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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines FVK-Hohlstrukturbauteils für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Herstellen eines solchen FVK-Hohlstrukturbauteils.
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Die
DE 10 2012 020 184 A1 offenbart ein Stabbauteil aus einem Faserverbundkunststoff-Rohr, mit einem zumindest abschnittsweise nicht kreisrunden Querschnitt. Der
DE 10 2012 021 403 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Querträgeranordnung für ein Kraftfahrzeug als bekannt zu entnehmen. Die
DE 10 2011 011 577 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen einer Drehstabfeder oder eines Wandstabilisators für ein Kraftfahrzeug. Aus der
DE 10 2010 049 563 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Drehstabfeder für ein Kraftfahrzeug mit einem im Wesentlichen rohrförmigen Querschnitt bekannt. Die
DE 10 2011 108 219 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Herstellung eines Verbundbauteils aus einem rohrförmigen, mittels der Thermoplasten vorkonsolidierten Textilbauteils. Des Weiteren offenbart die
DE 10 2012 005 973 A1 ein Verfahren zum Biegen eines thermoplastischen Faserverbundrohrs.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mittels welchen FVK-Hohlstrukturbauteile für Fahrzeuge auf besonders vorteilhafte hergestellt werden können.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines aus einem Faserverbundkunststoff gebildeten Hohlstrukturbauteils für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug wie beispielsweise einen Kraftwagen. Da das Hohlstrukturbauteil aus dem genannten Faserverbundkunststoff (FVK) gebildet ist, ist das Hohlstrukturbauteil ein FVK-Hohlstrukturbauteil. Bei dem Verfahren wird ein aus dem Faserverbundkunststoff und somit aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildetes Rohr, aus welchem das Hohlstrukturbauteil hergestellt wird, bereitgestellt. Das Rohr wird an entlang des Rohrs voneinander beabstandeten Stellen mittels jeweiliger Roboter gehalten, während das Rohr in wenigstens einen Teilbereich mittels einer Heizeinrichtung erwärmt wird. Der jeweilige Roboter weist dabei mehrere, gelenkig miteinander verbundene und relativ zueinander bewegbare Roboterarme auf, welche auch als Roboterachsen bezeichnet werden. Die Roboterarme sind beispielsweise um jeweilige Drehachsen relativ zueinander drehbar und/oder entlang jeweiliger Bewegungsachsen translatorisch relativ zueinander bewegbar. Hierdurch kann beispielsweise das Rohr mittels der Roboter bedarfsgerecht, insbesondere im Raum, umherbewegt werden. Insbesondere kann das Rohr, während es erwärmt wird, mittels der Roboter gehalten und somit gestützt werden. Durch das Erwärmen wird das Rohr biegeschlaff beziehungsweise das Rohr verliert an Formstabilität. Um dabei jedoch unerwünschte und beispielsweise schwerkraftbedingte Verformungen des Rohrs zu vermeiden, wird das Rohr mittels der Roboter während sowie nach der Erwärmung gehalten und somit gestützt. Dadurch können unerwünschte Verformungen des Rohrs vermieden werden, sodass das Rohr bedarfsgerecht und präzise umgeformt, insbesondere gebogen, werden kann.
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Des Weiteren ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass das Rohr, insbesondere nach dem Erwärmen und/oder während des Erwärmens, in dem erwärmten Teilbereich in einen zweidimensionalen oder dreidimensionalen Verlauf gebogen wird, indem das Rohr, welches während des Biegens mittels der Roboter gehalten wird, mittels zumindest eines der Roboter in dem Teilbereich um einen Biegekopf in der 2-D-Ebene beziehungsweise 3-dimensional umgebogen wird. Hierzu bewegt sich der zumindest eine Roboter relativ zu dem Biegekopf und relativ zu wenigstens einem anderen der Roboter, wodurch das Rohr in dem Teilbereich um den Biegekopf umgebogen wird. Da sich der zumindest eine Roboter zum Biegen des Rohrs relativ zu dem wenigstens einen anderen Roboter und relativ zu dem Biegekopf bewegt, während der Roboter das Rohr hält, so wird beispielsweise ein erstes Rohrstück des Rohrs mit dem zumindest einen Roboter mitbewegt und dabei relativ zu einem sich an das erste Rohrstück anschließenden zweiten Rohrstück des Rohrs bewegt, wodurch das erste Rohrstück relativ zu dem zweiten Rohrstück gebogen wird. Beispielsweise wird das zweite Rohrstück mittels des wenigstens einen anderen Roboters gehalten, während das Rohr gebogen wird. Verlaufen beispielsweise die Rohrstücke vor dem Biegen parallel beziehungsweise koaxial zueinander, so schließen die Rohrstücke nach dem Biegen beispielsweise einen von 0 Grad und von 180 Grad unterschiedlichen Winkel ein. Die Rohrstücke werden beispielsweise um 360 Grad oder mehr relativ zueinander gebogen, insbesondere unter Ausbildung einer Spirale. Auf die beschriebene Weise kann das Rohr an mehreren Biegestellen, das heißt in mehreren, voneinander beabstandeten Biegebereichen gezielt und bedarfsgerecht gebogen und somit umgeformt werden, sodass dem Rohr auf besonders einfache Weise eine bedarfsgerechte und komplexe Geometrie verliehen werden kann. Insbesondere kann durch das Biegen ein kontinuierlicher, 3-dimensionaler Bogen beispielsweise als Spiralfeder darstellbar.
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Nach dem Biegen wird das Rohr mittels der Roboter beispielsweise derart bewegt, dass das sich an den Teilbereich anschließende erste Rohrstück senkrecht beziehungsweise in vertikaler Richtung nach oben steht, woraufhin das gebogene Rohr mit dem senkrecht nach oben stehenden ersten Rohrstück mittels der Roboter beispielsweise zu einer Heizstation bewegt wird, mittels welcher das Rohr zumindest teilweise und dabei beispielsweise in einem weiteren, als Biegebereich ausgebildeten Teilbereich erwärmt wird. Bei der Heizstation kann es sich um die Heizeinrichtung handeln, oder aber die Heizstation ist eine zusätzlich zur Heizeinrichtung vorgesehene Heizstation. Durch diese Bewegung des Rohrs können unerwünschte Kollisionen des Rohrs mit anderen Komponenten vermieden werden.
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Als weiterhin vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Heizeinrichtung, mittels welcher das Rohr in dem Teilbereich erwärmt wird, mittels eines weiteren Roboters während des Erwärmens gehalten wird, wobei der weitere Roboter mehrere, gelenkig miteinander verbundene und relativ zueinander bewegbare weitere Roboterarme aufweist. Die vorigen und folgenden Ausführungen zu den ersten Robotern können ohne Weiteres auch auf den weiteren Roboter übertragen werden und umgekehrt. Da die Heizeinrichtung an dem weiteren Roboter gehalten ist, kann die Heizeinrichtung beispielsweise mittels des weiteren Roboters bedarfsgerecht, insbesondere im Raum, umherbewegt werden.
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Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn nach dem Erwärmen die Heizeinrichtung mittels des weiteren Roboters relativ zu dem Rohr bewegt wird. Mittels des weiteren Roboters kann die Heizeinrichtung auf solche Weise bedarfsgerecht bewegt werden, dass unerwünschte Kollisionen des Rohrs mit der Heizeinrichtung und/oder mit anderen Komponenten unterbleibt. Da beispielsweise die Heizeinrichtung mittels des weiteren Roboters, insbesondere im Raum, bewegt wird, kann das gebogene Rohr ortsfest verbleiben, während die Heizeinrichtung mittels des weiteren Roboters relativ zu dem Rohr bewegt wird. Dadurch können Kollisionen vermieden werden.
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Als ferner vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn nach dem Erwärmen die Heizeinrichtung mittels des weiteren Roboters relativ zu dem Rohr in einem weiteren Teilbereich des Rohrs bewegt wird, woraufhin das Rohr in dem weiteren Teilbereich mittels der Heizeinrichtung erwärmt wird. Daraufhin kann das Rohr erneut gebogen werden, indem der weitere Teilbereich mittels der ersten Roboter um den Biegekopf oder aber um einen weiteren, zusätzlich dazu vorgesehenen Biegekopf umgebogen wird. Hierdurch kann auf besonders zeit- und kostengünstige Weise eine komplexe Geometrie des Rohrs hergestellt werden. Zur Taktzeitverkürzung ist das zeitgleiche Heizen weiterer Biegeheizzonen möglich beziehungsweise ein synchrones Bewegen der Heizzonen beim Biegen, das heißt während des Biegens.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird das Rohr mittels eines in dem Rohr angeordneten Biegedorns gebogen. Hierdurch können unerwünschte Effekte, insbesondere auf einer Außenseite des Rohrs, vermieden werden.
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Beispielsweise wird das Rohr mittels des Biegedorns, insbesondere zumindest in dem Teilbereich, temperiert, insbesondere erwärmt oder gekühlt. Somit kann das Rohr nicht nur von außen temperiert werden, sondern das Rohr kann mittels des Biegedorns von innen mit hohen Heizraten und volumetrisch temperiert werden, sodass das Rohr besonders vorteilhaft umgeformt und insbesondere gebogen werden kann.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird zwischen dem Rohr und dem Biegedorn, insbesondere zumindest während des Biegens, eine Fluidströmung, insbesondere eine Gasströmung und vorzugsweise eine Luftströmung, hindurchgeleitet. Dadurch kann eine besonders bedarfsgerechte Temperierung des Rohrs, insbesondere von innen, dargestellt werden.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung, welche zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekt der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
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Insgesamt ist erkennbar, dass es bei der Erfindung auf besonders vorteilhafte Weise möglich ist, das beispielsweise infolge des Erwärmens biegeschlaffe Rohr mittels der ersten Roboter in Position gehalten werden kann. Wird das erste Rohrstück senkrecht nach oben gestellt beziehungsweise wird die beispielsweise als Heizstation ausgebildete Heizeinrichtung mittels des weiteren Roboters auf eine vordere Seite gewechselt, so können nach dem Biegen Kollisionen zwischen dem gebogenen ersten Rohrstück und weiteren Komponenten vermieden werden, insbesondere dann, wenn das Rohr, insbesondere der weitere Teilbereich des Rohrs, zu der Heizeinrichtung beziehungsweise zu der Heizstation bewegt wird. Durch Integration und Aufbau einer induktiven Heiz- und Biegestation erfolgt eine Taktzeitverkürzung. Die Heizeinrichtung ist beispielsweise ein spezifisch geformter Induktor, mittels welchem das Rohr in dem Teilbereich induktiv erwärmt beziehungsweise aufgeheizt werden kann.
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Alternativ oder zusätzlich ist der Einsatz eines Biegedorns denkbar, mittels welchem das Rohr, insbesondere von innen, über eine aktive variotherme Gas-Temperierung temperiert werden kann. Ferner ist es denkbar, dass der Biegedorn eine integrierte, induktionsunabhängige Messsensorik aufweist, um beispielsweise wenigstens eine Messgröße wie beispielsweise eine in dem Rohr herrschende Temperatur zu erfassen. Dadurch kann das Rohr effektiv und effizient temperiert und in der Folge präzise gebogen werden. Durch die Fluidströmung zwischen dem als FVK-Rohr ausgebildeten Rohr und dem Biegedorn können ein Matrixmaterialkontakt und eine Matrixanhaftung vermieden oder besonders gering gehalten werden. Ferner ist es denkbar, durch entsprechende Materialauswahl des Biegedorns das Rohr von innen zu temperieren, insbesondere zu erwärmen. Weist der Biegedorn beispielsweise ein Material, insbesondere ein weichmagnetisches oder magnetisches Material auf, welches induktiv erwärmt werden kann, so kann mittels des Induktors der in dem Rohr, insbesondere in dessen Inneren, angeordneter Biegedorn erwärmt werden. In der Folge kann das Rohr besonders vorteilhaft von innen und von außen erwärmt werden, sodass eine effiziente und effektive Erwärmung des Rohrs dargestellt werden kann. In der Folge kann das Rohr besonders vorteilhaft umgeformt werden.
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Als das Hohlstrukturbauteil kann beispielsweise eine Spiralfeder, eine Schraubenfeder, eine CFK-Feder-Anbindung, eine Spurstange, ein Fahrschemel, eine Strebe, ein Hohlträger mit thermoplastischer Stützstruktur, ein Mantelrohr einer Lenkung, ein Drehbeziehungsweise Torsionsstab, eine Hinterachse, ein Verbundlenker-Achsträger, ein Kopf-Querträger, ein auch als Crashbox bezeichnetes Energieabsorptionselement, ein Frontendadapter, ein Frontendträger, eine Heckklappe, eine äußere Bordkante, ein IHU-Rohr, insbesondere Seitentür, ein Dachrahmen, eine Fahrzeugsäule wie beispielsweise eine A-Säule, eine Karosserie eines Personenkraftwagens, ein Biegequerträger beziehungsweise eine Stoßstange, ein CFK-Träger unter Instrumententafel, eine Getriebebrücke, eine Gelenkwelle, ein Batterieträger, eine einteiliger Gelenkwelle in CFK-Stahl-Bauweise, eine Welle, insbesondere für einen Elektromotor, und/oder ein anderes Bauelement hergestellt werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
- 1 eine schematische Perspektivansicht eines als Drehstab ausgebildeten FVK-Hohlstrukturbauteils, welches mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist;
- 2 eine schematische Darstellung zum Veranschaulichen des erfindungsgemäßen Verfahrens;
- 3 ausschnittsweise eine schematische Perspektivansicht eine Biegedorns gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 4 ausschnittsweise eine schematische Perspektivansicht des Biegedorns gemäß einer zweiten Ausführungsform;
- 5 ausschnittsweise eine schematische Perspektivansicht des Biegedorns gemäß einer dritten Ausführungsform;
- 6 eine schematische Perspektivansicht einer als Induktor ausgebildeten Heizeinrichtung zum Erwärmen eines Rohrs, welches im Rahmen des Verfahren gebogen wird;
- 7 eine weitere schematische Perspektivansicht des Induktors;
- 8 eine schematische Vorderansicht einer Heizstation gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 9 eine schematische Vorderansicht der Heizstation gemäß einer zweiten Ausführungsform;
- 10 eine schematische Perspektivansicht eines Biegekopfes, welcher bei dem Verfahren zum Einsatz kommen kann;
- 11 ausschnittsweise eine schematische und geschnittene Seitenansicht des Biegedorns gemäß einer vierten Ausführungsform;
- 12 ausschnittsweise eine schematische und geschnittene Seitenansicht des Rohrs, welches bei dem Verfahren gebogen wird;
- 13 eine schematische Seitenansicht einer Feder; und
- 14 ausschnittsweise eine schematische Seitenansicht der Feder.
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer schematischen Perspektivansicht ein Hohlstrukturbauteil 10 für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug wie beispielsweise einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen. Das Hohlstrukturbauteil 10 ist gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel als ein Drehstab ausgebildet, welcher auch als Torsionsstab bezeichnet wird. Das Hohlstrukturbauteil 10 ist aus einem Faserverbundkunststoff (FVK), das heißt aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildet, sodass das Hohlstrukturbauteil 10 ein FVK-Hohlstrukturbauteil ist. Das Hohlstrukturbauteil 10 ist aus wenigstens oder genau einem gebogenen Rohr 12 gebildet, welches aus dem Faserverbundkunststoff gebildet ist. Um somit aus dem als FVK-Rohr ausgebildeten Rohr 12 das Hohlstrukturbauteil 10 herzustellen, wird das Rohr 12 in wenigstens einem oder vorliegend mehreren, auch als Biegestelle oder Biegebereiche bezeichneten Teilbereichen T1, T2, T3, T4, T5, T6, T7 und T8 gebogen. Bevor das Rohr 12 in dem jeweiligen Teilbereich T1-8 gebogen wird, wird das Rohr 12 in dem jeweiligen Teilbereich T1-8 erwärmt beziehungsweise aufgeheizt und in erwärmtem beziehungsweise aufgeheiztem Zustand gebogen, sodass also das Rohr 12 in dem erwärmten beziehungsweise aufgeheizten Teilbereich T1-8 gebogen wird. Das Rohr 12 wird dabei insbesondere während und/oder nach dem Erwärmen in dem jeweiligen, erwärmten Teilbereich T1-8 gebogen.
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Im Folgenden wird ein Verfahren zum Herstellen des Hohlstrukturbauteils 10 und somit zum Biegen des Rohrs 12 erläutert, wobei mittels des Verfahrens das Rohr 12 besonders präzise sowie bedarfsgerecht gebogen werden kann. Mittels des Verfahrens können auch besonders komplexe Geometrien des Rohrs 12 durch Biegen auf kostengünstige Weise hergestellt werden.
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2 veranschaulicht das Verfahren. Bei dem Verfahren wird das Rohr 12 an entlang des Rohrs 12 voneinander beabstandeten Stellen S1 und S2 mittels jeweiliger Roboter 14 und 16 gehalten, während das Rohr beispielsweise zumindest in dem Teilbereich T4 mittels einer Heizeinrichtung 18 erwärmt wird. Der jeweilige Roboter 14 beziehungsweise 16 weist mehrere, gelenkig miteinander verbundene und dadurch relativ zueinander, insbesondere rotatorisch und/oder translatorisch, bewegbare Roboterarme auf, sodass das Rohr 12, welches beispielsweise durch das Erwärmen an Formstabilität verliert, sicher gestützt werden kann. Hierdurch können beispielsweise schwerkraftbedingte, unerwünschte Verformungen des Rohrs 12 vermieden werden. Während des Erwärmens und/oder nach dem Erwärmen wird das Rohr 12 beispielsweise zumindest in dem erwärmten Teilbereich T4 gebogen, indem das Rohr 12, welches während des Biegens mittels der Roboter 14 und 16 gehalten wird, mittels zumindest eines der Roboter 14 und 16 in dem Teilbereich T4 um einen Biegekopf 20 umgebogen wird. Nachdem beispielsweise das Rohr 12 in dem Teilbereich T4 mittels der Heizeinrichtung 18 erwärmt wurde, wird die Heizeinrichtung 18 von dem Rohr 12 entfernt.
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Dann wird das Rohr 12 mittels der Roboter 14 und 16 beispielsweise relativ zu dem Biegekopf 20 bewegt und/oder der Biegekopf 20 wird relativ zu dem Rohr 12 bewegt, sodass der erwärmte Teilbereich T4 zunächst in Stützanlage mit dem Biegekopf 20 kommt. Dann wird das Rohr 12 beispielsweise mittels der Roboter 14 und 16 in dem Teilbereich T4 um den Biegekopf 20 umgebogen, sodass mittels des Biegekopfes 20, welches ein Werkzeug, insbesondere ein Biegewerkzeug ist, ein gewünschter Biegeradius des Rohrs 12 in dem Teilbereich T4 hergestellt wird. Das Rohr 12 wird mittels der Roboter 14 und 16 insbesondere derart gebogen, dass ein an dem Roboter 16 gehaltener und sich an dem Teilbereich T4 anschließendes erstes Rohrstück 22 des Rohrs 12 mittels des Roboters 16 relativ zu dem Biegekopf 20, relativ zu dem Roboter 14 und relativ zu einem sich an das Rohrstück 22 und den Teilbereich T4 anschließenden zweiten Rohrstück 24 des Rohrs 12 bewegt und dabei um den Biegekopf 20 umgebogen wird, insbesondere während das Rohrstück 24 mittels des Roboters 14, insbesondere ortsfest, gehalten wird.
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Nach dem Erwärmen des Teilbereichs T4 sowie gegebenenfalls nach dem Biegen kann beispielsweise die Heizeinrichtung 18 von einer ersten Position P1 zu einer demgegenüber unterschiedlichen zweiten Position P2 bewegt werden, was in 2 durch einen Pfeil 26 veranschaulicht ist. Hierzu wird die Heizeinrichtung 18 mittels eines weiteren Roboters 28 bewegt, insbesondere relativ zu dem Biegekopf 20 und/oder relativ zu dem Rohr 12, insbesondere relativ zu dem gebogenen Rohr. Auch der weitere Roboter 28 weist mehrere, gelenkig miteinander verbundene und dadurch relativ zueinander bewegbare Roboterarme auf, sodass die Heizeinrichtung 18 mittels des Roboters 28 bedarfsgerecht im Raum umherbewegt werden kann. Der Roboter 28 ist somit eine Halterung für die Heizeinrichtung 18, welche beispielsweise als Induktor, insbesondere als Klappinduktor, ausgebildet ist. Wird beispielsweise das Rohr 12 in drei Teilbereichen gebogen und/oder in wenigstens einem Teilbereich dreimal gebogen, so sind drei Biegewinkel und in der Folge drei Heizeinrichtungen 18 beziehungsweise drei Induktoren beziehungsweise Klappinduktoren vorgesehen. Da das Rohr 12 mittels der Roboter 14 und 16 gebogen wird, bilden die Roboter 14 und 16 beispielsweise eine Biegestation. Der Roboter 28 mit der Heizeinrichtung 18 beziehungsweise mit den Heizeinrichtungen bildet beispielsweise eine Heizstation, welche beispielsweise im Raum bewegt werden kann. Zwischen den Robotern 14 und 16 kann ein synchroner Transport des erwärmten und dadurch beispielsweise biegeschlaffen, heißen Rohrs 12 erfolgen, sodass unerwünschte Verformungen des Rohrs vermieden werden können. Der Roboter 14 wird beispielsweise zum Spannen, Fixieren und Führen des Rohrs 12 verwendet. Der Roboter 16 wird beispielsweise zum Führen und zum Stabilisieren des heißen und dadurch biegeschlaffen Rohrs 12 verwendet.
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Darüber hinaus kann ein weiterer Roboter 30 zum Einsatz kommen, welcher beispielsweise zur Kühlung und zu einer Übergabe an einen Roboter mit einer Linearachse verwendet wird. Der Biegekopf 20 weist beispielsweise eine Biegebacke, eine Spannzange und einen Gegenhalter auf. Des Weiteren kommt ein Roboter 32 zum Einsatz, mittels welchem beispielsweise ein Biegedorn 34 in dem Rohr 12 angeordnet und insbesondere in dem Rohr 12 gehalten wird. Mittels des Biegedorns 34 wird das Rohr 12 gebogen. Der Biegedorn 34 weist beispielsweise eine Fluidzufuhr insbesondere in Form einer Druckluftzufuhr auf, sodass eine variotherme Temperierung des Rohrs 12 von innen realisiert werden kann. Alternativ ist es denkbar, dass kein Biegedorn jedoch Druckluft zum Einsatz kommt, die in das Rohr 12 eingeleitet wird und das Rohr 12 durchströmt, insbesondere während des Biegens. Die Druckluft stellt einen Luftstrom bereit, mittels welchem das Rohr 12, insbesondere dessen Rohrinnenwand, gekühlt werden kann. Die Druckluft bildet beispielsweise einen sogenannten, auch als Luftschlauch bezeichneten Schlauch.
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Aus 2 ist darüber hinaus ein Rohrentnahmebehälter 36 erkennbar, aus welchem beispielsweise das zu biegende Rohr 12 entnommen wird, insbesondere mittels des Roboters 14. Mittels klassischer Rotationszugbiegemaschinen kann ein Rohr, insbesondere ein FVK-Rohr, lediglich an einer Biegestelle gebogen werden, sodass Prototypen nur mit großer Taktzeit und hohen Kosten hergestellt werden können. Im Gegensatz dazu hat das Verfahren die Realisierung mehr als nur einer Biegestelle im beziehungsweise am Rohr 12. Durch die auch als Rohrerwärmung bezeichnete Erwärmung des Rohrs 12 wird dieses biegeschlaff und verliert an Formstabilität, wobei dadurch, dass die Roboter 14 und 16 zum Einsatz kommen, das biegeschlaffe Rohr in Position gehalten werden kann. Üblicherweise kann das gebogene Rohr 12, insbesondere das gebogene Rohrstück 22, auf dem Weg zu einer Heizstation mit anderen Komponenten kollidieren. Um dies zu vermeiden, ist es beispielsweise vorgesehen, dass das gebogene Rohr 12 mittels der Roboter 14 und 16 derart bewegt wird, dass das gebogene Rohrstück 22 senkrecht nach oben steht. Alternativ oder zusätzlich wird nicht etwa das Rohr 12 bewegt, sondern das Rohr 12 bleibt nach dem Biegen beispielsweise ortsfest, während die Heizeinrichtung 18 mittels des Roboters 28 bewegt und dabei beispielsweise auf eine vordere Seite gewechselt wird. Hierdurch können Kollisionen des gebogenen Rohrs 12 mit anderen Komponenten vermieden werden.
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Während Rotationszugbiegemaschinen ein massives Maschinengestell mit hohem Anteil an maschinenspezifischen Teilen zum Biegen aufweisen, kann das Rohr 12 mittels des Verfahrens besonders flexibel und bedarfsgerecht gebogen werden, sodass das Verfahren besonders wandlungsfähig ist. Mit anderen Worten können auch komplexe, unterschiedliche Geometrien des Rohrs 12 auf einfache, zeit- und kostengünstige Weise hergestellt werden. Eine Temperierung des als Heizzeug ausgebildeten Rohrs 12 in einer Rotationszugbiegemaschine ist üblicherweise nur durch Sonderaufbauten realisierbar, und das Halbzeug kann üblicherweise nur durch weitere translatorische Schwenkbewegung durch Infrarotstrahlung mit sehr langer Aufheizzeit erwärmt werden. Vorliegend kann mittels des Verfahrens eine induktive Heiz- und Biegestation realisiert werden, in die die Heizeinrichtung 18 integriert ist. Die Heizeinrichtung 18 ist dabei insbesondere als induktive Heizeinrichtung für zum Beispiel CFK-basierte Hohlkörper ausgebildet, mittels welcher das Rohr 22 induktiv erwärmt werden kann. Dadurch kann das Rohr 12 zeit- und kostengünstig erwärmt werden.
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Herkömmliche Biegedorne werden bei Induktionsaufheizung zu heiß und erlauben keine Temperierung zur Regelung der Aufheizparameter. Dies kann durch den neuartigen Biegedorn 34 vermieden werden, mittels welchem das Rohr 12 über eine aktive variotherme Gas-Temperierung und integrierte, induktionsabhängige Messsensorik bedarfsgerecht temperiert werden kann. Ferner können vorhandene Biegedornsysteme keine störende Matrixanhaftung an dem Biegedorn verhindern. Durch die beschriebene Luftströmung zwischen dem Rohr 12 und dem Biegedorn 34 können jedoch der Matrixmaterialkontakt und die Matrixanheftung vermieden oder gering gehalten werden. Ferner ist üblicherweise eine volumetrische Erwärmung des Rohrs 12 nicht möglich, da der sogenannte Skin-Effekt bei einer Induktionserwärmung auftreten kann. Dies kann durch eine entsprechende Materialauswahl des Biegedorns 34 vermieden werden. Durch entsprechende Materialauswahl des Biegedorns 34 wird der Biegedorn 34 mittels der Heizeinrichtung 18 induktiv erwärmt, sodass das Rohr 12 von innen mittels des Biegedorns 34, welcher induktiv erwärmt wird, vorteilhaft erwärmt werden kann.
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Zunächst wird beispielsweise das zunächst gerade FVK-Rohr aus einem Magazin entnommen. Daraufhin wird das Rohr 12 gebogen, insbesondere mittels eines roboterunterstützten CNC-Rotationsbiegens. Das Rohr 12 wird einer Erwärmung übergeben und Überprüfung. Dann wird das Rohr beispielsweise erwärmt, und es werden KE-Elemente eingebracht sowie Rohrenden umgeformt. Die Rohrenden werden dann abgelenkt. Anschließend erfolgen ein Imprägnieren und Rekonsolidieren. Anschließend erfolgt ein lokales Tapen in den Biegebereichen, und beispielsweise in einer Laserzelle werden Löcher lasergeschnitten. Anschließend werden beispielsweise Buchsen gefügt. Anschließend erfolgt eine automatisierte Montage. Daraufhin erfolgt beispielsweise ein Kleben von Gummilagern und Blechschellen. Dann wird das fertig hergestellte FVK-Hohlstrukturbauteil in eine Qualitätsstation eingelegt, und es erfolgt eine Dokumentation.
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3, 4 und 5 zeigen unterschiedliche Ausführungsformen des Biegedorns 34, welcher zumindest teilweise in dem Rohr 12 angeordnet ist. Bei einer in 3 gezeigten ersten Ausführungsform weist der Biegedorn 34 einen auch als Aluminiumkern bezeichneten Kern 38 auf, welcher aus Aluminium gebildet ist. Der Kern 38 ist beispielsweise mit einer Ummantelung 40 ummantelt, welche aus einem Kunststoff gebildet sein kann. Bei einer in 4 gezeigten zweiten Ausführungsform weist der Biegedorn 34 den Kern 38 auf, welcher jedoch auch aus Holz gebildet ist. Der als Holzkern ausgebildete Kern 38 ist von einem Ringelement 42 aus Aluminium ummantelt, wobei zwischen dem Kern 38 und dem Ringelement 42 eine beispielsweise aus einem Kunststoff gebildete Zwischenschicht 44 vorgesehen ist. Die Zwischenschicht 44 ist beispielsweise die Ummantelung 40 gemäß der ersten Ausführungsform. 5 zeigt eine dritte Ausführungsform, bei welcher der Kern 38 aus Holz gebildet ist. Auch bei der dritten Ausführungsform ummantelt das Ringelement 42 den Kern 38, wobei jedoch das Ringelement 42 direkt auf dem Kern 38 angeordnet ist. Dies bedeutet, dass zwischen dem Kern 38 und dem Ringelement 42 keine weitere Zwischenschicht angeordnet ist. Das Ringelement 42 und der Kern 38 sind von einer Ummantelung 40 ummantelt. Der Kern 38 beziehungsweise das Ringelement 42 kann als magnetischer Kern fungieren, um die Erwärmung über die Rohrdicke zu verbessern. Beispielsweise kann der magnetische Kern induktiv mittels der Heizeinrichtung 18 erwärmt werden, sodass das Rohr 12 von innen erwärmt werden kann.
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Beispielsweise wird das Rohr 12 unter Verwendung eines Konzentrators aufgeheizt, welcher die folgenden Vorteile aufweist:
- - homogene Erwärmung
- - Verbesserung der thermischen Effizienz
- - Energie- und Kostenersparnisse durch Verbesserung der Effizienz
- - umgebende Messmittel sind nicht durch die Induktion betroffen.
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Insbesondere kann mittels des Biegedorns 34, welcher sich bei der beziehungsweise durch die Nutzung erwärmt, eine vorteilhafte volumetrische Erwärmung realisiert werden. Ferner kann der Skin-Effekt kompensiert werden, da sich der Biegedorn 34 aufgrund seiner Materialauswahl von innen miterwärmt, wenn das Rohr 12 mittels des Induktors erwärmt wird.
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Wie aus 6 und 7 erkennbar ist, weist beispielsweise die als Induktor ausgebildete Heizeinrichtung 18 zwei Teile 46 und 48, insbesondere zwei Hälften, auf. Beispielsweise wird für jede Biegestelle ein eigener Induktor verwendet, da der jeweilige Induktor (2D beziehungsweise 3D), insbesondere dessen Inneres, an die jeweilige Biegestelle angepasst sein kann. Insbesondere ist die Länge des jeweiligen Induktors an die jeweilige Biegestelle angepasst. Die Teile 46 und 48 sind beispielsweise relativ zueinander translatorisch und/oder rotatorisch bewegbar und können voneinander weg und aufeinander zu bewegt und dadurch geöffnet und geschlossen werden. Das Bewegen der Teile 46 und 48 relativ zueinander erfolgt beispielsweise über einen Antrieb, insbesondere mittels eines Axialantriebs. Je größer beispielsweise der Biegewinkel ist, desto größer ist die Länge, über welche das Rohr 12 an der jeweiligen Biegestelle mittels der Heizeinrichtung 18 erwärmt wird. Die Heizeinrichtung als Generator wird beispielsweise mittels eines Koaxialtransformators 50 elektrischer Energie zum Erwärmen des Rohrs 12 versorgt.
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6 zeigt die Heizeinrichtung 18, wobei die Teile 46 und 48 beziehungsweise die Heizeinrichtung 18 geöffnet sind beispielsweise ist. Im geöffneten Zustand der Heizeinrichtung 18 wird das Rohr 12, insbesondere die jeweilige Biegestelle, in den Induktor eingelegt. Daraufhin werden die Teile 46 und 48 beziehungsweise der Induktor geschlossen, was in 7 erkennbar ist. Im geschlossenen Zustand des Induktors wird das Rohr 12 an der jeweiligen Biegestelle erwärmt beziehungsweise aufgeheizt. Daraufhin wird der Induktor geöffnet, sodass beispielsweise das Rohr 12, insbesondere die erwärmte Biegestelle, zu dem Biegekopf 20 bewegt und schließlich gebogen werden kann. Folgender Ablauf ist beispielsweise vorgesehen:
- - Werkzeug temperieren und aufheizen
- - Rohr 12 zu Induktor fahren
- - Biegedorn 34 in Position Heizen fahren (gegebenenfalls Variante nur Gasinnendruck)
- - Induktor schließen
- - Rohr 12 erwärmen, Innendruck (Werkzeug und Rohrinnen-Temperierung) einschalten
- - Induktor öffnen und Rohr zur Biegestation beziehungsweise zum Biegekopf 20 bewegen, insbesondere verfahren.
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8 zeigt eine erste Ausführungsform einer Heizstation, welche den Roboter 28 und beispielsweise mehrere, übereinander angeordnete Heizeinrichtungen 18 aufweist. Erkennbar ist der auch als Lineareinheit bezeichnete und mit 52 bezeichnete Linearantrieb, mittels welchem die Teile 46 und 48 geöffnet und geschlossen werden können. Die Heizeinrichtung 18 ist somit als geteilter Induktor ausgebildet, welcher beispielsweise wassergekühlt ist. Außerdem ist aus 8 ein Kabel 54 erkennbar, welches beispielsweise zu einem Generator führt. Über das Kabel 54 kann die jeweilige Heizeinrichtung 18 von dem Generator mit elektrischem Strom zum Heizen des Rohrs 12 versorgt werden.
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Aus 8 sind auch die in 8 mit 55a-c bezeichneten Roboterarme des Roboters 28 erkennbar, wobei die vorigen und folgenden Ausführungen zum Roboter 28 ohne Weiteres auch auf die anderen Roboter 14, 16, 30 und 32 übertragen werden können und umgekehrt. Dabei sind die Roboterarme 55a-c gelenkig miteinander verbunden, sodass die Roboterarme 55a-c beispielsweise translatorisch und/oder rotatorisch relativ zueinander bewegt werden können. Hierdurch kann beispielsweise die Heizeinrichtung 18 bedarfsgerecht bewegt werden. Ferner kann auch das Rohr 12 bedarfsgerecht bewegt werden. Insbesondere sind das Rohr 12 beziehungsweise die Heizeinrichtung 18 an einem jeweiligen Endeffektor beziehungsweise Manipulator des jeweiligen Roboters gehalten, sodass der Manipulator und somit die Heizeinrichtung 18 beziehungsweise das Rohr 12 bedarfsgerecht im Raum umherbewegt werden können, insbesondere mittels der Roboterarme 55a-c. Die Roboterarme 55a-c werden auch als Roboterachsen bezeichnet.
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9 zeigt die Heizstation, welche gemäß eines Schubladensystems ausgebildet ist. Das Schubladensystem ist dabei verfahrbar, was in 9 durch Pfeile 56 veranschaulicht ist.
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10 zeigt den Biegekopf 20 in einer schematischen Perspektivansicht. Der Biegekopf 20 umfasst einen Gegenhalter 58, eine Biegeform 60, um welche das Rohr 12 an der jeweiligen Biegestelle gebogen wird, sodass mittels der Biegeform 60 der jeweilige Biegeradius beziehungsweise Biegewinkel hergestellt wird. Ferner umfasst der Biegekopf 20 eine innere Spannbacke 62 und eine äußere Spannbacke 64, welche eine Aufnahme 66 für das in 10 nicht dargestellte Rohr 12 sowie für den in 10 nicht dargestellten Biegedorn 34 bilden beziehungsweise begrenzen. Somit kann das Rohr 12 zwischen den Spannbacken 62 und 64 gespannt werden. Ferner ist eine Aufnahme 68 in einem Ständer mit elektrischem Drehantrieb vorgesehen. Der beispielsweise als Stahldorn ausgebildete Biegedorn 34 unterstützt die induktive Erwärmung von innen. Mittels des zuvor genannten Luftstroms kann eine Luftkühlung realisiert werden, wodurch ein Überhitzen verhindert werden kann. Außerdem vermindert die Druckluft die Anhaftung, beispielsweise des Biegedorns 34 an dem Rohr 12. Mittels des Biegekopfes 20 wird beispielsweise das Rohr in einer 2-D-Biegeebene gebogen.
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11 zeigt den als Gliederdorn ausgebildeten Biegedorn 34. Dabei kann ein innerer Luftstrom 70 vorgesehen sein, welcher innerhalb des Biegedorns 34 strömt, um dadurch den Biegedorn 34 von innen zu temperieren. Außerdem ist ein äußerer Luftstrom 72 vorgesehen, welcher zwischen dem Biegedorn 34 und dem Rohr 12 strömt. Der äußere Luftstrom 72 und ein durch diesen bewirkter äußerer Luftdruck dienen der Temperierung des Biegedorns 34 und der inneren Rohrwand des Rohrs 12 und hält einen Abstand zwischen dem Rohr 12 und dem Biegedorn 34 zur Vermeidung einer zu starken Anhaftung. Darüber hinaus ist eine Abdichtung 74 zwischen dem Biegedorn 34 und dem Rohr 12 vorgesehen. Folgende Weiterentwicklungen des Biegedorns 34 sind denkbar:
- - Einbringen von je zwei Messsensoren in drei Schuppen
- - konstruktive Anpassung des Biegedorns 34 zur Kabelführung
- - konstruktive Anpassung zur Druckluftführung
- - spezielle Materialauswahl (geringe Magnetisierbarkeit beziehungsweise Einstellbarkeit der FVK-Rohr-Innen-Erwärmung)
- - Keramik (nicht magnetisch)
- - magnetischer Werkzeugstahl (zum Beispiel 1.2379)
- - nicht magnetischer Stahl (zum Beispiel 1.4404)
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Insbesondere kann der Gliederdorn Aufnahmen für Messsensoren aufweisen, wozu beispielsweise Sacklochbohrungen (Dorntemperatur) und Durchgangsbohrungen (Rohrinnentemperatur) vorgesehen sind.
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Ferner ist der Einsatz eines temperierten Schuppendorns ohne Kühlauslass denkbar, wodurch der auch als Dorn bezeichnete Biegedorn 34 gekühlt werden kann. Außerdem ist es denkbar, einen temperierten Schuppendorn mit Kühlauslass vorzusehen, wodurch der Dorn und somit die Biegezone gekühlt werden können. Eine zusätzliche Kühlung von außen kann somit beispielsweise vermieden werden.
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In 12 ist eine Ausführungsform veranschaulicht, bei welcher das Rohr 12 ohne einen Biegedorn mittels Schlauchblasbiegen bezeichnet wird. Durch in 12 durch Pfeile veranschaulichte Luft beziehungsweise Luftströmung bildet sich ein Biegeschlauch 76. Wird dann das Rohr 12 von außen aufgeheizt, so bildet sich in dem Rohr 12 eine mechanisch stabile, kühle Schicht aus der Luftströmung. Diese Luftströmung kühlt dann die Rohrinnenfläche. Beispielsweise wird durch das Erwärmen des Rohrs 12 dessen Matrix, insbesondere Kunststoffmatrix, an- beziehungsweise aufgeschmolzen und somit schmelzförmig, sodass das FVK-Rohr besonders vorteilhaft gebogen werden kann. Ferner kann mittels des Luftstroms im Inneren des Rohrs 12 ein Stützdruck gebildet werden, wodurch das Rohr für das Biegen vorbereitet wird. Insbesondere können folgende Vorteile durch das Verfahren realisiert werden:
- - flexible und wandlungsfähige Produktion
- - Verzicht auf massives Maschinengestell
- - induktive Rohraufheizung von außen und innen (heizen und variotherm mit Gas temperieren) mit biegezonenspezifischem teilbarem Induktor
- - sehr energieeffektive, volumetrische, direkte FVK-Rohrerwärmung
- - Roboter-Transport des erhitzten, biegeschlaffen FVK-Rohres von neuartiger Heiz- zur Biegestation
- - geringe Taktzeit; Roboter als Abkühllehre, variotherme Luftstrom-Biegedorn-Temperierung, induktives Erwärmen über spezifischen Klappinduktor entsprechend des Biegewinkels
- - Roboter-geführter Biegedorn/Biegedornstange (2400 Millimeter, bauteilabhängig)
- - variotherm temperierbarer Biegedorn mit Temperatur-Sensorintegration zur Temperaturmessung im FVK-Rohr innen und der Dorntemperatur (robuster Fertigungsprozess)
- - Luftstrom/Luftdruck zwischen Biegedorn und FVK-Rohr-Innenwand dient der Temperierung und der Vermeidung von störender Anhaftung von Rohrmatrixmaterial
- - volumetrische FVK-Rohrerwärmung sehr schnell möglich (direkte und indirekte Rohrerwärmung)
- - variable, bauteilspezifische Heizstationsanordnung kann über Roboter, insbesondere über den Roboter 28, dargestellt werden
- - 2-D-Biegeebene mit speziellen Biegeblechen, Biegeschablonen als auch 3-dimensionale Biegebleche, Biegeschablonen sind flexibel möglich
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13 und 14 zeigen das als Feder, insbesondere als Spiralfeder, ausgebildete Hohlstrukturbauteil 10, wobei die Feder mittels des beschriebenen Verfahrens hergestellt ist. Dabei ist das Rohr 12 in einer 3-D-Biegeebene gebogen, um die Feder herzustellen. Die Feder kann ferner als Schraubenfeder ausgebildet sein. Die Feder kann beispielsweise als Druck- und/oder Zugfeder und/oder als Dämpferfeder für einen Personenkraftwagen verwendets werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012020184 A1 [0002]
- DE 102012021403 A1 [0002]
- DE 102011011577 A1 [0002]
- DE 102010049563 A1 [0002]
- DE 102011108219 A1 [0002]
- DE 102012005973 A1 [0002]
