umsetzbarkeit von weiteren Strukturen durch Lochmuster in einer Drehplatte; schnelle Aushärtung durch Temperierung des als Wickelplatte fungierenden Trägers 10 und/oder der Umlenkelemente 16; geringerer Energieverbrauch eines Roboters bei Handhabung eines Greifers, mittels welchem beispielsweise die Faser 18 um die Umlenkelemente 16 gewickelt wird; höhere dynamische Tragfähigkeit der Struktur und somit schnelleres Handling durch den Roboter möglich; geringere Abnutzung des Robotergetriebes und Antriebsstrangs.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007027113 A1 [0002]
