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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Hybridbauteil aus einem Faserverbundbauteil und einer zumindest teilweise aus Metall gefertigten Krafteinleitungskomponente, auf einen Antrieb mit einem solchen Hybridbauteil und auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Hybridbauteils.
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Hintergrund der Erfindung
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Faserverstärkte Kunststoffe (sogenannte Faserverbundwerkstoffe oder FVK-Materialien) bestehen beispielsweise aus Kohlenstofffasern, die in ein Kunststoff-Matrixmaterial eingebettet sind. Bauteile aus solchen Materialen werden vorwiegend in Bereichen verwendet, in denen eine hohe Festigkeit der Bauteile bei gleichzeitiger Gewichtseinsparung gewünscht ist. Solche Faserverbund-Bauteile werden beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt, im Fahrzeugbau, als Druckbehälter oder anderen Gebieten wie Schwungräder zur Energiespeicherung verwendet. Eine Schwierigkeit liegt darin, die Bauteile aus Faserverbundmaterial mit den üblicherweise aus Metall gefertigten weiteren Komponenten eines Antriebs-, Bewegungs- oder Gelenkstrangs sicher und belastbar zu verbinden, ohne dabei die Struktur des Bauteils aus Faserverbundmaterial zu schwächen.
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WO 2012/152891 Al offenbart eine Wellenanordnung zum Übertragen von Drehmomenten von einer Nabe einer Windkraftanlage zu einem Generator, die an beiden Enden Verbindungselemente für eine mechanische Verbindung aufweist. Die Verbindungselemente werden jeweils von Endbereichen eines verbindenden Wellenrohres überlappt, wobei das Wellenrohr aus einem Faserverbundwerkstoff mit einer Vielzahl von Faserbündeln besteht. Die Verbindungselemente weisen im vom Wellenrohr überlappten Bereich eine Vielzahl von abstehenden Haltestiften auf, um die bzw. zwischen die die Faserbündel gelegt sind bzw. verlaufen, damit das Wellenrohr fest mit den Verbindungselementen verbunden werden kann, um die auftretenden Drehmomente übertragen zu können. Diese Verbindungselemente sind durch die Vielzahl an Haltestiften vom Aufbau her sehr kompliziert und daher nur mit hohem Aufwand bereitzustellen. Außerdem ist der Fertigungsaufwand bei der Herstellung der Faserverbundschicht kompliziert und weicht von den üblichen Herstellungsverfahren im Bereich des Verbindungselements ab, da hier die Fasern auf andere Art und Weise durch die Haltestifte hindurchgelegt werden müssen als es sonst bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils mit üblicher radialer Wicklung der Fall wäre.
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Es wäre daher wünschenswert, eine sichere und belastbare Verbindung zwischen einem Faserverbundbauteil und metallischen Komponenten herstellen zu können, die zudem einfach herzustellen ist und den Herstellungsprozess des Faserverbundbauteils so wenig wie möglich stört.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine sichere, belastbare und einfach herzustellende Verbindung eines Faserverbundbauteils mit einer metallischen Komponente bereitzustellen, die zudem den Herstellungsprozess des Faserverbundbauteils so wenig wie möglich stört.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Hybridbauteil nach Anspruch 1, einem Antrieb nach Anspruch 13 und einem Verfahren nach Anspruch 14. Das Hybridbauteil umfasst dazu ein hohlförmiges Faserverbundbauteil aus Faserverbundmaterial und zumindest eine Krafteinleitungskomponente zur Übertragung von Kräften über die Krafteinleitungskomponente auf das Faserverbundbauteil, wobei das Faserverbundbauteil entlang einer vorgesehenen Hauptachse ein erstes und ein zweites Ende umfasst, wobei zumindest das erste Ende ein offenes Ende ist und sich davon zumindest ein erster Bereich mit einer Innenseite zugewandt zur Hauptachse und einer gegenüberliegenden Außenseite entlang der Hauptachse erstreckt, der sich in Richtung des ersten Endes verjüngt, und die Krafteinleitungskomponente einen entsprechend geformten Innenkern zur Anlage an der Innenseite des ersten Bereichs und eine metallische Außenfassung mit einer inneren auf Innenkern und ersten Bereich angepassten Krafteinleitungsseite zur zumindest teilweisen Auflage auf der Außenseite des ersten Bereichs umfasst, wobei Innenkern und Außenfassung geeignet ausgestaltet sind, damit der Innenkern nach Aufsetzen der Außenfassung auf den ersten Bereich durch eine Zugverbindung durch das erste offene Ende hindurch so in Richtung der Außenfassung gezogen werden kann, dass dadurch ein geeigneter Presssitz der Außenfassung auf dem Faserverbundmaterials des ersten Bereichs hergestellt werden kann, um die Kräfte über die Krafteinleitungskomponente auf das Faserverbundbauteil übertragen zu können.
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Als Hybridbauteil wird hier ein Bauteil bezeichnet, das zumindest zwei Komponenten aus unterschiedlichen Materialien umfasst. In der vorliegenden Erfindung sind das zumindest das Faserverbundbauteil aus Faserverbundmaterial und die metallische Außenfassung aus Metall, beispielsweise aus Stahl. Die Krafteinleitungskomponente aus Innenkern und metallischer Außenfassung kann dabei je nach Ausführungsform aus demselben Material oder aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Hierbei kann der Innenkern beispielsweise ebenfalls aus Metall oder aus einem Kunststoffmaterial bestehen.
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Das Faserverbundbauteil aus Faserverbundmaterial ist dabei ein hohlförmiges Bauteil, um mit einem geeigneten Herstellungsprozess wie beispielsweise ein Wickelverfahren für Faserverbundmaterialien hergestellt zu werden und/oder die Positionierung eines Innenkerns als Teil der Krafteinleitungskomponente auf der Innenseite des Faserverbundmaterials zumindest im ersten Bereich zu erlauben. Damit dieser Innenkern sicher im Faserverbundbauteil zur Herstellung eines Presssitzes mit der Außenfassung gehalten werden kann, verjüngt sich zumindest der erste Bereich des Faserverbundbauteils zum jeweiligen Ende hin. Der Begriff „verjüngen“ bezeichnet eine Verkleinerung der Querschnittsfläche des ersten Bereichs senkrecht zur Hauptachse, die sich vom ersten Ende zum zweiten Ende des Faserverbundbauteils erstreckt. Das Faserverbundbauteil kann dabei je nach Anwendungsform unterschiedliche Hohlformen und Außenformen besitzen. Beispielsweise kann das Faserverbundbauteil außerhalb des sich verjüngenden Bereichs einen Hohlzylinder darstellen. In anderen Ausführungsformen könnte die Hohlform beispielsweise auch eine ovale oder andersartige Querschnittsfläche besitzen. Diese Querschnittsfläche außerhalb der sich verjüngenden Bereiche kann entlang der Hauptachse eine konstante Form besitzen. In einer anderen Ausführungsform könnte sich die Querschnittsfläche außerhalb der sich verjüngenden Bereiche entlang der Hauptachse in Form und/oder Größe verändern. Bei einem symmetrisch geformten Faserverbundbauteil ist die Hauptachse gleich der Symmetrieachse des Faserverbundbauteils. Die Hauptachse kann je nach Anwendung eine Dreh-, Zug- oder Schubachse sein, entlang der die zu übertragene Kraft als Drehmoment, Zugkraft oder Schubkraft übertragen wird. Als erstes oder zweites Ende werden die Seiten des Faserverbundbauteils bezeichnet, wo das Faserverbundbauteil parallel zur Hauptachse endet. Ein offenes Ende bezeichnet dabei ein Ende, das die Innenseite des Faserverbundbauteils nicht abschließt und somit eine Öffnung zur Innenseite bietet.
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Das Faserverbundmaterial umfasst im Allgemeinen zwei Hauptkomponenten, hier Fasern eingebettet in einem Matrixmaterial, das den festen Verbund zwischen den Fasern herstellt. Durch den Verbund erhält das Faserverbundmaterial höherwertige Eigenschaften wie beispielsweise eine hohe Festigkeit als jede der beiden einzelnen beteiligten Komponenten für sich alleine liefern könnte. Als Fasern können beispielsweise Glasfasern, Kohlenstofffasern, Keramikfasern, Stahlfasern, Naturfasern oder Nylonfasern verwendet werden. Als Matrixmaterialien können beispielsweise Duromere, Elastomere oder Thermoplaste verwendet werden. Die Materialeigenschaften der Fasern und Matrixmaterialien sind den Fachmann bekannt, so dass der Fachmann eine geeignete Kombination aus ersten Fasern und Matrixmaterialien zur Herstellung des Faserverbundbauteils für die jeweilige Anwendung auswählen kann. Hierbei kann das Faserverbundmaterial eine einzelne Faser oder mehrere gleiche oder unterschiedliche Fasern mit ähnlichen mechanischen Eigenschaften umfassen. In einer Ausführungsform ist die Faser eine Kohlenstofffaser und das Matrixmaterial ein Epoxidharz oder Polyurethanharz. Diese Matrixmaterialen ermöglichen eine besonders hohe Produktivität durch schnelles Aushärten bei gleichzeitig geringen Materialkosten.
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Der Begriff „Zugverbindung“ bezeichnet eine feste mechanische Koppelung zwischen Innenkern und Außenfassung, wobei beide Komponenten durch diese Verbindung zueinander gezogen werden und daher das dazwischen angeordnete Faserverbundmaterial einklemmen und somit einen Presssitz auf dem Faserverbundmaterial erzeugen. Die Krafteinleitung in das Hybridbauteil erfolgt dabei über sowohl Form- als auch Kraftschluss zwischen Innenkern und Krafteinleitungskomponente mit dem dazwischen angeordneten Faserverbundmaterial. Eine Verspannung von Innenkern und Krafteinleitungskomponente gegen das Laminat durch die Zugverbindung ist insbesondere dann notwendig, wenn der Innenkern Teil der Auflage ist, die zur Herstellung des Faserverbundbauteils verwendet wurde. Bedingt durch die in der Regel unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Innenkern und Faserverbundmaterial erfolgt eine Ablösung des Innenkerns vom Laminat bei der Abkühlung nach dem Aushärteprozess. Die Krafteinleitung erfolgt über Innenkern und Krafteinleitungskomponente, wobei der Innenkern bereits beim Herstellprozess der Faserverbundstruktur eingebracht werden kann. Sowohl Innenkern als auch Krafteinleitungskomponente können, insbesondere zur Übertragung großer Drehmomente, zusätzlich mit Formschlusselementen auf den Kontaktflächen des Innenkern und/oder der Krafteinleitungskomponente mit dem Faserverbundmaterial versehen werden.
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Mit dem erfindungsgemäßen Hybridbauteil wird eine sichere, leichte und belastbare Verbindung des Faserverbundbauteils mit der Krafteinleitungskomponente als die einer metallischen Komponente hergestellt, die mittels Aufsetzen der Krafteinleitungskomponenten auf das Faserverbundmaterial einfach herzustellen ist und den Herstellungsprozess des Faserverbundbauteils nicht stört, da die Krafteinleitungskomponente erst nach Herstellung des Faserverbundbauteils auf dieses aufgesetzt wird. Durch die vorliegende Erfindung ist es möglich, eine metallene Krafteinleitung in den Herstellungsprozess des Hybridbauteils zu integrieren, ohne dass das Faserverbundbauteil beispielsweise mit Löchern zur Anbringung von Schrauben oder mit zusätzlichen Haltestiften zur Befestigung an externen Komponenten versehen werden muss. Mit dem erfindungsgemäßen Hybridbauteil können Drehmomente sowie Zug- und Druckkräfte zuverlässig mit diesem gleichzeitig leichten Bauteil vorzugsweise entlang der Hautachse übertragen werden.
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In einer Ausführungsform kann die Krafteinleitungsseite der Außenfassung dabei eine Riffelung zum Eingreifen in das Faserverbundmaterial, auf dem die Krafteinleitungsseite aufliegt, umfassen. Die Riffelung greift damit zusätzlich zu den auf die inneren und äußeren Oberflächen des Faserverbundmaterial wirkenden Reibungskräften aufgrund des Presssitzes mechanisch in das Faserverbundmaterial ein und verankert damit die Außenfassung zusätzlich im Faserverbundmaterial.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der Innenkern ein Teil eines Auflagekerns für das Faserverbundmaterial bei einer Herstellung des Faserverbundbauteils im Hybridbauteil. Somit erfüllt der Innenkern eine Doppelfunktion (a) als Teil der Krafteinleitungskomponente und (b) als Komponente bei der Herstellung des Faserverbundbauteils. Dadurch braucht der Innenkern nicht nachträglich in dem Faserverbundbauteil angeordnet werden, was einen Herstellungsschritt bei der Herstellung des Hybridbauteils erspart. Zudem ist der Innenkern in idealer Weise bereits auf die Form der Innenseite des Faserverbundbauteils im hier ersten Bereich angepasst, da er selber als Auflage für das Faserverbundmaterial dessen spätere Form definiert. Das gleiche gilt auch für einen weiteren Innenkern im Falle eines sich am zweiten Ende verjüngenden zweiten Bereichs.
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In einer weiteren Ausführungsform weist der Innenkern auf seiner dem Faserverbundmaterial zugewandten Seite Vertiefungen auf, in die das Faserverbundmaterial bei der Herstellung des Faserverbundbauteils zumindest teilweise eingebracht wird. Hierbei können die Fasern und/oder das Harzmaterial in den Vertiefungen angeordnet beziehungsweise durch die Vertiefungen geführt (Fasern) sein. Die Vertiefungen verstärken zusätzlich die auf die inneren und äußeren Oberflächen des Faserverbundmaterial wirkenden Reibungskräfte, da die Fasern und/oder das Harzmaterial des Faserverbundmaterials des Faserverbundbauteils mechanisch in den Vertiefungen gehalten werden und verankert damit das Faserverbundmaterial zusätzlich am beziehungsweise im Innenkern.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die Vertiefungen entlang eines Wickelwinkels für Fasern des Faserverbundmaterials im Wickelbereich der Innenkerne ausgerichtet. Damit kann das Faserverbundmaterial durch den durch die Vertiefungen zusätzlich unterstützten Wickelprozess rutschfest in den Vertiefungen verankert werden, was den festen Presssitz des Innenkerns auf der Innenseite des ersten Bereichs (und gegebenenfalls des zweiten Bereich, sofern vorhanden) noch verstärkt.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Zugverbindung eine Schraubverbindung zwischen Innenkern und Außenfassung, wodurch der für die jeweilige Anwendung geeignete Presssitz der Außenfassung durch entsprechendes Anziehen der Schraubverbindung auf die gewünschte Stärke des Presssitzes eingestellt werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform ist ebenfalls das zweite Ende des Faserverbundbauteils ein offenes Ende und es erstreckt sich davon ein zweiter Bereich mit einer Innenseite zugewandt zur Hauptachse und einer gegenüberliegenden Außenseite entlang der Hauptachse, der sich in Richtung des zweiten Endes verjüngt, und das Hybridbauteil umfasst zwei Krafteinleitungskomponenten, wobei die zweite der Krafteinleitungskomponenten (analog zu der ersten der Krafteinleitungskomponenten im ersten Bereich) im zweiten Bereich zur Übertragung von Kräften vom Faserverbundbauteil auf ein anzutreibendes Bauteil, das mit der zweiten der Krafteinleitungskomponenten verbunden ist, angeordnet ist. Hierbei können in einer weiteren Ausführungsform die Innenkerne der beiden Krafteinleitungskomponenten zusammen mit einem zwischen den Innenkernen angeordneten Mittelteil einen gemeinsamen Auflagekern für das Faserverbundmaterial bei einer Herstellung des Faserverbundbauteils bilden, der nach Herstellung des Faserverbundbauteils im Hybridbauteil verbleibt.
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In einer weiteren Ausführungsform sind Innenkerne und das Mittelteil so geformt, dass die Innenkerne mittels einer lösbaren Steckverbindung für den Herstellungsprozess des Faserverbundbauteils mit dem Mittelteil verbunden werden können. Diese Steckverbindung ermöglicht es, den gewünschten Presssitz des Innenkerns auf der Innenseite des Faserverbundmaterials mittels Zugverbindung zu erzeugen, auch wenn der Innenkern nach dem Aushärteprozess durch Ablösen vom Faserverbundmaterial seinen direkten Kontakt zum Faserverbundmaterial zumindest für Bereiche des Innenkerns verlieren sollte. Bei etwaigen vorhandenen Vertiefungen auf der Außenseite des Innenkerns, durch die Faserverbundmaterial beim Herstellungsprozess hindurchgeführt wird, können die Vertiefungen so tief ausgeführt sein, dass zumindest in den Vertiefungen das Faserverbundmaterial seinen Kontakt zum Innenkern nicht verliert oder zumindest dauerhaft in die Vertiefungen hineinragt, sodass das Faserverbundmaterial nach Herstellung der Zugverbindung erneut in die Vertiefungen hineingedrückt wird, was die Festigkeit des Presssitzes des Innenkerns zusätzlich verstärkt.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die Innenkerne zumindest an Ihren vom Mittelteil wegweisenden Enden geschlossen. Somit lassen sich Zugverbindungen, beispielsweise Schraubverbindungen zwischen Innenkern und Außenfassung leichter realisieren. In einer weiteren Ausführungsform sind die Innenkerne und das Mittelteil jeweils Hohlkörper, vorzugsweise ist das Mitteilteil ein beidseitig offener Hohlkörper. Damit kann der verbleibende Auflagekern mit geringem Gewicht ausgeführt werden, was zu leichteren Hybridbauteilen führt.
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In einer weiteren Ausführungsform sind zumindest der erste Bereich sowie der Innenkern und die Außenfassung der Krafteinleitungskomponente konusförmig ausgestaltet. Sofern im Hybridbauteil am zweiten Ende eine zweite Krafteinleitungskomponente angeordnet ist, kann voranstehende Konusform auch für den zweiten Bereich sowie den Innenkern und die Außenfassung der zweiten Krafteinleitungskomponente gelten. In einer Ausführungsform sind die Bereiche des Faserverbundbauteils außerhalb des ersten Bereichs beziehungsweise zwischen den ersten und zweiten Bereichen zylindrisch geformt. In einer weiteren Ausführungsform bestehen die Krafteinleitungskomponenten aus einem oder mehreren Materialen, beispielsweise aus Stahl.
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Die Erfindung bezieht sich des Weiteren auf einen Antrieb umfassend ein erfindungsgemäßes Hybridbauteil als Kraftübertragungskomponente, einen Motor und ein anzutreibendes Bauteil, wobei der Motor und das anzutreibende Bauteil über die Kraftübertragungskomponente miteinander verbunden sind. Die Kraftübertragungskomponente kann dabei eine Antriebswelle, eine Zug- oder eine Schubstange sein. Mit diesem Antrieb lassen sich Kräfte über das Hybridbauteil sicher und belastbar übertragen, wobei der Antrieb durch das Faserverbundbauteil im Hybridbauteil als Kraftübertragungskomponente zudem gewichtsreduziert ist. Mit dem erfindungsgemäßen Antrieb können Drehmomente sowie Zug- und Druckkräfte zuverlässig mit diesem gleichzeitig leichten Bauteil vorzugsweise entlang der Hautachse übertragen werden.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Hybridbauteils aus einem hohlförmigen Faserverbundbauteil aus Faserverbundmaterial und zwei Krafteinleitungskomponenten zur Übertragung von Kräften zwischen Krafteinleitungskomponente und Faserverbundbauteil, umfassend die Schritte
- - Bereitstellen eines Auflagekerns mit zwei gegenüberliegenden Enden für das darauf aufzubringende Faserverbundmaterial, wobei der Auflagekern zwei Innenkerne und ein zwischen den Innenkernen angeordnetes Mittelteil umfasst, wobei sich zumindest die Innenkerne jeweils in Richtung der Enden des Auflagekerns verjüngen,
- - Aufbringen des Faserverbundmaterials auf den Auflagekern, vorzugsweise mittels eines Wickelverfahrens, bis zur Herstellung eines hohlförmigen Faserverbundbauteils mit einem offenen ersten und zweiten Ende und sich davon entlang einer Hauptachse erstreckenden ersten und zweiten Bereiche mit jeweils einer Innenseite zugewandt zur Hauptachse und einer gegenüberliegenden Außenseite, wobei sich zumindest die ersten und zweiten Bereiche des Faserverbundbauteils gemäß der sich verjüngenden Innenkerne in Richtung der ersten und zweiten Enden ebenfalls verjüngen,
- - Aufsetzen von metallischen Außenfassungen mit einer inneren auf die Innenkerne und die ersten und zweiten Bereiche angepassten Krafteinleitungsseiten auf die Außenseiten der ersten und zweiten Bereiche,
- - Herstellen eine Zugverbindung zwischen den für eine solche Zugverbindung geeignet ausgestalteten Innenkerne und Außenfassungen durch die offenen ersten und zweiten Enden hindurch, die zusammen die Krafteinleitungskomponenten bilden, bis ein geeigneter Presssitz der Außenfassungen auf dem Faserverbundmaterial des ersten und zweiten Bereichs hergestellt ist, um die Kräfte zwischen den Krafteinleitungskomponenten und dem Faserverbundbauteil übertragen zu können.
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Der Herstellprozess mit beidseitigen Krafteinleitungskomponenten an dem Hybridbauteil erfordert die Verwendung eines Auflagekerns, der im späteren Hybridbauteil verbleibt und damit einen „verlorenen Kerns“ darstellt, um den Innenkonus innerhalb des Laminates zu positionieren. Der Auflagekern umfasst dabei beidseitig jeweils den Innenkern mit einem dazwischen angeordneten Mittelteil des Auflagekerns. Im Gegensatz zum normalen Herstellprozess für das Faserverbundbauteil (z.B. Wickelverfahren) wird hier keine gesonderte Form (z.B. Wickeldorn) benötigt. Der „verlorene Kern“ kann aus allen formstabilen Materialien bestehen, z.B. thermoplastischer Kunststoff, Metall, duroplastischer faserverstärkter Kunststoff (beispielsweise sogenannte pultrudierte GfK- oder CfK-Rohre). Darüber hinaus ist die Verwendung von herauslösbaren Dornen beispielsweise aus mit PVA (Polyvinylalkohol) gebundenem Formsand denkbar. Bei geeigneter Wahl kann der verlorene Kern als mittragend ausgeführt sein, beispielsweise kann ein pultrudiertes unidirektional verstärktes Rohr als Faserverbundbauteil zur Erhöhung der Biegesteifigkeit beziehungsweise der biegekritischen Drehzahl des Hybridbauteils beitragen. Das Pultrusionsverfahren ermöglicht eine 0° Verstärkungsrichtung, die beispielsweise im Wickelverfahren nur schwierig zu bewerkstelligen ist. Im Gegenzug kann im Wickelverfahren beispielsweise eine Faserwicklung mit einem Faserwinkel von +/-45° oder eine Faserwicklung mit einem Faserwinkel von ungefähr 90° als Verstärkungslage im Faserverbundbauteil leicht umgesetzt werden. Als Faserwinkel wird dabei der Winkel zwischen der Hauptachse und der auf die Hauptachse projizierten Richtung des Faserverlaufs bezeichnet. Mit einer Kombination, wie oben beschrieben, können die Vorteile beider Herstellverfahren genutzt werden. Um den Auflagekern bestehend aus Innenkern und rohrförmigen Mittelteil bewickeln zu können, müssen beide Enden mit einer Verlängerung versehen werden, auf der die Verstärkungsfasern „gewendet“ werden können. Der Durchmesser der Verlängerungen entspricht in der Regel dem kleinen Konusdurchmesser der Innenkern bei einer Konusform der Innenkerne. Diese Verlängerungen werden nach dem Aushärten des Laminates wieder entfernt. Das ausgehärtete Laminat (Faserverbundmaterial) kann dann soweit abgelängt werden, dass es leicht über den jeweiligen Innenkern heraussteht.
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Zur Aufbringung der Krafteinleitungskomponente gibt es verschiedene Möglichkeiten:
- 1. Bearbeitung des Laminates (Faserverbundmaterials) zur Herstellung der Gegenfläche der Krafteinleitungskomponente nach dem Aushärten (und gegebenenfalls Ablängen). Die Bearbeitung erfolgt vorzugsweise durch Drehen oder Schleifen des Faserverbundmaterials, wobei die grundsätzliche Form des ersten und gegebenenfalls zweiten Bereichs, beispielsweise eine Konusform, bereits durch den Herstellungsprozess des Faserverbundbauteils, beispielsweise mittels eines Wickelprozesses, erzeugt wurde.
- 2. Aufsetzen von Formstücken auf das noch nasse Laminat zur Herstellung der Gegenfläche vor dem Aushärten; hier können auch gleichzeitig weitere Formschlüsse außen im Laminat erzeugt werden.
- 3. Aufsetzen der Krafteinleitungskomponente nach dem Aushärten, wobei zwischen Laminat und Krafteinleitungskomponente eine aushärtende Formmasse z.B. Klebstoff, gefülltes Epoxidharz eingebracht wird, um eine flächige Kraftübertragung zwischen Krafteinleitungskomponente und Laminat zu gewährleisten. Hier wird je nach Belastung und gewählter Formmasse ggf. eine weitere Temperaturbehandlung des Hybridbauteils notwendig.
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In jedem Fall müssen Innenkern, Krafteinleitungskomponente und dazwischenliegendes Laminat (Faserverbundmaterial des Faserverbundbauteils) nach dem Aushärten miteinander verspannt werden. Hierzu ist es notwendig, dass sich der oder die Innenkerne axial bewegen können, sie dürfen also nicht mit dem Mittelteil des Auflagekerns starr verbunden sein. Die Verspannung miteinander wird durch die Zugverbindung hergestellt.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Hybridbauteils umfasst dieses vor dem Aufsetzen der metallischen Außenfassungen auf die ersten und zweiten Bereiche zusätzlich die weiteren Schritte:
- - Aushärten des Faserverbundmaterials,
- - Bearbeiten zumindest der Außenseiten der ersten und zweiten Bereiche zur Vorbereitung der Außenseiten für das Aufsetzen der Krafteinleitungskomponente.
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Die Bearbeitung kann dabei beispielsweise mittels Drehen oder Schleifen des Faserverbundmaterials erfolgen, wobei die grundsätzliche Form des ersten und gegebenenfalls zweiten Bereichs, beispielsweise eine Konusform, bereits durch den Herstellungsprozess des Faserverbundbauteils, beispielsweise mittels eines Wickelprozesses, erzeugt wurde und die Bearbeitung zur Vorbereitung der Außenseiten für das Aufsetzen der Krafteinleitungskomponente dient, beispielsweise werden dabei Rauigkeiten auf den Außenflächen entfernt, sodass die Krafteinleitungsseite der Außenfassung ganzflächig auf der Außenseite der ersten und zweiten Bereiche anliegen kann.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Hybridbauteils umfasst dieses vor dem Aufsetzen der metallischen Außenfassungen zusätzlich die weiteren Schritte:
- - Aufsetzen von Formstücken auf die Außenseiten der ersten und zweiten Bereiche vor einem Aushärten des Faserverbundmaterials zur Vorbereitung der Außenseiten für das Aufsetzen der Krafteinleitungskomponente,
- - Aushärten des Faserverbundmaterials, und
- - Entfernen der Formstücke.
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Hierbei können auch gleichzeitig weitere Formschlüsse außen im noch nassen (nicht ausgehärteten) Faserverbundmaterial erzeugt werden
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In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Hybridbauteils umfasst dieses den weiteren Schritt des Einbringens einer aushärtenden Formmasse zwischen Faserverbundmaterial und Außenfassung vor dem Aufsetzen von metallischen Außenfassungen. Diese Formmasse kann beispielsweise Klebstoff, vorzugsweise Epoxidharz, sein. Mit dieser Formmasse wird eine verbesserte flächige Kraftübertragung zwischen Außenfassung und Faserverbundbauteil gewährleistet. Je nach Belastung und gewählter Formmasse kann eine weitere Temperaturbehandlung des Hybridbauteils zur Aushärtung oder Bearbeitung der Formmasse notwendig sein. Die Formmasse kann dabei auf die Krafteinleitungsseite der Außenfassung und/oder auf die Außenseite der ersten und/oder zweiten Bereiche aufgebracht werden.
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Figurenliste
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Diese und andere Aspekte der Erfindung werden im Detail in den Abbildungen wie folgt gezeigt:
- 1: eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hybridbauteils im seitlichen Schnitt vor und nach dem Aufsetzen der metallischen Außenfassung auf das Faserverbundbauteil;
- 2: eine weitere Ausführungsform eines Teils des erfindungsgemäßen Hybridbauteils im seitlichen Schnitt mit Krafteinleitungskomponenten auf beiden Seiten des Faserverbundbauteils;
- 3: eine weitere Ausführungsform der metallischen Außenfassung im seitlichen Schnitt mit Riffelung auf der Krafteinleitungsseite;
- 4: eine weitere Ausführungsform des Innenkerns in Draufsicht auf das vom Mittelteil des Auflagekerns wegweisende Ende des Innenkerns mit Vertiefungen, in die das Faserverbundmaterial bei der Herstellung des Faserverbundbauteils eingebracht werden kann;
- 5: eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebs mit dem erfindungsgemäßen Hybridbauteil; und
- 6: eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des erfindungsgemäßen Hybridbauteils.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hybridbauteils 1 im seitlichen Schnitt vor und nach dem Aufsetzen der metallischen Außenfassung 32 auf das Faserverbundbauteil 2. Das Hybridbauteil 1 umfasst dabei ein hohlförmiges Faserverbundbauteil 2 aus Faserverbundmaterial FVM, das entlang einer vorgesehenen Hauptachse R ein erstes und ein zweites Ende 21, 22 umfasst, wobei das zweite Ende 22 hier nicht gezeigt ist. Das erste Ende 21 ist hier ein offenes Ende, von dem sich ein erster Bereich 23 mit einer Innenseite 23i zugewandt zur Hauptachse R und mit einer gegenüberliegenden Außenseite 23a entlang der Hauptachse R erstreckt. Außerhalb des ersten Bereich 23 ist das Faserverbundbauteil 2 hier als hohlförmiger Zylinder ausgeführt. Der erste Bereich 23 verjüngt sich dabei in Richtung des ersten Endes 21. Das Hybridbauteil 1 umfasst des Weiteren ein oder zwei Krafteinleitungskomponente 3 zur Übertragung von Kräften K über die Krafteinleitungskomponente 3 auf das Faserverbundbauteil 2, wobei hier nur eine Krafteinleitungskomponente 3 am ersten Ende 21 gezeigt ist. Die Übertragung der Kräfte K kann dabei erst nach Aufsetzen der Krafteinleitungskomponente 3 auf das Faserverbundbauteil 2 erfolgen. Zur besseren Übersicht ist hier das Hybridbauteil 1 vor und nach Aufsetzen 130 der Krafteinleitungskomponente 3 auf das Faserverbundbauteil 2 gezeigt. Die Krafteinleitungskomponente 3 umfasst einen entsprechend geformten Innenkern 31 zur Anlage an der Innenseite 23i des ersten Bereichs 23 und eine metallische Außenfassung 32 mit einer inneren auf Innenkern 31 und ersten Bereich 23 angepassten Krafteinleitungsseite 32i zur zumindest teilweisen Auflage auf der Außenseite 23a des ersten Bereichs 23 nach erfolgtem Aufsetzen 130. Innenkern 31 und Außenfassung 32 sind dabei geeignet ausgestaltet, damit der Innenkern 31 nach Aufsetzen der Außenfassung 32 auf den ersten Bereich 23 durch eine Zugverbindung 33 durch das erste offene Ende 21 hindurch so in Richtung der Außenfassung 32 gezogen werden kann, dass dadurch ein geeigneter Presssitz der Außenfassung 32 auf dem Faserverbundmaterials FVM des ersten Bereichs 23 hergestellt werden kann, um die Kräfte K über die Krafteinleitungskomponente 3 auf das Faserverbundbauteil 2 übertragen zu können. Der Innenkern kann aus jedem dafür geeigneten Material bestehen. Die Außenfassung besteht beispielsweise als Stahl. Der Innenkern 31 kann dabei nachträglich in das Faserverbundbauteil 2 eingebracht werden (Voraussetzung ist eine entsprechende geeignet große Öffnung auf der anderen Seite des Faserverbundbauteils) oder kann ein Teil eines Auflagekerns 4 für das Faserverbundmaterial FVM bei einer Herstellung des Faserverbundbauteils 2 im Hybridbauteil 1 sein, der dann einfach im Faserverbundbauteil verbleibt. In dieser Ausführungsform ist die Zugverbindung 33 als eine Schraubverbindung zwischen Innenkern 31 und Außenfassung 32 ausgestaltet, wodurch der geeignete Presssitz der Außenfassung 32 durch entsprechendes Anziehen der Schraubverbindung 33 eingestellt werden kann. Hierbei besitzt der Innenkern 31 ein zur Außenfassung 32 hin offenes Innengewinde, in das die sich in der Außenfassung 32 befindliche Schraube hineingeschraubt wird. In dieser Ausführungsform ist der erste Bereich 23 sowie der Innenkern 31 und die Außenfassung 32 der Krafteinleitungskomponente 3 konusförmig ausgestaltet.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Teils des erfindungsgemäßen Hybridbauteils 1 im seitlichen Schnitt mit Krafteinleitungskomponenten 3 auf beiden Seiten des Faserverbundbauteils 2. Hierbei ist für die Beschreibung der einen Seite des Hybridbauteils 1 mit erstem Ende 21 auf 1 verwiesen. In der in 2 gezeigten Ausführungsform ist das zweite Ende 22 des Faserverbundbauteils ebenfalls ein offenes Ende, von dem sich ein zweiter Bereich 24 mit einer Innenseite 24i zugewandt zur Hauptachse R und einer gegenüberliegenden Außenseite 24a entlang der Hauptachse R erstreckt, der sich in Richtung des zweiten Endes 22 verjüngt. Das Hybridbauteil 1 umfasst zwei Krafteinleitungskomponenten 3, wobei die zweite der Krafteinleitungskomponenten 3 im zweiten Bereich 24 analog zu der ersten der Krafteinleitungskomponenten 3 im ersten Bereich 23 zur Übertragung von Kräften K vom Faserverbundbauteil 2 auf ein anzutreibendes Bauteil 52, das mit der zweiten der Krafteinleitungskomponenten 3 verbunden ist, angeordnet ist. Für die Ausgestaltung der zweiten Krafteinleitungskomponente 3 sei auf die Krafteinleitungskomponente aus 1 verwiesen. Die Innenkerne 31 der beiden Krafteinleitungskomponenten 3 bilden zusammen mit dem zwischen den Innenkernen 31 angeordneten Mittelteil 41 einen gemeinsamen Auflagekern 4 für das Faserverbundmaterial FVM bei einer Herstellung des Faserverbundbauteils 2 und verbleiben nach der Herstellung des Faserverbundbauteils 2 im Hybridbauteil 1. Hierbei sind die Innenkerne 31 und das Mittelteil 41 so geformt, dass die Innenkerne 31 mittels einer lösbaren Steckverbindung für den Herstellungsprozess des Faserverbundbauteils 2 mit dem Mittelteil 41 verbunden wurden, die zur Herstellung des Presssitzes der Krafteinleitungskomponenten 3 auf dem Faserverbundbauteil 2 wieder gelöst werden können, sodass die Innenkerne 31 durch die Zugverbindung frei Richtung Außenfassungen 32 gezogen werden können. Vorzugsweise sind die Innenkerne 31 zumindest an Ihren vom Mittelteil 41 wegweisenden Enden 312 geschlossen. Zur Verringerung des Gewichts des Hybridbauteils sind die Innenkerne 31 und das Mittelteil 41 vorzugsweise Hohlkörper. Hierbei ist das Mittelteil 41 ein beidseitig offener Hohlkörper.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform der metallischen Außenfassung 32 im seitlichen Schnitt mit Riffelung 321 auf der Krafteinleitungsseite 32i, die zum Eingreifen in das Faserverbundmaterial FVM, auf dem die Krafteinleitungsseite 32i nach Herstellung des Presssitzes aufliegt, vorgesehen ist. Die Riffelung 321 greift damit zusätzlich zu den auf die inneren und äußeren Oberflächen 23i, 23a, 24i, 24a des Faserverbundmaterial wirkenden Reibungskräften aufgrund des Presssitzes mechanisch in das Faserverbundmaterial FVM ein und verankert damit die Außenfassung 32 zusätzlich im Faserverbundmaterial FVM.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Innenkerns 31 in Draufsicht auf vom Mittelteil 41 des Auflagekerns 4 wegweisende Ende 312 des Innenkerns 31 mit Vertiefungen 311, in die das Faserverbundmaterial bei der Herstellung des Faserverbundbauteils eingebracht werden kann. Die Vertiefungen 311 können dabei entlang eines Wickelwinkels für Fasern F des Faserverbundmaterials FVM im Wickelbereich der Innenkerne 31 ausgerichtet sein. Der hier gezeigte Innenkern 31 besitzt dabei eine sich in Richtung des Endes 312 verjüngende Konusform.
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5 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebs 5 mit dem erfindungsgemäßen Hybridbauteil 1 als Kraftübertragungskomponente sowie einem Motor 51 und einem anzutreibenden Bauteil 52, wobei sowohl der Motor 51 als auch das anzutreibende Bauteil 52 über die Krafteinleitungskomponenten 3 fest mit dem Hybridbauteil 1 verbunden sind und somit sowohl der Motor 51 als auch das anzutreibende Bauteil 52 über das Hybridbauteil als die Kraftübertragungskomponente 1 sicher und zuverlässig miteinander verbunden sind. Mit dem erfindungsgemäßen Antrieb 5 können Drehmomente K sowie Zug- und Druckkräfte K zuverlässig bei gleichzeitigem leichtem Baugewicht vorzugsweise entlang der Hautachse R übertragen werden.
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6 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens 100 zur Herstellung des erfindungsgemäßen Hybridbauteils 1, das die folgenden Schritte umfasst:
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Bereitstellen 110 eines Auflagekerns 4 mit zwei gegenüberliegenden Enden 312 für das darauf aufzubringende Faserverbundmaterial FVM, wobei der Auflagekern 4 zwei Innenkerne 31 und ein zwischen den Innenkernen 31 angeordnetes Mittelteil 4 umfasst, wobei sich zumindest die Innenkerne 31 jeweils in Richtung der Enden 312 des Auflagekerns 4 verjüngen; Aufbringen 120 des Faserverbundmaterials FVM auf den Auflagekern 4, vorzugsweise mittels eines Wickelverfahrens, bis zur Herstellung eines hohlförmigen Faserverbundbauteils 2 mit einem offenen ersten und zweiten Ende 21, 22 und sich davon entlang einer Hauptachse R erstreckenden ersten und zweiten Bereichen 23, 24 mit jeweils einer Innenseite 23i, 24i zugewandt zur Hauptachse R und einer gegenüberliegenden Außenseite 23a, 24a, wobei sich zumindest die ersten und zweiten Bereiche 23, 24 des Faserverbundbauteils 2 gemäß der sich verjüngenden Innenkerne 31 in Richtung der ersten und zweiten Enden 21, 22 ebenfalls verjüngen; Aufsetzen 130 von metallischen Außenfassungen 32 mit einer inneren auf die Innenkerne 31 und die ersten und zweiten Bereiche 23, 24 angepassten Krafteinleitungsseiten 32i auf die Außenseiten 23a, 24a der ersten und zweiten Bereiche 23, 24; Herstellen 140 einer Zugverbindung 33 zwischen den für eine solche Zugverbindung 33 geeignet ausgestalteten Innenkerne 31 und Außenfassungen 32 durch die offenen ersten und zweiten Enden 21, 22 hindurch, die zusammen die Krafteinleitungskomponenten 3 bilden, bis ein geeigneter Presssitz der Außenfassungen 32 auf dem Faserverbundmaterial FVM des ersten und zweiten Bereichs 23, 24 hergestellt ist, um die Kräfte K zwischen den Krafteinleitungskomponenten 3 und dem Faserverbundbauteil 2 übertragen zu können. Hierbei kann das Verfahren in einer Ausführungsform vor dem Aufsetzen 130 der metallischen Außenfassungen 32 auf die ersten und zweiten Bereiche 23, 24 zusätzlich die weiteren Schritte des Aushärtens 150 des Faserverbundmaterials FVM und des Bearbeitens 160 zumindest der Außenseiten 23a, 24a der ersten und zweiten Bereiche 23, 24 zur Vorbereitung der Außenseiten 23a, 24a für das Aufsetzen 130 der Krafteinleitungskomponente 3 umfassen. In einer alternativen Ausführungsform kann das Verfahren vor dem Aufsetzen 130 der metallischen Außenfassungen 32 stattdessen zusätzlich die weiteren Schritte des Aufsetzens 170 von Formstücken 6 auf die Außenseiten 23a, 24a der ersten und zweiten Bereiche 23, 24 vor einem Aushärten 150 des Faserverbundmaterials FVM zur Vorbereitung der Außenseiten 23a, 24a für das Aufsetzen 130 der Krafteinleitungskomponente 3, des Aushärtens 150 des Faserverbundmaterials FVM, und des Entfernens 180 der Formstücke 6 umfassen. In einer weiteren Ausführungsform kann das Verfahren zusätzlich den weiteren Schritt des Einbringens 190 einer aushärtenden Formmasse zwischen Faserverbundmaterial FVM und Außenfassung 32 vor dem Aufsetzen 130 von metallischen Außenfassungen 32 umfassen
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Die hier gezeigten Ausführungsbeispiele stellen nur Beispiele für die vorliegende Erfindung dar und dürfen daher nicht einschränkend verstanden werden. Alternativen durch den Fachmann in Erwägung gezogene Ausführungsformen sind gleichermaßen vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung umfasst.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hybridbauteil, Kraftübertragungskomponente
- 2
- Faserverbundbauteil
- 21
- erstes Ende des Faserverbundbauteils
- 22
- zweites Ende des Faserverbundbauteils
- 23
- erster Bereich
- 23i
- Innenseite des ersten Bereichs
- 23a
- Außenseite des ersten Bereichs
- 24
- zweiter Bereich
- 24i
- Innenseite des zweiten Bereichs
- 24a
- Außenseite des zweiten Bereichs
- 3
- Krafteinleitungskomponente
- 31
- Innenkern der Krafteinleitungskomponente
- 311
- Vertiefungen
- 312
- vom Mittelteil 41 wegweisendes Ende des Innenkerns
- 32
- Außenfassung der Krafteinleitungskomponente
- 32i
- Krafteinleitungsseite der Krafteinleitungskomponente
- 321
- Riffelung auf der Krafteinleitungsseite
- 33
- Zugverbindung
- 4
- Auflagekern
- 41
- Mittelteil des Auflagekerns
- 5
- Antrieb
- 51
- Motor im Antrieb
- 52
- anzutreibendes Bauteil im Antrieb
- 6
- Formstücke zum Aufsatz auf die Außenseiten der ersten und zweiten Bereiche
- 100
- Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Hybridbauteils
- 110
- Bereitstellen des Auflagekerns
- 120
- Aufbringen des Faserverbundmaterials auf den Auflagekern
- 130
- Aufsetzen von metallischen Außenfassungen auf die Innenkerne und die ersten und zweiten Bereiche des Faserverbundbauteils
- 140
- Herstellen eine Zugverbindung zwischen Innenkern und Außenfassung
- 150
- Aushärten des Faserverbundmaterials
- 160
- Bearbeiten der Außenseiten der ersten und/oder zweiten Bereiche
- 170
- Aufsetzen von Formstücken auf die Außenseiten der ersten und/oder zweiten Bereiche vor einem Aushärten des Faserverbundmaterial
- 180
- Entfernen der Formstücke
- 190
- Einbringens einer aushärtenden Formmasse zwischen Faserverbundmaterial und Außenfassung
- F
- Faser des Faserverbundmaterials
- FVM
- Faserverbundmaterial
- K
- zu übertragene Kraft (Drehmoment, Zugkraft, Schubkraft)
- R
- Hauptachse (Dreh-, Zug- oder Schubachse)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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