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Die Anmeldung betrifft Verfahren zur Herstellung von verstärkten Profilstäben nach Anspruch 1 sowie die Gestaltung solcher Profile nach Anspruch 2 bis Anspruch 15.
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Konstruktionsprofilstäbe der genannten Art werden im Maschinenbau für Gestelle und Rahmenkonstruktionen oder z. B. in der Automatisierungstechnik eingesetzt.
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Für höhere Belastbarkeit der Profile ist es erforderlich, die Außenquerabmessung zu vergrößern. Da die Querschnittfläche quadratisch mit dieser anwächst, ist ein erheblicher Mehraufwand an Material erforderlich. Das größere Volumen lässt die Profile auch teuer und unhandlich werden.
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Konstruktionsprofile mit in Längsrichtung angeordneten Hohlräumen sind in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 38 30 607 beschrieben. Mit einem Konstruktionsprofil, wie dort offenbart, ist jedoch keine wesentliche Erhöhung der Belastbarkeit ohne die genannten Nachteile möglich.
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Im
DE-GM 89 07 891.8 wird in Verbindung mit einem vorteilhaft ausgestalteten sogenannten Nutenstein ein quadratisches (Alu) Profil mit konzentrischen Stäben und Rohren offenbart.
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Das
DE-GM 89 01 539.8 zeigt ein rechteckig gestaltetes Tragprofil aus Aluminium mit Vollprofil-Einsatzkörpern aus Material höherer Festigkeit in verschiedenen Ausgestaltungen.
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Aus der
DE-OS 42 00 955 ist ein Rohrkonzept mit eingesetzten symmetrisch angeordneten Versteifungsbleichen zur Verwendung im Treppenbau bekannt.
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Die
DE-OS 35 40 398 zeigt ein rechteckiges klappsymmetrisches Hohlprofil mit zentralem Innenraum, aus dessen Innenflächen Führungsleisten vorgesehen sind, an welchen eingefügte Bauteile aus härterem Material zur Verbesserung des Widerstandsmoments des Konstruktionsprofils geführt werden.
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Aus der
DE-OS 39 43 333 ist aus dem Bausektor ein unsymmetrisches dickwandiges Hohlkammerprofil (z. B. aus Kunststoff) mit Armierungsprofil bekannt, bei dem für eine formschlüssige Verbindung dieser Profile bei Belastung Spalte zwischen den Profilen mit quellfähigem Material wenigstens teilweise ausgefüllt werden, nach dem diese Masse aktiviert ist. Die quellfähige Masse soll auf das Armierungsprofil vor dem Einbringen desselben aufgebracht werden und muss dann (offensichtlich zur Volumenvergrößerung – durch örtliche Gasentwicklung z. B.) aktiviert werden, wobei die Möglichkeit der Demontage jederzeit erhalten bleiben soll. Im Falle chemischer Aktivierung müsste diese also reversibel sein, was praktisch schon von der Volumenreduzierung her nicht möglich ist, es sei denn, der Spalt ist nach der Aktivierung nur z. T. gefüllt und oder vorhandenes aufgequollenes Volumen wird zur Demontage zerstört. Insbesondere gilt dies bei Verwendung von chemisch aktiviertem quellfähigem Schaum.
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Das
DE-GM 89 10 968.6 zeigt ein Leichtmetall-Balkenprofil mit Stützrohren aus Stahl und Schnappverbindungen zwischen Teilprofilen, bei denen ein so entstandener Hohlraum zum Zwecke der Fixierung vergossen werden kann.
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In dieser Entgegenhaltung (
GM 89 10 968.6 ) ist zwar auch davon die Rede, dass Stützrohre aus Stahl oder anderen hochfesten Werkstoffen vorgesehen sind.
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Sie betrifft aber ein Profil von komplexerer Struktur, während der Erfindungsgegenstand einen kompakten Profilquerschnitt betrifft.
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Durch die Versetzung und Mehrstückigkeit der in der Entgegenhaltung genannten Stützrohre und ebenso des Profils ist die Tragfähigkeit dieses Balkenprofils jedoch reduziert und die Herstellung außerdem bei schlechterer Geradlinigkeit erschwert. Die Wandstärke des entgegengehaltenen Profils beträgt außerdem etwa die Hälfte der Querschnittabmessung.
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Hinzu kommt, dass bei der Erfindung zwischen den Sitzflächen aushärtende Kunststoffschichten vorgesehen sind, welche gezielt zur Schwingungsdämpfung herangezogen werden können.
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Aus der
DE-OS 25 47 897 ist ein Profilträger bekannt, bei dem auf Zug beanspruchte Verstärkungselemente vorgesehen sind, welche je nach Anwendungsbelastung aus unterschiedlichem Material gewählt wird. Die Befestigung der Verstärkungselemente geschieht z. B. durch Schraubbindung oder durch Deformierung bzw. Formschluss.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, alternative Methoden für eine wirtschaftliche Herstellung von schwingungsgedämpften verstärkten Profilstäben gemäß A1 zu erreichen und eine vorteilhafte Gestaltung derartiger Profile anzugeben sowie gattungsgemäße Profilstäbe hinsichtlich ihrer Festigkeit und Biegesteifigkeit im Hinblick auf ein möglichst kleines Geweicht und möglichst kleinen Raumbedarf, vor allem für Zwecke der Industrie-Automation zu verbessern, und außerdem die Weiterverarbeitung unproblematischer und die Verwendbarkeit günstiger zu machen.
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Die Zeichnungen zeigen Ausführungsbeispiele für die Erfindungen.
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1 zeigt ein Profil in natürlicher Größe für einen erfindungsgemäßen Profilstab, der für verschiedene Trägerprofilvarianten geeignet ist.
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2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der rechten oberen Ecke von 1.
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3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Profilstabs in welchen ein hohlquadratischer Träger eingesetzt ist, während
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4 eine zweite Ausführung mit hohlzylindrischem Tragrohr ähnlich 3 aufweist.
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5 zeigt eine dritte Ausführung mit hohlquadratischem Trägerprofil, wobei im Unterschied zu 3 die Quadratseiten von Stab und Träger parallel verlaufend ineinander sitzen. (Während bei 3 die Quadratseiten des Trägerprofils parallel zu den Diagonalen des Stabprofils verlaufen.)
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6 zeigt schließlich eine weitere Variante mit einem massiven, in Belastungsrichtung hochkant eingesetzten, Träger.
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Im folgenden sind die gleichbezifferten Teile von gleicher Bedeutung bzw. Funktion, wobei in 3 eine 2, in 4 eine 3, in 5 eine 4 vor der funktionscharakteristischen Ziffer steht; (siehe z. B. 39, 391, 392 in 4).
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Im einzelnen sieht man in 1 das zu den Mittelachsen A1 und A2 sowie zu den Diagonalen D1 und D2 klappsymmetrische dünnwandige Stabprofil 1, welches in bekannter Weise im Bereich der Ecken pfeilspitzenartig dadurch ausgebildet ist, daß beiderseits der Ecken in ebenfalls bekannter Weise Nuten von außen vorgesehen sind. Die Böden 86, 87 dieser Nuten bilden so etwas wie ein inneres paralleles Quadratprofil, dessen Abmessung das 0,6 bis 0,8-fache der äußeren Quadratumhüllung ausmacht.
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In 3 liegt das eingesetzte dünnwandige Hohlträgerteil 2, z. B. aus Stahl, von quadratischer Gestalt, so, daß dessen Diagonalen auf den Achsen A1 und A2 liegen, sodaß die Diagonalabmessung des Trägerprofils 2 möglichst so groß ist wie eine Quadratseite des Stabprofils 1. Das Trägerprofil 2 sitzt, symmetrisch benachbart zu den Achsen A1 und A2, an ebenen Tragflächen 21–28, unter 30° zu A1, A2 an der Innenwand des Stabprofils auf. Die Ecken des Profils 2 ragen in eine Art Innennut z. B. 90, 91 des Stabprofils 1 jeweils im Bereich der Quadratseitenmitten.
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In 4 sitzt das z. B. hohle Stahlrohr 3 konzentrisch im Stabprofil 1 derart, daß es an gekrümmten Flächen 31–38 in der Nähe der Diagonalen D1/D2 aufliegt, wobei diese gekrümmten Flächen der Außenwandkrümmung des Teiles 3 entsprechen, welche in der 2 mit 35, 36 bezeichnet sind. Der Außendurchmesser des Teiles 3 entspricht etwa 2/3 der Quadratseite des Profiles 1.
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Bei der 5 liegt das hohle Quadratprofil 4 für den Träger seitenparallel im Stabprofil 1. Im Eckbereich des Quadrates von 4 liegen die Sitzflächen bzw. Linien 41, 42, 43 (bis 52) den benachbarten Nutböden 86 und 87 gegenüber, zwischen ihnen eine Wand 88 bildend.
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In 6 greift der massive Hochkantstab 6 von innen in die Innennuten 90, 91 des Stabprofils so ein, daß er satt drin sitzt und zwar symmetrisch auf der Achse A2. Wird das Stabprofil in Richtung der Achse A2 belastet, z. B. auch als Träger im Maschinenbau allgemein oder bei Gebäuden, kann der Stahlkern sozusagen die ganze Last aufnehmen.
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Die Innenfläche des Profils 1 ist so gestaltet, daß alle Trägervarianten nach 3 oder 4, oder 5, oder 6 eingesetzt werden können.
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Im Falle der 3 liegen die Sitzflächen 21–28 benachbart zu den Achsen A1, A2; im Falle der 4 benachbart zu den Diagonalen D1, D2 und im Falle der 5 ebenso und im Falle der 6 im Bereich der Achse A2. Die Sitzflächen sind außerdem immer symmetrisch zu den Achsen oder Diagonalen.
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Die Erfindung ermöglicht auch eine erweiterte Anwendung gattungsgemäßer Profile im allgemeinen Maschinenbau und in der Bautechnik.
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Die 3 und 4 zeigen die Anordnung in natürlicher Größe. Dimensionen der Zeichnung, Proportionen derselben und Bemessungsangaben können erfinderische Bedeutung haben.
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In der Praxis ist das Zusammenfügen von Träger und Stab problematisch, weil beim Stab als stranggepreßtes Aluminiumprofil (z. B. wie Teil 1) eine Abweichung von der idealen Geradheit um wenige mm pro m Stablänge unvermeidbar ist. Bei einem Stahlträger (z. B. nach Art der Teile 2, 3, 4 in den 3, 4, 5) ist die Abweichung zwar wesentlich kleiner, jedoch können in der Praxis des Zusammenfügens, d. h. bei der Herstellung, diese Abweichungen gegensinnig liegend sein, z. B. ihre minimale Krümmung in umgekehrter Richtung liegen, und dann addieren sich also ihre ”Geradlinigkeits-Fehler.”. Das bedeutet für das Zusammenfügen große Toleranzfelder von Stab 1 und Trägerteilen 2, 3, 4 zueinander. Selbst wenn ideale mathematische Geradheit der beiden Elemente Stab und Träger angenähert vorläge, muß (meistens so gewünscht) für ihre Verbindung über die ganze Länge miteinander, z. B. durch koaxiales Ineinanderfügen (bei mehr oder weniger formschlüssigem Charakter) – wie es in den 2 bis 6 ja auch dargestellt ist – auch eine Mindestspieltoleranz der, bzw. an den Sitzflächen (21ff, 31ff, 41ff) von Stab und Träger zueinander gegeben sein. Es müßte sonst mit ungewünscht großen Kräften, u. U. unter Materialverformung beim weicheren Stabmaterial, ein Träger in den Stab eingepreßt werden. Das wäre zwar im Falle eines Reibungsschlusses zwischen Stab und Träger auch machbar, jedoch in wirtschaftlich vertretbarem Rahmen (abgesehen von den anderen Nachteilen wie z. B. Verformung) nur bei kürzeren Profilstäben in der Massenfertigung möglich.
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Gerade für die Verwendung als Halbzeug, welches z. B. weiterbearbeitbar, z. B zuschneidbar sein muß, braucht man jedoch größere Längen relativ biegesteifer Profilstäbe nach der Erfindung, die auch ihre mechanischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Profilverbundes dann behalten, wenn der Verbund z. B. auf Teillängen zugeschnitten werden muß.
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In diesem Sinne und auch für wirtschaftliche Herstellung und noch zusätzliche Festigkeitssteigerung wird vorgesehen, zwischen Stab und Träger an ihren gegenseitigen Berührungsflächen solche Toleranzen vorzusehen, daß für unproblematisches Ineinanderfügen (eine noch) ausreichende Spieltoleranz besteht, vor allem aber, daß in den zueinander gekehrten profilierten Wänden von Stab und Träger, welche die gegenseitigen Berührungsflächen haben, durch Vertiefungen gebildete Hohlräume 29, 39 mit aushärtendem Kunststoff ausgefüllt werden, der sich vorzugsweise in den Grenzzonen (z. B. 391, 392; 291, 292) der Hohlräume 29, 39 zwischen Stab und Träger bis zu den Berührungsflächen (21–28, 31ff, 41ff) hin (durch Kapillarwirkung und oder unter Druck) vor Aushärtung ausbreitet.
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Im Falle der 3 ist deshalb die in Stabrichtung längs verlaufende Nut, z. B. 29, aus ineinandergefügtem Stab 1 und Träger 2 als geschlossener Kanal gebildet. Vom einen axialen Ende her kann der noch flüssige Kunststoff (Kleber) z. B. unter Druck eingeführt werden, der sich auch in die zwickelartigen Grenzbereiche 291, 292 ausbreitet. Natürlich können auch die anderen Kanäle der Hohlräume außerhalb des Trägers so gefüllt werden. Man wird i. a. wenigstens die drei zu 29 um 90° verteilten dafür vorsehen (293, 294, 295).
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Bei 4 ist der Querschnitt des Kanals 39 ebenso wie der Kanal 29 in 3 für die Befüllung mit flüssigem Kunststoff geeignet, jedoch noch etwas größer als im Falle von 3, was mehr Kunststoffvolumen bedeutet. Das Profil gemäß 1 hat aber im Kanal 39 die zwickelartigen, vom Kanalzentrum weg noch spitzer als die Zwickel 291/292 in 3 auslaufenden Grenzbereiche 391, 392, die für ein gutes Verkleben vom Stab und Träger von Bedeutung sind, indem der Kunststoff dort eindringt. Wenn dies Stabprofil sehr lang ist, kann ein relativ großer, wie z. B. bei 4 im Durchmesser seines Querschnitts nicht zu unterschiedlicher Kanal für die Befüllung mit flüssigem Kleber oder Kunststoff günstig sein (doch ist für diese Methode an sich keine besondere Kanalform nötig), indem diese über einem eingeführten Schlauch geschieht, der nach und nach, gemäß erfolgter Befüllung, vom einen axialen Ende des Stabprofils herausgezogen wird, während die Befüllung über ihn im Innern des Profils, des Kanals geschieht. Das gleiche kann mit 2 Schläuchen von beiden Enden her erfolgen: Von außen wird in beide Schläuche der Kunststoff oder Kleber eingepreßt und im Maß der Befüllung werden die beiden Schläuche von beiden Enden her herausgezogen.
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Diese aus der Hausbautechnik für das Einsetzen von Türrahmen in Wände an sich bekannte Methode ist hier bei der Herstellung erfindungsgemäßer Verbundprofile mit großem Vorteil überraschend anwendhar. Versuche ergaben nicht nur eine große Stabilitätssteigerung z. B. bei Kombination Träger – Stahlrohr mit Stab-Aluminium-Strangpreßprofil, sondern auch eine uneingeschränkte Stabilität bei zugeschnittenen Teilen.
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Das hat sich gezeigt bei der Verwendung von sogenanntem Hartschlamm als Kleber (Kunststoff) – sogenannter PU-Schaum auf der Basis von Poly-Urethan – welcher in Gegenwart von Luft aufschäumt, expandierend erhärtet. Sobald solcher Hartschaum im Innern des o. g. Kanals aus dem Schlauch zur Befüllung ausgetreten ist, geschieht diese Volumenexpansion und Aushärtung. Diese Methode und dieses Material hat sich im viel gröberen Baugewerbe bewährt und auch bei den vorliegenden Profilverbunden überraschend gute Ergebnisse gezeigt, sodaß wohl von einem nicht zu erwartenden Erfolg jener Methode hier bei erfindungsgemäßen Metall-Profilen für die Metall-Industrie-Automation mit ihren viel kleineren Toleranzen und anderen Materialen gesprochen werden kann.
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Anärob aushärtende Kunststoffe oder Kleber sind hier also von Vorteil.
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Bei ausreichend großem Kanalquerschnitt für die Befüllung können, z. B. zugeschnittene Längen von Stab und Träger dadurch im Sinne der Erfindung fertig gestellt werden, indem die Stücke, an einem Ende abgedichtet, in senkrechter Lage von oben her am andern Ende mit geeignetem Kleber, Gießharz, Spezialzement, Kunststoff durch Eingießen befüllt werden.
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Wenn z. B. Ölfestigkeit oder entsprechendes chemisches Verhalten oder Schwingungswechselbelastungsfestigkeit, zusätzliche Schwingungsdämpfung (z. B. Geräuschdämpfung) gefragt ist, kann die eine oder andere Befüllungsmethode vorteilhaft sein; z. B. ist entsprechender Spezialzement vorteilhaft für letzteres, senkrechtes Einfüllen geeignet.
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Im Falle der 5 sind die (repräsentativ für weitere) gezeigten benachbarten Kanäle 48, 49 viel kleiner, auch flacher. Falls kein Schlauch einführbar sein sollte, müßte der Steg zwischen den Nuten 48, 49, z. B. in der Mitte der Stablänge, für einen (nur angedeuteten) – vorzugsweise axial kurzen – Durchlaß 47 entfernt sein, sodaß über den Kanal 48 der Kleber oder viskose Kunststoff eingepreßt wird, bis er am gleichen oder anderen Ende über den Kanal 49, bzw. 49 und 48 austritt. Im Bedarfsfall kann man bei dieser Gestaltung bzw. Methode die für die Gesamtfestigkeit wichtigen, spitz in die Grenzfugen von Stab und Träger auslaufenden Zwickel (wie in 3: 291 und 292 oder 4: 391/392) des Kanals auch vorsehen unter entsprechender Anpassung der Profilteile. Diese Methode hat eine selbständige Bedeutung. Die Art des Kunststoffs (Klebers) hängt mit der Art der späteren Beanspruchung des Profils zusammen. Für statische Belastung ist ein volumenmäßig aufschäumender und sich in räumliche Winkel oder Verästelungen ausbreitender und dadurch eine optimale Verklebung von Stab und Träger ergebender Kleber günstig. Entscheidend ist nicht das Aufschäumen, sondern das Eindringen in die räumlichen Nischen. Für Wechselbelastungen ist ein nach Erstarren relativ hochelastischer, dichterer und festerer Kleber z. B. auf Polyesterbasis als Hartschaum, u. U. faserverstärkt, vorteilhaft anzuwenden.
