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Technisches Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Kajaks im Nasswickelverfahren auf einem zerlegbaren Wickelkern und weist die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und 2 auf.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Kajaks seit langer Zeit bekannt. Ursprünglich von den Eskimos zur Jagd entwickelt handelt es sich heute um ein modernes Sport- und Tourenboot welches man in die Bereiche Seekajak, Tourenkajak und Wildwasserkajak unterteilen kann.
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Ein Kajak ist dabei stets ein mit Doppelpaddel angetriebener Bootstyp, bei dem die Insassen in Fahrtrichtung sitzen. Dieses bildet eine Untergruppe der Kanus.
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Moderne Kajaks lassen sich in folgende Materialgruppen einteilen:
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Holzkajaks
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Das Fertigen von Holzkajaks ist ein sehr aufwendiges in vielen Schritten händisch ausgeführtes Verfahren, welches hier nicht näher behandelt werden soll, da sie massenmäßig eine untergeordnete Rolle spielen.
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Schlauchkajaks
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Schlauchboote sind gut zu transportieren und zu lagern. Es ist daher weder ein Dachgepäckträger noch viel Platz für die Lagerung erforderlich.
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Allerdings hat man bei diesen Booten einen erhöhten Kraftaufwand, da sie längst nicht die Steifigkeit eines Festkörperbootes erreichen. Diese Boote sind hauptsächlich für den sporadischen Gebrauch im Einsatz und werden hier auch nicht näher behandelt.
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Thermoplast-Kaj aks
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Kajaks aus thermoplastischen Kunststoffen sind weit verbreitet und werden häufig im Extrusionsblasdruck hergestellt wie im Patent
DE 3713951 A1 beschrieben. Ein weiteres gängiges Verfahren ist das Rotations-Sinter-Verfahren. Diese Boote werden in der Regel aus PE (Polyethylen) oder HDPE (High Density Polyethylen) hergestellt. Bei PE-Booten können kleine Beschädigungen mit dem Lötkolben oder einer Heißluftpistole repariert werden. Da die Dichte von PE geringer ist als die von Wasser schwimmen diese Boote, auch wenn sie vollgelaufen sind. PE ist sehr schlag- und bruchfest, allerdings sind diese Boote auch schwerer als faserverstärkte Boote. Das Einbringen von Sandwichstrukturen aus geschlossenzelligem Material ist ebenfalls bekannt.
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Faserverstärkte Kajaks
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Faserverstärkte Kajaks werden seit Jahrzenten gebaut. Diese werden entweder im Handlaminatverfahren hergestellt, bei dem Schicht für Schicht das Textile Halbzeug (oft Matte oder Gewebe) eingelegt und mit einer Matrix getränkt wird. Bei diesem Verfahren wird in einem offenen Werkzeug von außen nach innen gearbeitet, so dass man mit dem Gelcoat, welcher auch die Farbe des Bootes bestimmt, beginnt. Die Herstellung erfolgt in zwei Teilen, dem Ober- und dem Unterschiff, welche anschließend miteinander verklebt werden.
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Das zweite weitverbreitete Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Kajaks ist das Vakuuminfusionsverfahren. Hier werden wie beim Handlaminatverfahren die einzelnen Lagen abgelegt. Allerdings wird hier nicht schichtweise imprägniert. Stattdessen wird nach dem Ablegen aller Schichten eine Vakuumfolie aufgebracht und die Matrix mithilfe von Unterdruck indiziert.
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Faserverstärkte Boote sind sehr hart, glatt und steif und haben hierdurch gute Fahreigenschaften. Als Verstärkungsmaterial werden am häufigsten Glas-, Kohlenstoff-, Aramid-, Polyethylen- und Polyesterfasern eingesetzt. Faserverstärkte Kajaks weisen deutlich höhere Steifigkeiten bei geringerem Gewicht auf. Nachteilig ist der deutlich höhere Preis.
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Das Handlaminatverfahren, sowie das Vakuuminfusionsverfahren haben den Nachteil, dass es sich um sehr zeitaufwendige Herstellverfahren handelt, welche zudem einen hohen Abfallanteil ausweisen. Zu nennen sind hier Verschnitt der Gelege, Matten und Gewebe sowie bei der Vakuuminfusion zusätzlicher Abfall durch Vakuumfolie, Fließhilfen, Angusskanäle und Lochfolie.
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Ein weiterer Nachteil ist, dass immer zuerst Ober- und Unterschiff hergestellt werden, welche anschließend verklebt werden. Somit erhält man keine durchgehend faserverstärkten Bauteile. Durch diese Konstruktionsart können auch keine Fasern in optimaler Ausrichtung rund um das Boot eingebracht werden.
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Darstellung der Erfindung
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Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Kajak hergestellt im Nasswickelverfahren, welche die Nachteile des Standes der Technik überwindet.
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Diese Aufgabe löst das Kajak hergestellt im Nasswickelverfahren des Patentanspruchs 1.
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Dementsprechend umfasst die Erfindung ein Kajak, welches sich dadurch auszeichnet, dass es im Nasswickelverfahren hergestellt wird. In diesem Herstellverfahren werden imprägnierte Endlosfasern in Längsrichtung nach einem bestimmten Ablagemuster um das Kajak gewickelt welche später zum faserverstärkten Bauteil aushärten. Das Nasswickelverfahren ist bekannt und wird hauptsächlich zur Herstellung von Rohren, Masten oder Tanks eingesetzt. Bei Rohren und Masten wird auf einen Kern gewickelt welcher später über Abzugsvorrichtungen aus dem Produkt herausgezogen wird. Bei der Herstellung von Tanks wird auf einen Inliner, meist ein Thermoplast, gewickelt. Dieser verbleibt anschließend im Produkt.
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Bei der Herstellung eines Kajaks kann der Kern weder abgezogen werden, noch im Kajak verbleiben, so dass hier ein Kern geschaffen werden muss, welcher die Geometrie des Endproduktes aufweist und später wieder entfernt werden kann.
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Beschreibung der Zeichnung
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der „Schematische perspektivische Darstellung der Kajakherstellung im Nasswickelverfahren“, der „Schematische Draufsicht und Ansicht eines zerlegbaren Wickelkerns“ sowie der „Schematische perspektivische Draufsicht und Ansicht eines aufblasbaren Wickelkerns näher beschrieben.
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Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
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Die zeigt das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Darstellung. Beim Nasswickelverfahren werden Fasern, dies sind in der Regel Rovings (2), endlose parallel, nicht verdrillte Fasern zusammengefasst zu einem Bündel, von einer Spule (1) oder einem anderen Vorrat abgezogen, welche sich auf einem Spulenständer befindet. Außer Rovings können noch Vliese, Matten, Gelege, Gewebe und Gestricke eingesetzt werden, wobei Rovings bevorzugt sind. Die Fasern bestehen aus Glas, Kohlenstoff, Aramid, Polymeren wie zum Beispiel Polyester oder Naturfasern wie zum Beispiel Flachs. Das Abziehen der Fasern geschieht hierbei allein über die Rotation des Wickelkerns (3), auf dem das Bauteil hergestellt wird. Die Fasern können in Bobbins, einem Vorrat an Rovings aus dem nach dem Aufwickeln der Kern entfernt wurde, vorliegen oder auf Spulen aufgespult sein. Beim Einsatz von Bobbins ist der Abzug der Fasern von außen und von innen möglich. Bevorzugt ist der Abzug von außen, so dass kein Drill in den Fasern entsteht, was zu einer besseren Laminatqualität führt. Die Spulen sind in der Regel gebremst um die Bahnspannung beim Ablegen der Fasern auf den Kern zu Erhöhen.
Die Fasern werden nach einer Sortierung und Führung durch ein Imprägnierbad geführt. Die Sortierung und Führung der Fasern ist wichtig, da sich die Fasern in der Regel nicht auf dem Schlitten (5) befinden, welcher sich entlang des Wickelkerns bewegt.
Im Imprägnierbad (4) befindet sich die Matrix. Diese kann aus einem ungesättigten Polyester, einem Vinylester, einem Epoxid oder einem Polyurethan-Reaktionsgemisch bestehen. In diesem Bad wird die Faser mit der Matrix getränkt. Weit verbreitet sind Tauchbäder, bei dem die Fasern durch die Matrix gezogen werden und Walzenbäder, bei dem eine Walze in ihrem unteren Bereich Matrix in Form eines Films aufnimmt und diese im oberen Bereich an die Fasern abgibt, welche über die Walze gezogen werden. Überschüssige Matrix wird von Abstreifern abgestriffen und läuft zurück ins Bad. Die Abstreifer sind in der Regel aus Metall gefertigte Stangen oder Flacheisen mit Teils spitz zulaufendem Ende.
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Beim Einsatz von Prepregs, vorimprägnierten textilen Halbzeugen wie Gelegen oder Geweben, Towpregs, vorimprägnierte Rovings, und Tapes, mit thermoplastischer Matrix vorimprägnierte textile Halbzeuge, entfällt das Imprägnierbad. Hier werden die genannten, bereits Matrix enthaltenden Fasern direkt auf den Kern gewickelt.
Nun werden die Fasern nach einem bestimmten Ablagemuster Lage für Lage auf dem Kern durch die Rotation des Wickelkerns um diesen abgelegt. Das Ablagemuster wird von einer Computersteuerung vorgegeben und entsteht durch die Bewegung der einzelnen Achsen. Hierzu zählen mindestens der sich rotierende Wickelkern (3) und der sich bewegende Ablagekopf (6). Das Imprägnierbad (4) muss sich nicht zwingend mitbewegen.
Das hier beschriebene Ausführungsbeispiel zeigt eine 2-Achs-Anlage. Dies ist die einfachste Ausführung einer Wickelanlage. Um eine möglichst genaue Ablage der Fasern insbesondere an den Enden des kajakförmigen Wickelkerns (3) Kerns zu gewährleisten ist eine 4-Achs-Anlage zu bevorzugen. Diese ist zusätzlich in der Lage den Schlitten (5) vom Wickelkern (3) aus betrachtet vor und zurück zu fahren, sowie den Ablagekopf (6) rotieren zu lassen. Die Anordnung der Lagen in ihrem bestimmten Ablagewinkel ist entscheiden für die mechanischen Eigenschaften des Bauteils.
Nachdem alle Lagen abgelegt sind erfolgt die Aushärtung. Diese ist von der Matrix abhängig und kann bei Raumtemperatur sowie bei erhöhter Temperatur erfolgen. Bei der Verwendung von thermoplastischen Prepregs, Towpregs oder Tapes ist das Aufschmelzen der Matrix zwingend.
Nach der Aushärtung wird ein Loch in das Kajak geschnitten, welches später die Einstiegsluke darstellt und der zerlegbare Kern wird entnommen.
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Der entnehmbare Wickelkern, dargestellt in „Schematische Draufsicht und Ansicht eines zerlegbaren Wickelkerns“ bildetet die Geometrie des Kajaks ab, wobei die Außenmaße des Wickelkerns den Innenmaßen des fertigen Kajaks entsprechen. Möglich sind hier außer dem dargestellten Wickelkern auch aufblasbare Kajakgeometrien und Rahmenkonstruktionen. Aufblasbare Strukturen haben den Nachteil, dass sie der Faserspannung im Wickelprozess weniger Kräfte entgegenbringen können, was dazu führt, dass die Faserspannung reduziert werden muss. Dies führt zu einer schlechteren Laminatqualität. Bei einer reinen Rahmenkonstruktion wird während des Wickelprozesses zwischen den Rahmen ohne Spannung abgelegt, was ebenfalls zu schlechterer Laminatqualität führt. Daher ist ein flächig geschlossener, fester Wickelkern bevorzugt, welcher möglichst stets konvex ist. Somit ist eine gleichbleibende und hohe Faserspannung während der gesamten Bauteilherstellung möglich. Als Material für einen zerlegbaren, flächig geschlossenen Wickelkern sind möglich Holz, bevorzugt Kunststoff, besonders bevorzugt thermoplastische Kunststoffe und faserverstärkte Kunststoffe sowie Metall, bevorzugt Stahl, besonders bevorzugt Aluminium. Weiter bevorzugt ist die Herstellung des Wickelkerns aus Kunststoff im 3-D-Druckverfahren.
Um den Wickelkern (3) nach der Aushärtung des Kajaks zu entnehmen ist bevorzugt, dass der Wickelkern in verschiedene Segmente unterteilt ist, welche über Verschraubung zum Beispiel mit Schnellspannern oder Verspannung zu dem Gesamtkern verbunden werden. Hierbei ist bevorzugt, dass der vorderste Teil im Bug, die Bugspitze (7) und der hinterste Teil im Heck, die Heckspitze (8), im späteren Bauteil verbleiben. Dies hat den Vorteil, dass hier die Aufnahme für die Wickelmaschine (13), welche das Bauteil in Rotation versetzt, leicht angebracht werden kann. Dies kann durch Einbringen von Gewinden geschehen an denen die Aufnahme für die Wickelmaschine (13) reingeschraubt werden können, welche nach der Herstellung wieder entfernt werden. An diesen im Kajak verbleibenden Gewinden können die Steueranlage am Heck (8) und einen Tragegriff am Bug (7) installiert werden. Somit stehen die Bugspitze (7) und die Heckspitze (8) für weitere Kajakherstellung mit dem Wickelkern nicht mehr zur Verfügung und müssen ersetzt werden. Die Teile des Wickelkerns im Bug (9) und die Teile des Kerns im Heck (10) können im vollen Umfang des Bauteils gestaltet sein, da sie konisch zulaufen und somit leicht entnommen werden können. Die Segmente des Mittelschiffs (11) hingegen sollten in zwei oder mehr Teile unterteilt sein um diese leichter entnehmen zu können. Die Länge der einzelnen Teile sollte immer an die Größe der Einstiegsluke (12) angepasst sein, aus der sie später entfernt werden. Auch das Wickeln auf einen im Kajak verbleibenden Kern, wie zum Beispiel einem dünnwandigen Thermoplast ist möglich.
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Der aufblasbare, entnehmbare Wickelkern, dargestellt in „Schematische Draufsicht und Ansicht eines aufblasbaren Wickelkerns“ bildetet die Geometrie des Kajaks ab, wobei die Außenmaße des Wickelkerns (15) den Innenmaßen des fertigen Kajaks entsprechen.
Der aufblasbare Wickelkern besteht aus Kautschuk, Silikon, PVC, Polyurethan oder anderen dem Fachmann als Materialien für aufblasbare Strukturen bekannten Materialien. Um die hohen Kräfte welche durch die Bahnspannung auf den Wickelkern wirken aufnehmen zu können, ist bevorzugt, dass es im aufblasbaren Wickelkern viele Verstrebungen gibt (16). Diese dürfen dabei nicht flächig den Querschnitt ausfüllen, um den Druckaufbau mit zum Beispiel Luft zu gewährleisten. Eine Ausführungsform der Verstrebung ist das Dropstitch-Gewebe, welches aus einer Vielzahl an zum Beispiel Polyesterfasern bestehenden Verstrebungen senkrecht zu einer oberen und unteren Deckschicht besteht. Beim Aufbau des Kerns ist deshalb bevorzugt, eine Ober- und eine Unterschiffgeometrie herzustellen, welche nach Anbringen aller Verstrebungen miteinander verbunden wird. Dies geschieht in der Regel durch Verklebung. Da der Wickelkern zur Entnahme aus dem späteren Bauteil nach Aushärtung entnommen werden muss, müssen auch die Verstrebungen zwar Zugkräfte aufnehmen können, dürfen aber nicht steif sein, um ein möglichst geringes Volumen des Wickelkerns nach Druckreduzierung zu gewährleisten. Unter Druckreduzierung ist die Reduzierung des Drucks, welcher zu einer festen Struktur notwendig ist bis zu dem Druck, welcher ein Verkleinern bis Minimieren des aufblasbaren Wickelkerns gewährleistet, zu verstehen. Dies kann bis zum kompletten Evakuieren des Wickelkerns reichen. Um die Kräfte aufzunehmen, welche im Nasswickelverfahren durch die Rotation des Wickelkerns und die Bahnspannung der Fasern auf den Wickelkern einwirken, ist ein durch den Kern laufender Dorn (17) bevorzugt. Dieser durchlaufende Dorn dient dazu die Kräfte, welche auf den aufblasbaren Wickelkern wirken, besser zu verteilen. Nach Aushärtung des Bauteils wird nach der Druckreduzierung erst der Dorn aus dem Wickelkern entfernt und anschließend der Wickelkern aus dem Bauteil. Als Dorn können feste Strukturen verstanden werden, wie Stangen und Rohre oder Vierkantrohre sowie flexible Strukturen, oft als biegsame Welle beschrieben, welche die Drehbewegung übertragen, dennoch nicht steif sind. Bevorzugte Materialien für den Dorn sind Metalle wie Stahl und Aluminium, Kunststoffe, bevorzugt faserverstärkte Kunststoffe sowie Holz. Der durchlaufende Dorn verläuft dabei in einem Schlauch (18) durch den aufblasbaren Wickelkern, der mit diesem verbunden ist, so dass die Beaufschlagung mit Druck den Dorn einklemmt. Um den Druck im Wickelkern zu erhöhen und somit überhaupt eine bewickelbare Struktur zu erzeugen, werden dem Fachmann zur Druckerhöhung einsetzbare Medien wie Öl, Wasser oder Luft in den Wickelkern geleitet. Bevorzugt ist die Verwendung von Luft. Dieses Medium kann bei der Ausführungsform ohne durchlaufenden Dorn über den Dorn in den Wickelkern gelangen. Hierbei ist eine Kupplung zwischen Dorn und aufblasbaren Wickelkern zu verwenden Bei der Ausführungsform mit durchlaufendem Dorn wird das Medium über ein Ventil im Bereich der späteren Einstiegsluke zugeführt. Beim Einsatz eines Ventils (19) im Bereich der Einstiegsluke ist dieses während des Wickelprozesses zu schützen, so dass es nicht von imprägnierten Fasern bedeckt oder teilbedeckt wird. Dies kann zum Beispiel durch einen Zylinder geschehen, welcher über das Ventil gestülpt wird. Bei der Ausführungsform ohne durchlaufenden Dorn, ist bevorzugt in den Enden des aufblasbaren Wickelkerns Elemente einzubringen, welche sich lösbar mit dem Dorn verbinden lassen und die Kräfte auf den Wickelkern übertragen. Die Verbindung kann über alle dem Fachmann als lösbare Verbindung bekannten Arten geschehen, wie zum Beispiel Verschrauben, Stecken oder jegliche andre Art der arretierenden Verbindung.
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Die Aushärtung kann auf dem rotierenden ausblasbaren Wickeldorn geschehen. Bevorzugt ist allerdings den bewickelten Wickelkern in eine Werkzeugform zu überführen, in der die Aushärtung stattfinden. Dies hat den Vorteil, dass sich die Oberflächengüte aufgrund der glatten Werkzeugwandung verbessert. Diese kann zusätzlich verbessert werden, in dem man vor dem Einlegen des bewickelten Wickelkerns einen Gelcoat auf die Werkzeugoberfläche aufbringt. Dieser Gelcoat kann zusätzlich Farben oder UV-Stabilisatoren enthalten. Die Werkzeugform besteht aus einem Metall, wie Stahl oder Aluminium, Holz oder Kunststoff sowie faserverstärktem Kunststoff. Bevorzugt ist die Werkzeugform beheizbar. Dies verkürzt die Aushärtezeit und erzielt, abhängig vom eingesetzten Matrixmaterial, höhere mechanische Eigenschaften.
Ein weiterer großer Vorteil des Wickelns auf einen ausblasbaren, immer noch in Maßen vom Innendruck des Wickelkerns abhängig, verformbaren Wickelkerns mit anschließender Aushärtung in einer Werkzeugform ist das Darstellen von konkaven Strukturen im fertig ausgehärtetem Kajak. Diese sind im Nasswickelverfahren auf festen Wickelkernen nicht möglich. Dies ermöglicht somit zum Beispiel einen V-Rumpf oder Wölbungen im Oberschiff. Um solche Strukturen darzustellen ist bevorzugt, nach dem Wickeln einen Teil des Drucks aus dem aufblasbaren Wickelkern zu reduzieren und nach Einlegen und Schließen der Werkzeugform den Druck wieder zu erhöhen, so dass sich alle Konturen der Werkzeugform gut ausbilden lassen.
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Da sich ein Kajak zum Bug und zum Heck zur Oberseite ausrichtet, um diese Bauteile Oberhalb der Wasserlinie zu halten und ein sanftes Durchgleiten durch das Wasser zu gewährleisten, ist eine Fixierung an diesen Stellen an der Wickelmaschine nicht bevorzugt, da dies nicht die Rotations-Symmetrieachse in der Ansicht darstellt. Hierzu ist bevorzugt eine Vorrichtung zu nutzen welche die Rotation möglichst symmetrisch um den Großteil des Kajaks ermöglicht. Dies kann durch eine Vorrichtung zum Verschieben der Aufnahmen für die Wickelmaschine geschehen (14). Dadurch sind Bug- und Heckbereich außerhalb der Rotationssymmetrie, aber der weitaus größere Teil befindet sich darin.
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Nach Entfernen des Wickelkerns können weitere Arbeitsschritte vorgenommen werden. Hier zu nennen ist das Anbringen eines Süllrandes. Dieser hat die Aufgabe, das Deck zu verstärken und die Aufnahme einer Spritzdecke darzustellen. Dieser kann einzeln hergestellt und verklebt, verschraubt oder vernietet werden oder direkt an das Kajak laminiert werden. Der Sitz kann nun am Süllrand oder am Boden des Kajaks befestigt werden. Falls gewünscht können auch Gepäckluken eingearbeitet werden. Hierzu wird ein Loch in der gewünschten Form in das Deck geschnitten und zum Beispiel ein fertiger Lukendeckel angebracht oder die ausgeschnittenen Teile werden als Deckel verwendet. Hierzu wird eine ebenfalls mit Loch versehene Unterkonstruktion von Innen an das Deck geklebt, auf der der Lukendeckel später liegt. Dies wird noch mit einer Dichtung versehen.
Falls eine Steueranlage installiert werden soll, ist bevorzugt die Führung der Steuerungsseile bereits auf dem Wickelkern zu berücksichtigen, da die Verlegung im fertigen Kajak durch die Luke schwierig ist. Das Steuerblatt kann einfach an dem beschriebenen Gewinde installiert werden. Die für die Steueranlage benötigten Fußpedale werden ebenfalls durch die Einstiegsluke installiert. Dies geschieht durch Verkleben an das Unterschiff oder die Seiten des Kajaks in Höhe im Fußbereich des Kajaks. Das Anbringen von weiteren Deckbeschlägen wie Rundumleine und Netzen kann nun am Deck ebenfalls geschehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1.
- Rovings auf Spulen
- 2.
- Rovings
- 3.
- Wickelkern
- 4.
- Imprägnierbad
- 5.
- Schlitten
- 6.
- Ablagekopf
- 7.
- Bugspitze
- 8.
- Heckspitze
- 9.
- Bugsegmente
- 10.
- Hecksegmente
- 11.
- Segmente des Mittelschiffs
- 12.
- Einstiegsluke
- 13.
- Aufnahme für die Wickelmaschine
- 14.
- Vorrichtung zum Verschieben der Rotationsachse
- 15.
- Außenhaut des aufblasbaren Wickelkerns
- 16.
- Verstrebungen im aufblasbaren Wickelkern
- 17.
- Dorn
- 18.
- Schlauch in dem der Dorn durch den aufblasbaren Wickelkern verläuft
- 19.
- Ventil um den aufblasbaren Wickelkern mit Druck zu beaufschlagen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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