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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Stabilisieren eines Hohlkerns für die Fertigung eines Faserverbundbauteils, welche eine Aufnahmeeinrichtung zum Aufnehmen eines offenen Endes des Hohlkerns und eine Einbringlanze für ein unter Druck stehendes Fluid, insbesondere ein Gas oder eine Flüssigkeit aufweist.
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Bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen, die wenigstens einen Hohlraum aufweisen, werden üblicherweise Kerne eingesetzt. Für diesen Zweck sind beispielsweise aus Elastomeren hergestellte Hohlkerne bekannt, welche nach der Formgebung des Faserverbundbauteils, die beispielsweise mittels eines RTM-Verfahrens (Resin Transfer Molding) stattfindet, wieder entfernt werden. Während einer Umflechtung des Hohlkerns mit einem Fasermaterial kann der Hohlkern ohne Druckbeaufschlagung mit einem Fluid wie beispielsweise Umgebungsluft oder Wasser gefüllt sein. Vor einem sich an den Flechtvorgang anschließenden Injektionsvorgang, bei dem ein Harz in das Geflecht eingebracht wird, wird der Hohlkern zu dessen Stabilisierung während des Injektionsvorgangs mit einem druckbeaufschlagten Fluid gefüllt bzw. ein darin bereits enthaltenes Fluid mit einem ausreichend hohen Druck beaufschlagt, um einem hohen Injektionsdruck des einströmenden Harzes standhalten zu können. Dabei ist wesentlich, dass kein Fluid in die Kavität gelangen kann. Das Fluid verbleibt auch während des Aushärtevorgangs des Harzes im Hohlkern. Nach der Ausbildung des Faserverbundbauteils wird der Hohlkern entleert und üblicherweise aus dem gebildeten Hohlraum entfernt.
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In 1 ist eine Vorrichtung zum Stabilisieren eines Hohlkerns bei der Fertigung eines Faserverbundbauteils aus dem Stand der Technik gezeigt. Die Vorrichtung weist eine Aufnahmeeinrichtung zum Aufnehmen eines offenen Endes eines Hohlkerns und eine Einbringlanze für ein unter Druck stehendes Fluid auf. Im Bereich des offenen Endes weist der Hohlkern einen Abstützflansch auf, über den das offene Ende des Hohlkerns in der Aufnahmeeinrichtung der Vorrichtung abgestützt und zentriert wird. An ihrem vorderen Ende weist die Einbringlanze einen verjüngten Abschnitt auf, der mittels einer axialen Bewegung wenigstens teilweise in das offene Ende des Hohlkerns eingebracht wird, um ein Fluid in den Hohlkern einzuleiten, welches dort mit Druck beaufschlagt wird. Durch die axiale Bewegung der Einbringlanze wird das offene Ende des Hohlkerns aufgeweitet und dabei eine sowohl kraft- als auch formschlüssige, dichte Verbindung hergestellt. Durch das Aufweiten entstehen insbesondere am Anschlag der Einbringlanze und/ oder an der Abstützung des Hohlkerns an der Aufnahmeeinrichtung leicht Risse und Undichtigkeiten, die aus der Schub- und Schälbelastung an der Aufweitung durch den Axialdruck der Einbringlanze gegenüber der Aufnahmeeinrichtung resultieren.
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Hiervon ausgehend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zum Stabilisieren eines Hohlkerns bei der Fertigung eines Faserverbundbauteils vorzuschlagen. Dies wird erfindungsgemäß durch die Lehre des unabhängigen Anspruchs erreicht. Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung zum Stabilisieren eines Hohlkerns bei der Fertigung eines Faserverbundbauteils vorgeschlagen. Die Vorrichtung weist eine Aufnahmeeinrichtung zum Aufnehmen eines offenen Endes des Hohlkerns auf, und eine Einbringlanze für ein unter Druck stehendes Fluid. An der Einbringlanze ist wenigstens ein verjüngt ausgebildeter Abschnitt angeordnet, der in das offene Ende des Hohlkerns einbringbar ist. Die Aufnahmeeinrichtung weist eine sich erweiternde Anlagefläche zur Anlage eines sich erweiternden Abschnitts des offenen Endes des Hohlkerns auf, wobei durch eine von der Einbringlanze auf die Anlagefläche wirkende Kraft eine Abdichtung zwischen dem offenen Ende des Hohlkerns und einem sich entsprechend erweiternden Abschnitt der Einbringlanze ausbildbar ist.
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Die Vorrichtung weist eine Aufnahmeeinrichtung zum Aufnehmen eines offenen Endes des Hohlkerns auf. Die Aufnahmeeinrichtung ist dabei so ausgebildet, dass mit dieser ein offenes Ende des Hohlkerns insbesondere formschlüssig aufnehmbar und abstützbar ist. Insbesondere wird das offene Ende dabei in seiner zur Herstellung des Faserverbundbauteils vorbestimmten Position zentriert.
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Die Vorrichtung weist ferner eine Einbringlanze für ein unter Druck stehendes Fluid auf, an welcher wenigstens ein verjüngt ausgebildeter Abschnitt angeordnet ist, der in das offene Ende des Hohlkerns einbringbar ist. Dabei erfolgt eine Zentrierung des offenen Endes in der Aufnahmeeinrichtung. Ferner wird eine Strömungsverbindung zwischen einer mit der Einbringlanze verbundenen Fluidleitung und dem Inneren des Hohlkerns hergestellt. Geeignete Fluide sind hierbei insbesondere flüssige oder gasförmige Stoffe, mittels welchen der Hohlkern mit einem ausreichend hohen Druck zum Herstellen eines Faserverbundbauteils beaufschlagbar ist.
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Die Aufnahmeeinrichtung weist eine sich erweiternde Anlagefläche zur Anlage eines sich erweiternden Abschnitts des offenen Endes des Hohlkerns auf. Eine solche sich erweiternde Anlagefläche ist bei einem im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildeten offenen Ende beispielsweise trichterförmig ausgebildet. Allerdings ist auch jede andere sich erweiternde Form möglich, wie sich beispielsweise konkav oder konvex erweiternde Gestaltungen, da insbesondere das offene Ende auch jede mögliche zweckmäßige nicht rotationssymmetrische Form aufweisen kann, die an einer sich erweiternden Anlagefläche abstützbar ist. Insbesondere wird durch die sich erweiternde Anlageflache eine vergrößerte Anlagefläche eines entsprechend ausgebildeten offenen Endes des Hohlkerns geschaffen.
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Durch eine von der Einbringlanze auf die Anlagefläche wirkende Kraft ist eine Abdichtung zwischen dem offenen Ende des Hohlkerns und einem sich entsprechend erweiternden Abschnitt der Einbringlanze ausbildbar. Dabei liegt der sich erweiternde Abschnitt des Hohlkerns an der Anlagefläche der Aufnahmeeinrichtung an. Der sich erweiternde Abschnitt der Einbringlanze ist hierbei entsprechend der sich erweiternden Anlagefläche der Aufnahmeeinrichtung ausgebildet, so dass die Anlagefläche das Gegenlager für die Dichtkraft bildet, die von der Einbringlanze auf den an der Anlagefläche angeordneten, sich erweiternden Abschnitt des offenen Endes des Hohlkerns aufgebracht wird.
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Bei der vorgeschlagenen Lösung wird die zur Abdichtung erforderliche hohe Flächenpressung an der Aufweitung des offenen Endes des Hohlkerns auf eine größere Fläche verteilt. So wird die überwiegende Schub-/ Scherbelastung am offenen Ende bei der bekannten Lösung in eine materialschonende Druck-/Schubbelastung umgewandelt. Auf diese Weise kann das Entstehen von Rissen und Undichtigkeiten am Hohlkern reduziert werden und so eine prozessstabile und zuverlässige Abdichtung des Hohlkerns bei der Fertigung von Faserverbundbauteilen erfolgen.
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Bei einer Ausführungsform ist der verjüngt ausgebildete Abschnitt am vorderen Ende der Einbringlanze kraftschlüssig in das offene Ende des Hohlkerns einbringbar. Dabei ist der verjüngt ausgebildete Abschnitt der Einbringlanze beispielsweise so bemessen, dass der Durchmesser am vorderen Ende der Einbringlanze kleiner ist, als der innere Durchmesser des offenen Endes dass Hohlkerns, und der größere Durchmesser des verjüngten Abschnitts größer ausgebildet ist, als der innere Durchmesser des offenen Endes in dem vom vorderen Ende erreichten Bereich. Auf diese Weise erfolgt bereits am vorderen Ende der Einbringlanze eine Aufweitung und Zentrierung des Hohlkerns sowie auch bereits eine erste Abdichtung zwischen dem offenen Ende des Hohlkerns und der Einbringlanze.
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Bei einer Ausführungsform der Vorrichtung ist an dem sich erweiternden Abschnitt der Einbringlanze wenigstens eine in Umfangsrichtung der Einbringlanze umlaufende Dichtstruktur angeordnet. Eine solche umlaufende Dichtstruktur kann bei einer rotationssymmetrischen Einbringlanze beispielsweise von einem bei einer Drehbearbeitung ausgeformten Absatz in der sich erweiternden Fläche gebildet sein. Ebenso ist es auch möglich, dass eine solche umlaufende Dichtstruktur von einem auf der sich erweiternden Fläche angeordneten Vorsprung gebildet wird. Wesentlich dabei ist, dass die Dichtstruktur umlaufend geschlossen ist, um eine umlaufende Abdichtung auszubilden. Ein schraubenförmig ausgebildeter Absatz bzw. Vorsprung erfüllt diese Voraussetzung beispielsweise nicht. Je nach Anordnung und Rahmenbedingungen, wie beispielsweise die Form und Größe der sich erweiternden Fläche oder der wirkende Fluiddruck kann das Vorsehen von einer oder mehreren nacheinander angeordneten Dichtstrukturen zweckmäßig sein, um eine zuverlässige Abdichtung des Fluidstroms zwischen dem Hohlkern und der Einbringlanze herzustellen.
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Geeignete Werkstoffe für Hohlkerne zum Herstellen von Faserverbundbauteilen weisen häufig elastische Eigenschaften auf. Solche Werkstoffe neigen dazu, unter Druck zu fließen. Eine höhere Flächenpressung im Bereich von Dichtstrukturen verringert vorteilhaft auch Fließerscheinungen im Werkstoff des Hohlkerns im Bereich der Abdichtung zwischen Aufnahmeeinrichtung und Einbringlanze.
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Bei einer Ausführungsform der Vorrichtung ist die sich erweiternde Anlagefläche der Aufnahmeeinrichtung umlaufend in einem Winkel zur Richtung der von der Einbringlanze aufbringbaren Kraft angeordnet, welcher in einem Bereich von 10° bis 90° liegt. Die Auswahl einer geeigneten Neigung ist dabei insbesondere abhängig von den Anforderungen an die Abdichtung und die Zentrierung des offenen Endes des Hohlkerns, dem Platzbedarf und der weiteren Gestaltung des Hohlkerns. Auch der Querschnitt des offenen Endes, der erforderliche Fluiddruck und die Eigenschaften des verwendeten Fluids stellen Randbedingungen bei der Auswahl eines geeigneten Winkels für die sich erweiternde Anlagefläche der Aufnahmeeinrichtung dar. Bei höheren Drücken und insbesondere höheren erforderlichen Anpresskräften durch die Einbringlanze kann die Verwendung größerer Winkel der Anlagefläche gegenüber der Richtung der von der Einbringlanze aufbringbaren Kraft zweckmäßig sein, um eine größere Abdichtfläche vorzusehen. Bei einem größeren Winkel von beispielsweise mehr als 45° zwischen der Neigung der Anlagefläche und der Richtung der von der Einbringlanze aufbringbaren Kraft steht auch eine größere Anlagefläche zur Abdichtung und Zentrierung der Einbringlanze an der Aufnahmeeinrichtung zur Verfügung. Hier ist eine geeignete Kombination der Größe der Abdichtfläche und der von der Einbringlanze aufzubringenden Dichtkraft zu wählen.
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Bei der Verwendung von Dichtstrukturen wirkt an diesen eine höhere Dichtkraft. Kleinere Winkel der Anlagefläche von beispielsweise weniger als 30° können bei geringeren Drücken zweckmäßig sein, da diese insbesondere eine kompakte Ausführung der Vorrichtung ermöglichen. Bei einer vorteilhaften Gestaltung ist die sich erweiternde Anlagefläche der Aufnahmeeinrichtung beispielsweise in einem Winkel zur Richtung der von der Einbringlanze aufbringbaren Kraft angeordnet, welcher in einem Bereich von 30° bis 60° liegt.
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Bei einer Ausführungsform der Vorrichtung ist die sich erweiternde Anlagefläche in einem das offene Ende umlaufend durchgehend gleichen Winkel zur Richtung der von der Einbringlanze aufbringbaren Kraft angeordnet. Eine solche Ausführungsform ermöglicht eine einfache und kostengünstige Gestaltung der sich erweiternden Anlagefläche der Aufnahmeeinrichtung, der Einbringlanze und dem offenen Ende des Hohlkerns. Diese Ausführungsform bietet sich beispielsweise auch bei einem offenen Ende eines Hohlkerns an, der im Wesentlichen rotationssymmetrisch gestaltet ist.
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Bei einer Ausführungsform der Vorrichtung ist die Anlagefläche senkrecht zur Richtung der von der Einbringlanze aufbringbaren Kraft angeordnet. Dies stellt eine Sonderform dar, bei welcher die sich erweiternde Anlagefläche der Aufnahmeeinrichtung eine ebene Fläche bildet, die senkrecht zur Bewegungsrichtung der Einbringlanze und damit zu der von dieser aufgebrachten Kraft angeordnet ist. Die von der Einbringlanze aufgebrachte Kraft wirkt dabei senkrecht auf die sich erweiternde Anlagefläche der Aufnahmeeinrichtung. Eine solche Gestaltung ist vor allem dann vorteilhaft, wenn der Werkstoff des Hohlkerns eine ausgeprägte Neigung zu Fließerscheinungen aufweist.
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In einem weiteren Aspekt wird ein Hohlkern zur Fertigung eines Faserverbundbauteils vorgeschlagen, welcher mit einer Vorrichtung der vorausgehend beschriebenen Art stabilisierbar ist. Ein solcher Hohlkerne weist an einem offenen Ende einen sich erweiternden Abschnitt auf, welcher zur Anlage an einer sich erweiternden Anlagefläche der Aufnahmeeinrichtung der Vorrichtung ausgebildet ist. Durch die Verwendung eines solcher Hohlkerne können die vorgenannten Vorteile der beschriebenen Vorrichtung für das Herstellen von Faserverbundteilen ausgeschöpft werden.
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Bei einer Ausführungsform des Hohlkerns schließt der sich erweiternde Abschnitt des offenen Endes einen Winkel ein, der in einem Bereich von 20° bis 180° liegt. Insbesondere schließt der sich erweiternde Abschnitt des offenen Endes des Hohlkerns einen Winkel ein, der sich zur Anlage an einer sich erweiternden Anlagefläche einer Aufnahmeeinrichtung eignet und für ein Zusammenwirken mit einer Einbringlanze und der Anlagefläche vorgesehen ist, um eine zuverlässige Abdichtung zwischen der Einbringlanze und dem Inneren des Hohlkerns bzw. gegenüber der Kavität zu gewährleisten. Zu Einzelheiten betreffend die Gestaltung des offenen Endes des Hohlkerns wird auf die Erläuterungen in der vorausgehenden Beschreibung verwiesen.
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Bei einer Ausführungsform des Hohlkerns ist der sich erweiternde Abschnitt des offenen Endes in einer Ebene angeordnet. Diese Ausführung stellt eine Sonderform für den Einsatz bei entsprechend ausgebildeten Vorrichtungen zum Stabilisieren des Hohlkerns zur Fertigung eines Faserverbundbauteils dar. Sie eignet sich insbesondere bei zum Fließen neigenden Werkstoffen des Hohlkerns und erfordern zur Abdichtung des Hohlkerns vergleichsweise hohe Anpresskräfte der Einbringlanze.
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In einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Stabilisieren eines Hohlkerns bei der Fertigung eines Faserverbundbauteils mit einer Vorrichtung entsprechend der vorausgehenden Beschreibung vorgeschlagen. Dabei wird von der Einbringlanze eine Kraft auf die Anlagefläche aufgebracht, die eine Abdichtung zwischen dem offenen Ende des Hohlkerns und dem sich erweiternden Abschnitt der Einbringlanze ausbildet. Durch das vorgeschlagene Verfahren wird eine materialschonende Druck- bzw. Schubbelastung des offenen Endes des Hohlkerns erreicht. So kann insbesondere die Gefahr von Rissen und Undichtigkeiten am Hohlkern verringert und eine prozessstabilere und zuverlässigere Abdichtung des Hohlkerns bei der Fertigung von Faserverbundbauteilen erreicht werden.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigt
- 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Stabilisieren eines Hohlkerns gemäß dem Stand der Technik;
- 2 eine schematische Darstellung einer beispielhaften erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Stabilisieren eines Hohlkerns; und
- 3 eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Stabilisieren eines Hohlkerns.
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1 zeigt eine Vorrichtung 10 zum Stabilisieren eines Hohlkerns 40 bei der Fertigung eines Faserverbundbauteils, mit einer Aufnahmeeinrichtung 20 zum Aufnehmen eines offenen Endes 42 des Hohlkerns 40, und mit einer Einbringlanze 30 für ein unter Druck stehendes Fluid, welches durch den inneren Querschnitt der Einbringlanze 30 geführt wird. Die Einbringlanze 30 weist einen verjüngt ausgebildeten Abschnitt 31 auf, der in das offene Ende 42 des Hohlkerns 40 einbringbar ist.
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Die in 1 gezeigte Vorrichtung 10 nach dem Stand der Technik weist eine Aufnahmeeinrichtung 20 auf, deren Aufnahmeöffnung 21 eine Zentriernut 22 zum Zentrieren und Abstützen eines am Hohlkern 40 angeordneten Abstützflanschs 41 aufweist. Bei einer Abdichtbewegung der Einbringlanze 30 in Richtung des Pfeils 32 wird dieser Abstützflansch 41 gegen die Seitenfläche 23 der Zentriernut 22 gedrückt, woraus die Gefahr einer Beschädigung des Hohlkerns 40 und damit einer Undichtigkeit des Hohlkerns 40 resultiert.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zum Stabilisieren eines Hohlkerns 40 bei der Fertigung eines Faserverbundbauteils, mit einer Aufnahmeeinrichtung 20 zum Aufnehmen eines offenen Endes 42 des Hohlkerns 40. Die Vorrichtung 10 weist ferner eine Einbringlanze 30 für ein unter Druck stehendes Fluid auf, welches durch den inneren Querschnitt der Einbringlanze 30 geführt wird. Die Einbringlanze 30 weist einen verjüngt ausgebildeten Abschnitt 31 auf, der zum Zentrieren der Einbringlanze 30 im Hohlkern 40 in dessen offenes Ende 42 einbringbar ist. Die Aufnahmeeinrichtung 20 weist ferner eine sich erweiternde Anlagefläche 24 auf, die zur Anlage eines sich erweiternden Abschnitts 44 des offenen Endes 42 des Hohlkerns 40 dient. Durch eine von der Einbringlanze 30 auf die Anlagefläche 24 wirkende Kraft, die in Richtung des Pfeils 32 wirkt, nachdem der sich erweiternde Abschnitt 34 der Einbringlanze 30 an der Anlagefläche 24 anliegt, wird eine Abdichtung zwischen dem offenen Ende 42 des Hohlkerns 40 und einem sich entsprechend dem sich erweiternden Abschnitt 24 der Aufnahmeeinrichtung 20 erweiternden Abschnitt 34 der Einbringlanze 30 ausgebildet. Die sich erweiternde Anlagefläche 24 der Aufnahmeeinrichtung 20 weist bei der beispielhaften Ausführungsform einen Winkel α von etwa 20° gegenüber der Richtung 32 der von der Einbringlanze aufbringbaren Kraft, welche mit der Achse A übereinstimmt, auf.
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In 2 ist gut zu sehen, dass an dem sich erweiternden Abschnitt 34 der Einbringlanze 30 nacheinander drei in Umfangsrichtung der Einbringlanze 30 umlaufende Dichtstrukturen 36 angeordnet ist. Jede dieser Dichtstrukturen 36 ist in sich geschlossen und wirkt jeweils als eigenständige Abdichtung zwischen dem sich erweiternden Abschnitt 44 des offenen Endes 42 des Hohlkerns 40 und dem sich erweiternden Abschnitt 34 der Einbringlanze 30. Im offenen Ende 42 des Hohlkerns 40 ist die jeweilige Position 36a einer Dichtstruktur 36 während der Abdichtung angedeutet. In 2 ist auch die Größe der Abdichtfläche am offenen Ende 42 des Hohlkerns 40 einer beispielhaften Ausführung der vorgeschlagenen Gestaltung erkennbar.
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3 zeigt eine weitere schematische Darstellung einer beispielhaften erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zum Stabilisieren eines Hohlkerns 40. Bei dieser speziellen Ausführungsform ist die sich erweiternde Anlagefläche 24 der Aufnahmeeinrichtung 20 in einem Winkel α = 90° und damit senkrecht zur Richtung der von der Einbringlanze aufbringbaren Kraft 32 angeordnet. Bei dieser Ausführungsform stellt die sich erweiternde Anlagefläche 24 der Aufnahmeeinrichtung 20 eine Ebene dar. Auch bei dieser Ausführungsform ist die Anordnung von umlaufend angeordneten Dichtstrukturen 36 gezeigt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorrichtung für die Fertigung eines Faserverbundbauteils
- 20
- Aufnahmeeinrichtung
- 21
- Aufnahmeöffnung
- 22
- Zentriernut
- 23
- Seitenfläche der Zentriernut
- 24
- Anlagefläche
- 30
- Einbringlanze
- 31
- verjüngt ausgebildeter Abschnitt der Einbringlanze
- 32
- von der Einbringlanze aufbringbare Kraft (Pfeil)
- 34
- sich erweiternder Abschnitt der Einbringlanze
- 36
- Dichtstruktur
- 36a
- Position der Dichtstruktur
- 40
- Hohlkern
- 41
- Abstützflansch
- 42
- offenes Ende des Hohlkerns
- 44
- erweiterter Abschnitt des offenen Endes des Hohlkerns
- A
- Achse
- α, β
- Winkel
