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Die vorliegende Offenbarung betrifft Vorrichtungen zum Herstellen von Wickelprodukten und Verfahren zum Herstellen von Wickelprodukten.
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Bekannt sind Wickelverfahren oder Flechtverfahren bei denen ein Material auf einen Kern aufgewickelt wird. Diese Verfahren eignen sich vorwiegend zur Herstellung rotationssymmetrischer Bauteile, wie Behälter, Rohre, Wellen. Mit mehrachsig bewegbaren Führungen können auch kompliziertere Bauteile, z.B. gekrümmte Bauteile hergestellt werden. Allerdings sind beispielsweise dickwandige Bauteile herstellungsaufwendig. Denn das zu wickelnde Material wird in der Regel in dünnem Film bereitgestellt, der zur Herstellung eines dickwandigen Bauteils entsprechend oft gewickelt werden muss. Verbesserungen in diesen Bereichen sind wünschenswert.
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Eine Aufgabe besteht darin, die Herstellung gewickelter Bauteile zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch die offenbarte Technologie gelöst, welche durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche definiert ist. Die abhängigen Ansprüche betreffen entsprechende Weiterbildungen. Im Folgenden werden verschiedene Aspekte und Ausführungsformen dieser Aspekte offenbart, die zusätzliche Merkmale und Vorteile bereitstellen.
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Einige Ausführungsformen lösen die spezielle Aufgabe einen Wasserstofftank für ein Fahrzeug effizient herstellen zu können. Dazu werden dünne thermoplastische Profile als Rollenware mit einem Querschnitt von 2 mm^1 bereitgestellt. Die Profile weisen Verstärkungsfasern aus Kohlenstoff auf. Die kohlenstoffverstärkten Profile werden in einem Pultrusionsstabdrucker weiterverarbeitet. Dabei werden sie auf eine vorgegebene Temperatur aufgeheizt, um verformbar zu sein. In dem Pultrusionsstabdrucker werden die Profile in ein Wickelgut umgewandelt, welches einen Querschnitt von bis zu 100 mm2 aufweist. Das heiße Wickelgut wird danach in eine Wickeleinrichtung gezogen und auf einem Positivkern der Wickeleinrichtung gewickelt. Die aufgeheizten Lagen verbinden sich zu einer festen Form. Vorteilhaft kann dadurch die Dicke eines Wickelgutes vorgegeben werden und insbesondere dicker sein als standardmäßig bereitgestellte Materialien zur Erzeugung von Wickelprodukten. Dadurch kann ein gewünschtes Wickelprodukt durch weniger Wicklungen und in weniger Zeit also mit einem höheren Austrag, bereitgestellt werden.
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Im Folgenden werden dazu weitere Aspekte und Ausführungsformen dieser Aspekte offenbart.
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Ein erster Aspekt betrifft eine Vorrichtung, dazu eingerichtet:
- - ein Ausgangsmaterial in einem Wickelgutdrucker in ein Wickelgut, insbesondere strangförmiges Wickelgut, umzuformen;
- - das Wickelgut durch eine Rotationseinrichtung in ein vorgegebenes Wickelprodukt umzuformen.
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Ein Wickelprodukt kann ein rotationssymmetrisches Bauteil sein, z.B. ein Behälter, ein Rohr und/oder eine Welle. Je nach der Ausgestaltung der Rotationseinrichtung können auch kompliziertere Formen, insbesondere gekrümmte Formen, hergestellt werden. Insbesondere kann ein Tank, z.B. ein Wasserstofftank, sein. Des Weiteren kann ein Wickelprodukt auch ein Verstärkungsprofil sein.
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Ein Ausgangsmaterial kann insbesondere ein thermoplastisches Material sein, welches durch Erhitzung verformbar wird. Ein solches Material kann auch faserverstärkte Stoffe umfassen, beispielsweise CFK-Rods (dünne, thermoplastische CFK-Profile, welche auf Rollen aufgewickelt sind) oder thermoplastisch bepulverte CFK-Rovings. Zusätzlich oder alternativ kann ein thermoplastisches Wickelmaterial auch andere Fasern, z.B. Metallfasern, enthalten.
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Ein Wickelgutdrucker kann jede Einrichtung umfassen, die dazu ausgebildet ist, ein Wickelgut in einer vorgegebenen Art und Weise, insbesondere in einem vorgegebenen Querschnitt, bereitzustellen. In einer Ausführungsform kann ein Wickelgutdrucker ein Pultrusionsdrucker sein, bei dem faserverstärkte Kunststoffprofile oder -stäbe als Wickelgut hergestellt werden. Dazu werden ein oder mehrere Ausgangsmaterialien in dem Pultrusionsdrucker bis zur Verformbarkeit erhitzt. Danach wird durch ein in dem Pultrusionsdrucker befindliches Formwerkzeug aus dem Ausgangsmaterial das Wickelgut mit einem vorgegebenen Querschnitt erzeugt.
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Das Wickelgut kann strangförmig gedruckt werden, insbesondere in einer endlosstrangförmigen Konfiguration. Das Wickelgut kann insbesondere 2 bis 10mm dick und/oder 20mm bis 30mm breit sein. Andere Querschnittskonfigurationen sind ebenfalls möglich.
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Eine Rotationseinrichtung umfasst wenigstens ein Wickelelement, welches dazu eingerichtet ist, das Wickelgut aufzuwickeln. Das Wickelelement kann nach der Fertigstellung des Wickelprodukts von diesem entfernt werden oder ein Teil des Wickelproduktes bleiben. Kompliziertere Rotationseinrichtungen sind möglich, dies wird später noch genauer erklärt.
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Vorteilhaft sind mit Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kürzere Prozesszeiten und/oder ein hoher Wickelertrag möglich. Denn durch die Umformung des Ausgangsmaterials in ein Wickelgut kann ein auf das Wickelprodukt abgestimmtes Wickelgut von der Rotationseinrichtung gewickelt werden. Insbesondere kann ein Wickelgut mit einer größeren Dicke als das Ausgangsmaterial oder als ein standardmäßiges Wickelgut bereitgestellt werden. Dadurch sind weniger Wicklungen erforderlich, um eine entsprechende Wandstärke des Wickelproduktes zu erzeugen.
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Eine Ausführungsform des ersten Aspekts betrifft eine Vorrichtung, wobei der Wickelgutdrucker ein Pultrusionsstabdrucker ist.
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Ein Pultrusionsstabdrucker stellt aus einem Ausgangsmaterial ein stabförmiges Material bereit, welches Fasern, z.B. CFK-Fasern, umfasst. Vorteilhaft kann ein Pultrusionsstabdrucker als Wickelgut ein faserverstärktes Endlosmaterial bereitstellen, welches ohne weitere Anpassungen durch die Rotationseinrichtung aufgewickelt werden kann.
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Eine Ausführungsform des ersten Aspekts betrifft eine Vorrichtung, wobei der Wickelgutdrucker dazu eingerichtet ist, ein vorgegeben geformtes Wickelgut bereitzustellen.
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Insbesondere kann ein vorgegeben geformtes Wickelgut eine vorgegebene Dicke und/oder einen vorgegebenen Querschnitt aufweisen. Beispielsweise kann ein Ausgangsmaterial mit 2 mm Dicke in ein Wickelgut mit 10 mm Dicke umgeformt werden. Das vorgegeben geformte Wickelgut kann insbesondere durch ein am Ausgang des Wickelgutdruckers angeordnetes Formelement erfolgen. Durch das Formelement am Ausgang kann ein strangförmig bereitgestelltes Wickelgut nochmals geformt werden. Vorteilhaft kann dadurch ein dickeres Material als Wickelprodukt vorgegeben werden, so dass es weniger Wicklungen bedarf bis eine vorgegebene Wandstärke des Wickelproduktes erreicht ist.
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Eine Ausführungsform des ersten Aspekts betrifft eine Vorrichtung, wobei der Wickelgutdrucker dazu eingerichtet ist, ein Wickelgut mit variierenden Querschnitten bereitzustellen.
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Ein variierender Querschnitt kann insbesondere durch eine unterschiedliche Anzahl von Strängen von Ausgangsmaterial vorgegeben werden. Dies kann insbesondere durch ein aktiv gesteuertes Wickelauge des Wickelgutdruckers erfolgen, so dass ein Wickelgut beim Übergang in die Rotationseinrichtung je nach Steuerung mehr oder weniger flach gezogen wird. Zusätzlich oder alternativ kann durch variierende Begrenzungen am Wickelauge, durch das das Wickelgut geführt wird, ein Querschnitt des Wickelgutes gesteuert beeinflusst werden. Vorteilhaft kann dadurch ein Wickelgut-Querschnitt gezielt eingestellt werden, insbesondere in Abhängigkeit verschiedener zu wickelnder Abschnitte des Wickelproduktes. Insbesondere kann ein Wickelauge flach ausgebildet sein, um dem Wickelgut eine flache, tapeähnliche Form zu geben.
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Eine Ausführungsform des ersten Aspekts betrifft eine Vorrichtung, wobei der Wickelgutdrucker dazu eingerichtet ist, Wickelgut mit variierenden Materialien bereitzustellen.
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Das Wickelgut kann insbesondere in Abhängigkeit verschiedener zu wickelnder Abschnitte des Wickelproduktes verschiedene Materialien umfassen. Die verschiedenen Materialien können zuvor dem Wickelgutdrucker bereitgestellt werden.
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Eine Ausführungsform des ersten Aspekts betrifft eine Vorrichtung, dazu eingerichtet das Wickelgut mit einer vorgegebenen Temperatur bereitzustellen.
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Der Ausgang des Wickelgutdruckers kann ein Aufheizelement umfassen, um Wickelgut vorgegeben aufheizen zu können. Das Aufheizelement kann dazu eingerichtet sein, das den Wickelgutdrucker in Richtung Rotationseinrichtung verlassende Wickelgut nochmals zu erhitzen. Das Wickelgut kann im Formwerkzeug abgekühlt sein. Zusätzlich oder alternativ kann das Aufheizelement dazu eingerichtet sein die oben auf der Rotationseinrichtung befindliche, also bereits gewickelte, Lage nochmals aufzuheizen. Vorteilhaft kann dadurch eine Haftung der Wickelgutlagen untereinander verbessert werden. Eine Aufheizung kann insbesondere über einen Laser, über einen IR-Strahler und/oder über Bestromung des Wickelgutes (wenn dieses elektrisch leitend ist) erfolgen. Die Erhitzung kann insbesondere lokal, also an einer vorgegebenen Stelle, erfolgen.
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In einer speziellen Ausführungsform kann ein Wickelauge ein Aufheizelement aufweisen. Damit kann das Wickelgut unmittelbar bevor es auf die Rotationseinrichtung geführt wird nochmals auf eine entsprechend vorgegebene Temperatur erhitzt werden. Dies kann beispielsweise durch einen Hitzestrahler, einen Laser oder durch ein Erhitzen mittels eines Fluides (einer Flüssigkeit und oder ein Gas) erfolgen.
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Eine Ausführungsform des ersten Aspekts betrifft eine Vorrichtung, wobei der Wickelgutdrucker beweglich gelagert ist.
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Der Wickelgutdrucker kann dazu auf einem aktiven Positionierer, z.B. einer Hebebühne, oder an einem Roboter angeordnet sein. Vorteilhaft kann dadurch die Wicklung gezielt beeinflusst werden.
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Eine Ausführungsform des ersten Aspekts betrifft eine Vorrichtung, dazu eingerichtet, das Wickelgut in einer vorgegebenen Richtung auf die Rotationseinrichtung zu führen.
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Der Ausgang des Wickelgutdruckers kann dazu insbesondere ein Ablenkungselement umfassen, um Wickelgut vorgegeben auf die Rotationseinrichtung zu führen.
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Eine Ausführungsform des ersten Aspekts betrifft eine Vorrichtung, wobei die Rotationseinrichtung beweglich gelagert ist.
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Die Rotationseinrichtung kann insbesondere ergänzend zu Bewegungsmöglichkeiten des Wickelgutdruckers gelagert sein. Insbesondere kann die Rotationseinrichtung durch einen Roboter oder andere Positioniereinrichtung, z.B. eine Hebebühne, beweglich gelagert sein. Vorteilhaft können durch eine bewegliche Anordnung der Rotationseinrichtung kompliziertere Formen bzw. kompliziertere Wickelspuren realisiert werden.
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Eine Ausführungsform des ersten Aspekts betrifft eine Vorrichtung, wobei die Rotationseinrichtung mehrere Wickelelemente umfasst.
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Ein Wickelelement kann insbesondere eine Form sein, um die eine Wicklung erfolgen kann. Die Wickelelemente können insbesondere entlang der drei translatorischen Freiheitsgrade angeordnet sein.
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Eine Ausführungsform des ersten Aspekts betrifft eine Vorrichtung, wobei die Rotationsvorrichtung dazu eingerichtet ist, gewickeltes Wickelgut zu erhitzen, insbesondere auf eine vorgegebene Temperatur.
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Die Rotationseinrichtung kann insbesondere beheizbare Wickelelemente umfassen. Zusätzlich oder alternativ können Heizelemente so an der Rotationseinrichtung angeordnet sein, dass sie auf lokale Abschnitte des Wickelgutes wirken und dieses erhitzen, insbesondere um vorher gewickelte Lagen weiterhin heiß und damit haftend zu halten (per Laser, Heizstrahler (IR), Bestromung und/oder einem heißen Fluid).
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Ein zweiter Aspekt betrifft ein Verfahren, umfassend folgende Schritte:
- - Bereitstellen eines Ausgangsmaterials;
- - Umformen des Ausgangsmaterials in ein, insbesondere strangförmiges, Wickelgut;
- - Führen des Wickelgutes zu einer Rotationseinrichtung;
- - Wickeln des Wickelgutes durch die Rotationseinrichtung zum Wickelprodukt.
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Eine Ausführungsform des zweiten Aspekts betrifft ein Verfahren, mit dem Schritt:
- - Aufheizen des Wickelgutes vor und/oder während des Wickelns.
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Wie oben beschrieben dient das Erhitzen bzw. das Erwärmen des Wickelgutes dazu, dass es beim Wickeln eine Haftungsfähigkeit aufweist, so dass mehrere Lagen des Wickelgutes miteinander verbunden werden können.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den folgenden Ausführungsformen, die sich auf die Figuren beziehen. Die Figuren zeigen die Ausführungsformen nicht maßstabsgetreu. Die Abmessungen der verschiedenen Merkmale können insbesondere zur Klarheit der Beschreibung entsprechend vergrößert oder verkleinert sein. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
- 1 eine Vorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
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In der folgenden Beschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Offenbarung bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Aspekte gezeigt sind, in denen die vorliegende Offenbarung verstanden werden kann. In den folgenden Beschreibungen beziehen sich identische Bezugszeichen auf identische bzw. zumindest funktional oder strukturell ähnliche Merkmale.
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Generell gilt eine Offenbarung über ein beschriebenes Verfahren auch für eine entsprechende Vorrichtung, um das Verfahren durchzuführen oder herzustellen, oder für ein entsprechendes System, welches ein oder mehrere Vorrichtungen umfasst, und umgekehrt. Wenn beispielsweise ein spezieller Verfahrensschritt beschrieben wird, kann eine entsprechende Vorrichtung ein Merkmal umfassen, um den beschriebenen Verfahrensschritt durchzuführen, auch wenn dieses Merkmal nicht explizit beschrieben oder dargestellt ist. Wenn andererseits beispielsweise eine spezielle Vorrichtung auf der Grundlage von Funktionseinheiten und/oder Strukturmerkmalen beschrieben wird, kann ein entsprechendes Verfahren einen Schritt umfassen, der die beschriebene Funktionalität ausführt oder mit dem eine entsprechende Struktur hergestellt werden kann, auch wenn solche Schritte nicht explizit beschrieben oder dargestellt sind. Ebenso kann ein System mit entsprechenden Vorrichtungsmerkmalen versehen werden oder mit Merkmalen, um einen bestimmten Verfahrensschritt auszuführen. Merkmale der verschiedenen zuvor oder nachfolgend beschriebenen Aspekte und Ausführungsformen können miteinander kombiniert werden, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben.
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1 zeigt eine Vorrichtung nach einer Ausführungsform 100 der vorliegenden Offenbarung. Die Ausführungsform umfasst einen Materialspender 101. Der Materialspender 101 stellt ein Ausgangsmaterial auf zwei Rollen 102a und 102b bereit. In einer Variante der Ausführungsform kann der Ausgangsmaterialspender 101 ein Flechtrad sein, welches, aus Ausgangsmaterial auf einer Mehrzahl von Rollen 102a, 102b, ein zusammengesetztes (verflochtenes) Ausgangsmaterial bereitstellt. In einer anderen Variante der Ausführungsform kann der Ausgangsmaterialspender ein Spulengatter sein, welches eine Vielzahl von Spulen, z.B. bis zu 26 Spulen, aufnehmen kann. Die Rollen 102a, 102b stellen das Ausgangsmaterial mehr oder weniger als einen endlosen Strang 103a, 103b bereit.
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Die Stränge werden dann in einem Stabdrucker 200 zusammengeführt und weiterverarbeitet. Der Stabdrucker 200 kann dazu eine Tänzersteuerung 201 aufweisen, der die verschiedenen Stränge, welche in dünner Form vorliegen, miteinander verbindet, zum Beispiel verdrillt oder anderweitig verflechtet, insbesondere wenn dies nicht schon vorher geschehen ist. Der Stabdrucker 200 weist darüber hinaus eine Heizstrecke 202 auf, in welcher der Strang des Ausgangsmaterials geführt wird. Die Heizstrecke ist dazu eingerichtet, den Strang auf eine vorgegebene Temperatur zu erhitzen. Bei dieser Temperatur wird das Ausgangsmaterial verformbar.
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Nachdem der Strang durch die Heizstrecke entsprechend erhitzt wurde, wird er in das Formwerkzeug 203 geführt. Das Formwerkzeug ist Teil des Stabdruckers 200. Das Formwerkzeug ist dazu eingerichtet, einem formbaren Strang einen vorgegebenen Querschnitt aufzuprägen. Insbesondere kann aus den Ausgangssträngen 103a, 103b, die eine geringe Dicke aufweisen ein Wickelgut 300 erzeugt werden, welches eine wesentlich größere Dicke aufweist, und dabei eine entsprechend geringere Breite. In einem Beispiel können die Ausgangsmaterialien 103a, 103b eine Dicke von 2 mm betragen und eine Dicke des geformten Wickelgutes 300 kann 10 mm betragen.
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Nachdem der zusammengesetzte Strang durch das Formwerkzeug einen vorgegebenen Querschnitt erhalten hat, wird das entstandene Wickelgut 300 durch ein Wickelauge 204 zu einer Rotationseinrichtung 400 geführt. Die Rotationseinrichtung 400 ist in 1 perspektivisch dargestellt. Das Wickelauge umfasst neben einer Führungsfunktion auch einen Hitzestrahler, um das Wickelgut lokal aufzuheizen, bevor es aufgerollt wird. Zusätzlich oder alternativ kann der Hitzestrahler auf die zuletzt gewickelte Lage auf der Rotationseinrichtung gerichtet sein, um diese lokal aufzuheizen, bevor sie durch die nächste Lage, die gerade aus dem Drucker kommt, umwickelt wird.
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Die Rotationseinrichtung 400 kann im einfachsten Fall aus einer drehbar gelagerten Rolle bestehen. Dabei kann die Lagerung 401 einen Antrieb umfassen, der hier nicht dargestellt ist. Die Rolle 402 bildet das Kernelement um welches Wege gut 300 gewickelt wird. Eine Wicklung erfolgt dabei regelmäßig in mehreren Lagen 301, um eine ausreichende Wandstärke des gewickelten Ausgangsprodukts zu erhalten. Dabei ist es wichtig, dass die Lagen 301 miteinander gut verbunden sind. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass auch die Rotationseinrichtung dazu eingerichtet ist, das Wickelgut 301 auf einer entsprechenden Temperatur zu halten. Dies kann insbesondere durch eine elektrische Bestromung des Wickelgutes 301 erfolgen. In 1 ist nur eine sehr einfache Rotationseinrichtung für die Herstellung eines gewickelten Rohres offenbart. Selbstverständlich kann die Rotationseinrichtung aus anders geformten Wickelelementen bestehen, die auch mehrere rotierende Wickelelemente umfassen.
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Insbesondere vorteilhaft bei dieser Vorrichtung ist die Möglichkeit, ein vorgegeben geformtes Wickelgut 300 mit einem, im Vergleich zu einem Ausgangsmaterial, dickeren Querschnitt in die Rotationseinrichtung führen zu können. Dadurch kann ein Wickelprodukt schneller und effizienter hergestellt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Vorrichtung zum Erstellen eines Wickelproduktes
- 101
- Spulengatter
- 102a, 102b
- Spule mit Ausgangsmaterial
- 103a, 103b
- Ausgangsmaterial
- 200
- Wickelgutdrucker
- 201
- Tänzersteuerung
- 202
- Heizstrecke
- 203
- Formwerkzeug
- 204
- Wickelauge
- 300
- Wickelgut
- 301
- aufgewickeltes Wickelgut
- 400
- Rotationseinrichtung
- 401
- Lagerung der Rotationseinrichtung
- 402
- Rolle, Rotationselement
