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Die Erfindung betrifft eine elektrische Leitung mit einem Außenmantel, wobei der Außenmantel mehrere Mantelschichten umfasst, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Leitung.
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Elektrische Leitungen kommen in vielen technischen Gebieten zum Einsatz. Beispielsweise sind sie auch Bestandteil von Kraftfahrzeugen, wo sie insbesondere bei hybrid-elektrischen oder vollelektrischen Fahrzeugen verwendet werden. Generell benötigt jede elektrische Leitung zum Schutz gegen mechanische und elektrische Fehlereinflüsse einen Außenmantel. Der Aufbau dieses Außenmantels hängt dabei vom Anwendungsbereich der elektrischen Leitung ab, wobei er beispielsweise hinsichtlich Dichtigkeit oder hinsichtlich einer Vermeidung von plastischen Verformungen gestaltet werden kann. Um die jeweils notwendigen Eigenschaften zu erreichen, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, dass der Außenmantel aus mehreren Schichten aufgebaut werden kann.
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So zeigt die Druckschrift
EP 2 426 673 B1 eine elektrische Leitung, bei der zwischen dem von einem Innenmantel ummantelten Inneren der Leitung und einem Außenmantel ein zusätzlicher Zwischenmantel vorhanden ist, wobei der Außenmantel auf dem Zwischenmantel aufliegt. Bei dieser Anordnung erfüllt der Außenmantel den Zweck, dass die Leitung trinkwassergeeignet und gegen mikrobiellen Bewuchs beständig ist.
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In der Druckschrift
DE 34 44 500 C2 wird ein Kabel offenbart, dessen aus einer oder mehreren Adern bestehende Seele von einer Umhüllung aus isolierenden Werkstoffen umgeben ist. Dabei ist vorgesehen, dass die außenliegende Schicht dieser Umhüllung ganz oder teilweise aus einem thermoplastischen, strahlenvernetzten Polyurethan besteht, um die Seele gegen äußere mechanische Beanspruchung zu schützen sowie bei Hitzeeinwirkung zumindest über eine gewisse Zeit die schützende Funktion des Außenmantels zu erhalten.
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Druckschrift
US 2015/279 515 A1 offenbart ein Kabel mit einem zweischichtigen Außenmantel, bei dem die äußerste Schicht aus einem biokompatiblen Material besteht, wobei die darunterliegende Mantelschicht als Pufferschicht fungiert und aus einem elastischen Material besteht, um eine Stabilität des Außenmantels auch bei mechanischen Beanspruchungen und gleichzeitiger Biokompatibilität zu gewährleisten.
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In der Druckschrift
EP 2 591 478 A1 wird ein selbsttragendes Kabel offenbart, welches einen aus zwei Schichten bestehenden Mantel aufweist, wobei diese Schichten so gestaltet sind, dass diese sich relativ zueinander in longitudinaler Richtung bewegen können, um ein Biegen des Kabels zu vereinfachen.
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Nachteilig bei in dieser Art aufgebauten Außenwänden für elektrische Leitungen ist, dass nicht zwischen jeder Materialkombination von Mantelschichten eine ausreichende Haftung zwischen den Mantelschichten gewährleistet ist, was beim Einwirken mechanischer Kräfte zu einer Verformung des Außenmantels führen kann, wodurch seine Schutzfunktion für das Innere der Leitung beeinträchtigt wird.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Leitung mit einem Außenmantel anzugeben, der aus mehreren Schichten besteht und bei dem die Schichten unabhängig von der Materialwahl eine ausreichend stabile Verbindung eingehen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass wenigstens zwei Mantelschichten an ihren einander zugewandten Seitenflächen Eingriffsstrukturen aufweisen, wobei die Eingriffsstrukturen der einen Mantelschicht in die Eingriffsstrukturen der anderen Mantelschicht eingreifen.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass durch das Eingreifen der Eingriffsstrukturen ineinander eine verbesserte formschlüssige Verbindung zwischen den beiden Mantelschichten erreicht wird. Somit wird beispielsweise bei zwei Mantelschichten, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen und die nur unzureichend aufeinander haften, eine stabile Verbindung zwischen den beiden Mantelschichten erreicht und ein Ablösen, Aufwellen oder Dehnen, insbesondere der außenliegenden Mantelschicht als Folge von mechanischer Beanspruchung, unterbunden. Dabei können insbesondere die Eingriffsstrukturen einer innenliegenden, ersten Mantelschicht und die Eingriffsstrukturen einer diese erste Mantelschicht umgebenden zweiten Mantelschicht komplementär zueinander geformt sein, um eine möglichst große Kontaktfläche des Eingriffs der Eingriffsstrukturen untereinander zu erhalten. Das zu ummantelnde Innere der elektrischen Leitung kann dabei beliebig ausgeführt sein. Beispielsweise ist es möglich, ein- oder mehradrige Leitungen zu ummanteln, wobei die Ader oder die Adern der Leitung im Inneren einen ein- oder mehrschichtigen Innenmantel und/oder eine Ummantelung aus einer oder mehrerer Isolationsschichten aufweisen können.
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Erfindungsgemäß kann die elektrische Leitung so ausgeführt werden, dass wenigstens eine Mantelschicht an zwei gegenüberliegenden Seitenflächen Eingriffsstrukturen aufweist, wobei die Eingriffsstrukturen jeder Seitenfläche in Eingriffsstrukturen einer anderen, der jeweiligen Seitenfläche zugewandten Mantelschicht eingreifen. Dadurch wird es ermöglicht, einen mehrschichtigen Stapel aus über Eingriffsstrukturen formschlüssig verbundenen Mantelschichten zu bilden, bei denen die Mantelschichten untereinander durch ihre ineinander eingreifenden Eingriffsstrukturen verbunden sind. Es ist auch möglich, dass bei einem aus mehreren Schichten bestehenden Außenmantel ein Teil der Schichten glatt aufeinander aufliegt und keine Eingriffsstrukturen an der Grenzfläche zu einer anderen Schicht aufweist, wohingegen der andere Teil über Eingriffsstrukturen an den Grenzflächen der Mantelschichten miteinander verbunden ist. Dabei können verschiedene Materialien für die jeweiligen Mantelschichten verwendet werden, so dass für den gesamten Außenmantel verschiedene Materialkombinationen und/oder Materialfolgen realisiert werden können.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass sich die Eingriffsstrukturen beim Eingreifen einander hintergreifen. Durch dieses Hintergreifen kann die Stabilität der formschlüssigen Verbindung, die durch das Eingreifen der Eingriffsstrukturen zweier Mantelschichten gebildet wird, weiter gesteigert werden. Das Hintergreifen kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Eingriffsstrukturen einer ersten Mantelschicht in ihrem Querschnitt eine hinterschnittene Geometrie aufweisen, wobei die Eingriffsstrukturen einer zweiten Mantelschicht beim Eingreifen in die Eingriffsstrukturen der ersten Mantelschicht in den hinterschnittenen Raum greifen. Dadurch wird ein Ablösen der Mantelschicht bei einer beispielsweise orthogonal zur Kontaktfläche zwischen den Mantelschichten angreifenden Kraft verhindert.
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Die Eingriffsstrukturen können so ausgestaltet werden, dass sie im Querschnitt trapezförmig, I-förmig, L-förmig, T-förmig, konvex gekrümmt und/oder konkav gekrümmt sind. Je nach Anordnung bzw. Orientierung der Eingriffsstrukturen weisen diese eine hinterschnittene Geometrie auf, so dass ein Eingreifen bzw. ein Hintergreifen ermöglicht wird. Die Eingriffsstrukturen einer Mantelschicht können alle die gleiche Querschnittsform aufweisen oder es können Eingriffsstrukturen mit verschiedenen Querschnittsformen in beliebiger Anzahl und Reihenfolge in Umfangsrichtung angeordnet werden. Beispielsweise können abwechselnd I-förmige und T-förmige Querschnitte der Eingriffsstrukturen realisiert werden. Abhängig von der Querschnittsgeometrie der Eingriffsstrukturen können in Umfangsrichtung unsymmetrische Anordnungen, beispielsweise bei Verwendung von in gleicher Richtung orientierten Eingriffsstrukturen mit L-förmigen Querschnitt, oder in Umfangsrichtung symmetrische Anordnungen, beispielsweise bei der Verwendung von Eingriffsstrukturen mit T-förmigen Querschnitt, erzielt werden. Eine symmetrische Anordnung bietet dabei den Vorteil, dass bei einer Torsion der zweiten Mantelschicht gegenüber der ersten Mantelschicht entlang beider Drehrichtungen in Umfangsrichtung eine gleiche Stabilität der durch die ineinander eingreifenden Eingriffsstrukturen entstehenden Verbindung erreicht wird. Die Eingriffsstrukturen einer zweiten Mantelschicht, welche in die Eingriffsstrukturen einer ersten Mantelschicht eingreifen oder diese hintergreifen, weisen dabei bevorzugt derart angeordnete Querschnittsgeometrien auf, dass sie komplementär zu den Eingriffsstrukturen der ersten Mantelschicht sind. Dadurch wird ein passgenaues Eingreifen bzw. Hintergreifen der Eingriffsstrukturen gewährleistet.
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Die erfindungsgemäße elektrische Leitung kann weiterhin so gestaltet werden, dass die Mantelschichten aus einem Polymer bestehen. Hierbei bietet die Verwendung von verschiedenen Polymermaterialien für die Mantelschichten den Vorteil, dass die Eigenschaften des Außenmantels hinsichtlich seiner Schutzwirkung entsprechend den Anforderungen an die elektrische Leitung flexibel angepasst werden können. Insbesondere ist hierbei eine Anpassung hinsichtlich der elektrischen Isolationsfähigkeit des Außenmantels sowie seiner mechanischen Stabilität und seiner Resistenz gegenüber plastischen Verformungen möglich.
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Für eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass von zwei Mantelschichten mit ineinander eingreifenden oder sich hintergreifenden Eingriffsstrukturen eine Mantelschicht aus Polyurethan und die andere aus Silikon besteht. Beispielsweise kann eine innenliegende Mantelschicht aus Silikon bestehen und eine diese innere Schicht ummantelnde äußere Schicht des Außenmantels aus Polyurethan bestehen. Dies bietet für das die elektrische Leitung den Schutz der Polyurethanummantelung, vermindert jedoch aufgrund der innenliegende Silikonschicht das Ausmaß an plastischer Verformung gegenüber einem ausschließlich aus Polyurethan bestehenden Außenmantel gleicher Dicke. Durch das Eingreifen der an beiden Schichten vorgesehenen Eingriffsstrukturen wird die mechanische Stabilität dieser Außenmantelanordnung gewährleistet.
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Weiterhin kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die elektrische Leitung an wenigstens einem ihrer Enden ein Anschlussmittel, insbesondere für eine Steckverbindung, aufweist. Mithilfe dieses Anschlussmittels ist es beispielsweise möglich, dass die elektrische Leitung gemäß ihres Verwendungszwecks in einer elektrischen Anordnung angeschlossen und verwendet wird.
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Für die elektrische Leitung kann weiterhin vorgesehen sein, dass sie eine Hochvoltleitung ist. Beispielsweise kann eine solche Hochvoltleitung verschiedene Hochvoltkomponenten in einem hybridelektrischen oder vollelektrischen Fahrzeug miteinander verbinden.
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Neben der elektrischen Leitung betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Leitung umfassend die Schritte:
- - Bereitstellung des zu ummantelnden Inneren der elektrischen Leitung,
- - Aufbringen einer das Innere ummantelnden ersten Mantelschicht, wobei die erste Mantelschicht an ihrer nach außen weisenden Seitenfläche Eingriffsstrukturen aufweist,
- - Aufbringen einer zweiten Mantelschicht, wobei die zweite Mantelschicht an ihrer nach innen weisenden Seitenfläche Eingriffsstrukturen aufweist, die in die Eingriffsstrukturen der ersten Mantelschicht eingreifen.
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Mithilfe dieses Verfahrens können elektrische Leitungen mit den erfindungsgemäßen Merkmalen hergestellt werden, wobei es insbesondere möglich ist, die Eingriffsstrukturen der ersten und der zweiten Mantelschicht mit beliebiger Querschnittsgeometrie zu fertigen, so dass sie ineinander eingreifen oder sich hintergreifen können. Das Aufbringen der zweiten Mantelschicht kann dabei so erfolgen, dass sich das Schichtmaterial der zweiten Mantelschicht an die Eingriffsstrukturen der ersten Mantelschicht anlegt und dadurch Eingriffsstrukturen ausbildet, die komplementär zu den Eingriffsstrukturen der ersten Mantelschicht sind. Insbesondere wenn die Eingriffsstrukturen der ersten Mantelschicht eine hinterschnittene Querschnittsgeometrie aufweisen, führt dieses Verfahren dazu, dass die Eingriffsstrukturen der zweiten Mantelschicht die Eingriffsstrukturen der ersten Mantelschicht hintergreifen und die zweite Mantelschicht formschlüssig mit der ersten Mantelschicht verbunden ist.
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Für das Verfahren kann weiterhin vorgesehen sein, dass beim Aufbringen der zweiten Mantelschicht zusätzlich auch die nach außen weisende Seitenfläche der zweiten Mantelschicht Eingriffsstrukturen aufweist, wonach eine dritte Mantelschicht aufgebracht wird, wobei die dritte Mantelschicht an ihrer nach innen weisenden Mantelfläche Eingriffsstrukturen aufweist, welche in die Eingriffsstrukturen der nach außen weisenden Seitenfläche der zweiten Mantelschicht eingreifen. Hierbei ist es insbesondere auch möglich, dass die Verbindung zwischen der zweiten Mantelschicht und der dritten Mantelschicht durch einander hintergreifende Eingriffsstrukturen erfolgt.
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Weiterhin kann für das erfindungsgemäße Verfahren vorgesehen sein, dass das Aufbringen der Mantelschichten durch Extrusion erfolgt. Bei der Extrusion des Polymermaterials einer Mantelschicht können direkt im Fertigungsprozess Eingriffsstrukturen mit einer beliebigen Anordnung von Querschnittsformen gefertigt werden.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine perspektivische, geschnittene Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Leitung,
- 2 eine geschnittene Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Leitung mit trapezförmigen Eingriffsstrukturen,
- 3 eine geschnittene Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Leitung mit konkav und konvex gekrümmten Eingriffsstrukturen,
- 4 eine geschnittene Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Leitung mit in Umfangsrichtung unsymmetrischer Anordnung von Eingriffsstrukturen mit L-förmigem Querschnitt, sowie
- 5 eine geschnittene Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Leitung mit drei über ineinander eingreifende Eingriffsstrukturen verbundenen Mantelschichten.
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Der Übersichtlichkeit halber wurden in den Darstellungen 1 bis 5 nicht alle dargestellten Eingriffsstrukturen mit einem eigenen Bezugszeichen versehen.
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Die in 1 dargestellte elektrische Leitung 1 weist ein als einadriges Kabel zur Stromführung in einer Hochvoltleitung ausgeführtes Leitungsinneres 2 auf, welches von einer ersten Mantelschicht 3 und einer zweiten Mantelschicht 4 ummantelt ist. Die das Leitungsinnere 2 ummantelnde erste Mantelschicht 3 weist hierbei an ihrer nach außen weisenden Seitenfläche I-förmige Eingriffsstrukturen 5 auf. Die die erste Mantelschicht 3 ummantelnde und die elektrische Leitung nach außen hin begrenzenden zweite Mantelschicht 4 weist an ihrer nach innen weisenden Seitenfläche I-förmige Eingriffsstrukturen 6 auf. Aufgrund der ineinander eingreifenden Eingriffsstrukturen 5, 6 entsteht eine stabile, formschlüssige Verbindung zwischen der ersten Mantelschicht 3 und der zweiten Mantelschicht 4. Die Mantelschichten 3, 4 bestehen aus verschiedenen Polymermaterialien. Die erste Mantelschicht 3 besteht z. B. aus Silikon und die zweite Mantelschicht 4 aus Polyurethan. Diese Materialkombination kann auch in den weiteren Ausführungsbeispielen Anwendung finden.
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Durch Extrusion des Materials der ersten Mantelschicht 3 auf das Leitungsinnere 2 können die Eingriffsstrukturen 5 der ersten Mantelschicht 3 direkt beim Aufbringen der ersten Mantelschicht 3 erzeugt werden. Die komplementär zu den Eingriffsstrukturen 5 der ersten Mantelschicht 3 geformten Eingriffsstrukturen 6 der zweiten Mantelschicht 4 werden entsprechend durch Extrusion des Materials der zweiten Mantelschicht 4 auf die erste Mantelschicht 3 gebildet. Die hat zur Folge, dass die Eingriffsstrukturen 5, 6 direkt ineinander eingreifen und die erste Mantelschicht 3 und die die zweite Mantelschicht 4 ohne Hohlraumbildung aneinander liegen. Nach dem Aufbringen der Mantelschichten kann die elektrische Leitung an ihren Enden mit Anschlussmitteln wie Steckern versehen werden.
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Auch die im Folgenden dargestellten Ausführungsbeispiele können mittels eines solchen Verfahrens hergestellt werden.
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In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Leitung 1 dargestellt. Hierbei weist die das Leitungsinnere 2 ummantelnde erste Mantelschicht 3 an ihrer nach außen weisenden Fläche trapezförmige Eingriffsstrukturen 7 auf. Diese trapezförmigen Eingriffsstrukturen 7 weisen in ihrem Querschnitt eine hinterschnittene Geometrie auf, so dass die ebenfalls trapezförmigen Eingriffsstrukturen 8 der die erste Mantelschicht 3 ummantelnden zweite Mantelschicht 4 diese hintergreifen. Dieses Hintergreifen bewirkt eine formschlüssige Verbindung der Mantelschichten, wodurch eine verbesserte mechanische Stabilität der Mantelschichtanordnung gegenüber einer in diesem Beispiel in radialer Richtung angreifenden Kraft erreicht wird. Die trapezförmigen Eingriffsstrukturen 7 der ersten Mantelschicht 3 und die trapezförmigen Eingriffsstrukturen 8 der zweiten Mantelschicht 4 sind hierbei komplementär geformt.
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Bei dem in 3 gezeigten, weiteren Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Leitung weist die erste Mantelschicht 3 konkav geformte hinterschnittene Eingriffsstrukturen 9 auf, die in die konvex geformten, ebenfalls hinterschnittene Eingriffsstrukturen 10 der zweiten Mantelschicht 4 eingreifen und diese hintergreifen. Ein Ablösen der zweiten Mantelschicht 4 von der ersten Mantelschicht 3 wird aufgrund der formschlüssigen Verbindung zwischen den Eingriffsstrukturen 9 der ersten Mantelschicht 3 und den Eingriffsstrukturen 10 der zweiten Mantelschicht 4 verhindert.
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Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Leitung weist die erste Mantelschicht 3 L-förmige Eingriffsstrukturen 11 auf, welche in die komplementär dazu geformten und daher ebenfalls L-förmigen Eingriffsstrukturen 12 der zweiten Mantelschicht 4 eingreifen und diese formschlüssig hintergreifen. Dadurch, dass die L-förmigen Eingriffsstrukturen alle gleichermaßen orientiert sind, entsteht eine Anordnung, die gegenüber einer an der zweiten Mantelschicht 4 angreifenden, in Umfangsrichtung wirkenden Torsionskraft unsymmetrisch ist. Dies unterscheidet sich von den in 1 - 3 gezeigten Beispielen, bei denen die Anordnungen bezüglich solch einer Kraft symmetrisch sind.
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In 5 ist eine elektrische Leitung 1 dargestellt, die eine das Leitungsinnere 2 ummantelnde erste Mantelschicht 3 aufweist, eine daran angrenzende zweite Mantelschicht 4 sowie eine an die zweite Mantelschicht 4 angrenzende dritte Mantelschicht 13, die die elektrische Leitung 1 nach außen hin begrenzt. Die erste Mantelschicht 3 weist dabei an ihrer nach außen weisenden Seitenfläche T-förmige Eingriffsstrukturen 14 auf, die sich mit denen an der nach innen weisenden Seitenfläche befindlichen T-förmigen Eingriffsstrukturen 15 der zweiten Mantelschicht 4 formschlüssig hintergreifen. Die zweite Mantelschicht 4 weist in diesem Beispiel zusätzlich an ihrer nach außen weisenden Seitenfläche trapezförmige Eingriffsstrukturen 16 auf, welche sich mit den ebenfalls trapezförmigen Eingriffsstrukturen 17 an der nach innen weisenden Seite der dritten Mantelschicht 13 formschlüssig hintergreifen.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel können die erste Mantelschicht 3 und die dritte Mantelschicht 13 aus Polyurethan gefertigt sein und die zweite Mantelschicht 4 aus Silikon, oder alle drei Mantelschichten können aus unterschiedlichen polymeren Materialien gefertigt sein, so dass z. B. die dritte Mantelschicht 13 aus Polyurethan besteht, die zweite Mantelschicht 4 aus Silikon und die erste Mantelschicht 3 aus einem weiteren Polymermaterial.
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Weiterhin ist es möglich, auch die dritte Mantelschicht 13 an ihrer Außenseite mit weiteren Eingriffsstrukturen zu versehen und weitere Mantelschichten aufzubringen, so dass ein Außenmantel bestehend aus beliebig vielen, formschlüssig miteinander durch ineinander eingreifende Eingriffsstrukturen verbundene Mantelschichten ermöglicht wird. Die einzelnen Mantelschichten können dabei gleichartig geformte Eingriffsstrukturen aufweisen oder es können beliebige Kombinationen von Querschnittsformen der Eingriffsstrukturen bei einer Mantelschicht und/oder bei verschiedenen Mantelschichten verwendet werden. Bei stabil aufeinander haftenden Materialpaarungen können die entsprechenden Mantelschichten 4 und 13 an den aneinander anliegenden Mantelflächen auch glatt, das heißt ohne Eingriffsstrukturen, aufeinander liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2426673 B1 [0003]
- DE 3444500 C2 [0004]
- US 2015279515 A1 [0005]
- EP 2591478 A1 [0006]
