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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft
das Gebiet der Segel und Verfahren für ihre Herstellung.
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Segel können flache, zweidimensionale
Segel oder dreidimensionale Segel sein. Im typischen Fall werden
dreidimensionale Segel durch das Breitvernähen einer Anzahl von Feldern
hergestellt. Felder, von denen jedes ein fertig verarbeiteter Sektor aus
Segeltuch ist, werden entlang eines Bogens geschnitten und mit anderen
Feldern zusammengesetzt, um den dreidimensionalen Aspekt des Segels bereitzustellen.
Die Felder haben typischerweise eine vierseitige oder dreieckige
Form mit einer Maximalbreite, die herkömmlich durch die Breite der
Rolle des fertig verarbeiteten Segeltuchs begrenzt wird, von welchem
sie abgeschnitten werden. Typischerweise liegen die Breiten der
Segeltuchrollen in einem Bereich zwischen ungefähr 91,5 und 137 cm (36 und 58
Inches).
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Segelhersteller sind vielen Einschränkungen und
Bedingungen unterworfen. Zusätzlich
zur Herstellung von Produkten, welche einer Verschlechterung durch
Wetter und Abscheuerung widerstehen, ist es das Ziel moderner Segelherstellung
eine flexible, dreidimensionale Luftfolie mit geringem Gewicht herzustellen,
welche ihre gewünschte
aerodynamische Form über
einen ausgewählten
Windbereich aufrechterhält.
Ein Schlüsselfaktor
bei der Erreichung dieses Zieles ist die Dehnungskontrolle der Luftfolie.
Eine Dehnung ist aus zwei Hauptgründen zu vermeiden. Erstens
stört sie
die Segelform wenn der Wind stärker
wird, was das Segel tiefer macht und dem Rücktrieb (draft aft) verschiebt.
Dies erzeugt einen unerwünschten
Zug sowie eine übermäßige Schlagseite
des Schiffs. Zweitens verschwendet eine Segeldehnung wertvolle Windenergie,
die dem Segelschiff über
das Tauwerk übertragen
werden sollte.
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Über
die Jahre haben Segelmacher versucht die Dehnung und die resultierende
unerwünschte Störung des
Segels zu kontrollieren bzw. einzuregeln, und zwar auf drei grundsätzliche
Arten.
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Die erste Art, auf die Segelmacher
versucht haben, die Segeldehnung zu steuern bzw. einzuregeln, war
die Verwendung von hochmodularen Niederdehnungsgarnen beim Herstellen
des Segeltuchs. Der spezifische Dehnungsmodul in gr/denier liegt
bei ungefähr
30 für
Baumwollgarne (verwendet in den 1940'ern), bei ungefähr 100 für Dacron®-Polyestergarne von
DuPont (verwendet in den 1950'ern bis zu den 1970'ern), ungefähr 900 für Kevlar®-Paraaramid-Garne
von DuPont (verwendet in den 1980'ern) und ungefähr 3000 für Kohlenstoffgarne (verwendet
in den 1990'ern).
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Die zweite grundsätzliche Art, auf die Segelmacher
versucht haben, die Segeldehnung zu kontrollieren bzw. einzuregeln
umfasste eine bessere Garnausrichtung basierend auf einem besseren
Verständnis
der Lastverteilung im fertig verarbeiteten Segel. Leichtere Segel,
die trotzdem eine geringere Dehnung aufwiesen, sind durch das Optimieren
von Segeltuchgewicht und Festigkeit und der Arbeit an der Garnausrichtung
hergestellt worden, um eine bessere Anpassung an die auftretenden
Lastintensitäten
und ihre Richtungen bereitzustellen. Die Anstrengungen umfassen
sowohl schussorientierte als auch kettorientierte Segeltücher und
individuelle Garne, die zwischen den beiden Folien eingebracht waren.
Mit einem besseren Verständnis
der Lastverteilung kam die Segelmacherei zu raffiniertem Feld-Layout-Konstruktionen.
Bis zu den späten 1970'ern
waren Segel prinzipiell aus schmalen Panelen aus schussorientiertem,
gewebtem Segeltuch gemacht, die in einer Querschneidekonstruktion
angeordnet waren, weil der Hauptteil der Last die Nähte und
die Breite der schmalen Felder querte. Mit dem Auftreten von Hochleistungsgammaterial,
wie zum Beispiel Kevlar, wurde die Dehnung der vielen horizontalen
Nähte in
den Segeln ein Problem. Um dieses zu lösen und die Garnausrichtung
besser an die Lastmuster anzupassen, ging ein Ansatz seit den frühen 1980'ern
dahin, schmale Felder aus kettorientierten Segeltüchern in
Feld-Layout-Konstruktionen, die als „Leech-Cut" bekannt sind,
anzuordnen und zu vernähen,
und später
mit mehr Erfolg als „Tri-Radial"-Konstruktion.
Die „Tri-Radial"-Konstruktion ist
typischerweise in mehrere Sektionen unterbrochen, die aus schmalen,
vorab zusammengesetzten, radial verlaufenden Feldern hergestellt
sind. Die hochbelasteten Abschnitte des Segels, wie zum Beispiel
das Schothorn, der Kopf und die Lieck-Abschnitte, sind typischerweise
mit radialen Panelen hergestellt, die aus schwerem Segeltuch geschnitten
sind. Die weniger belasteten Segelabschnitte, wie zum Beispiel die Luv-
und die Halsabschnitte sind mit Feldern gemacht, die aus leichterem
Segeltuch geschnitten sind. Dieser Ansatz hat leider seine Nachteile.
Große Segel,
die auf diese Weise hergestellt werden, haben beispielsweise bis
zu 120 schmale Felder, welche geschnitten und breit miteinander
vernäht
werden müssen,
und zwar mit großer
Präzision,
um verschiedene große
Abschnitte auszubilden. Dies ist extrem zeitaufwändig und somit teuer, und jeder
Mangel an Präzision
resultiert oftmals in Unregelmäßigkeiten
der Segelform. Die Vermischung von verwendeten Segeltuchtypen bewirkt,
dass unterschiedliche Felder mit unterschiedlichen Raten schrumpfen,
was die Glätte
des Segels entlang der Verbindungsnähte unterschiedlicher Sektionen
negativ beeinflussen, speziell über
längere
Zeit.
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Ein Ansatz zur Steuerung bzw. Einregelung der
Segeldehnung war es, ein traditionelleres Segel aus herkömmlichen,
gewebten, schussorientierten Segeltuchfelder aufzubauen und es außen durch
die Aufbringung von flachen Streifen oben auf den Feldern zu verstärken, welche
den erwarteten Lastlinien folgen, siehe US-Patent Nr. 4,593,639.
Während
dieser Ansatz relativ billig ist, hat er seine Nachteile. Die Verstärkungsstreifen
können
schneller schrumpfen als das Segeltuch zwischen den Streifen, was
in schweren Formunregelmäßigkeiten
resultiert. Das nicht-gestützte
Segeltuch zwischen den Streifen beult sich oft, was die Gestalt
der Tragfläche
negativ beeinflusst.
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Ein weiterer Ansatz war es, schmale,
quergeschnittene Felder aus Segeltuch herzustellen, die individuell
aufgelegte Garne aufwiesen, welche den Lastlinien folgen. Die individuellen
Garne sind zwischen zwei Folien eingebracht und laufen kontinuierlich
in jedem Feld, siehe US-Patent Nr. 4,708,080 von Conrad. Weil die
individuellen radial verlaufenden Garne kontinuierlich in jedem
Feld verlaufen, herrscht eine feste Beziehung zwischen den Garnbahnen
und den erreichten Garndichten. Es macht es schwierig; Garndichten
in jedem Feld zu optimieren. Aufgrund der begrenzten Breite der
Felder hat dieser Querschneide-Ansatz
das Problem, dass er eine große
Anzahl horizontaler Nähte
aufweist. Die schmalen, quergeschnittenen Felder des Segeltuchs,
die aus individuellen, beabstandeten, radial verlaufenden Garnen
hergestellt sind, sind schwierig erfolgreich zusammenzunähen; die
Heftung hält
nicht auf den individuellen Garnen. Sogar wenn die Nähte durch
ein Haftmittel aneinander gesichert sind, um die Heftung zu minimieren,
kann die Nähe
der horizontalen Nähte
zu den hochbelasteten Ecken eine Quelle für Naht- und somit Segel-Fehler
sein.
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Noch ein weiterer Ansatz war es,
das Segeltuch und das Segel gleichzeitig in einem Sektor auf einer
konvexen Form herzustellen unter Verwendung nicht unterbrochener,
lasttragender Garne, die zwischen zwei Folien laminiert sind, wobei
die Garne den zu erwartenden Lastlinien folgen, siehe US-Patent
Nr. 5,097,784 von Baudet. Während
diese Methode leichte Segel mit geringer Dehnung bereitstellt, hat
sie ihre technischen und wirtschaftliche Nachteile. Die nicht unterbrochene
Natur des Garns macht es schwierig, die Garndichten zu optimieren,
speziell an den Segelecken. Auch macht die spezialisierte Natur
der Ausstattung, die für
jedes individuelle Segel benötigt
wird, dies zu einer etwas kapitalintensiven und somit teuren Art
der Segelherstellung.
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Die dritte grundsätzliche Art, wie Segelmacher
die Dehnung gesteuert bzw. geregelt und eine geeignete Segelform
aufrechterhalten haben, war es, die Faltung oder geometrische Dehnung
des Garns zu reduzieren, der in den Segeltüchern verwendet wurde. Es wird
gewöhnlich
angenommen, dass die Faltung aus einer wellenförmigen Bahn resultiert, die durch
einen Garn in dem Segeltuch eingenommen wird. In einem Gewebe gehen
beispielsweise die Schuss- und Kettgarne nach oben und nach unten umeinander
herum. Dies verhindert, dass sie gerade verlaufen und schon von
Anfang an einer Dehnung widerstehen. Wenn das gewebte Segeltuch
belastet wird, neigen die Garne dazu, sich gerade auszurichten,
bevor sie damit beginnen können,
einer Dehnung zu widerstehen, und zwar basierend auf ihrer Dehnfestigkeit
und ihrer Widerstandsfähigkeit
gegen eine Längung.
Die Faltung verzögert
und verhindert somit den Dehnungswiderstand der Gare zum Zeitpunkt
der Belastung des Segeltuchs.
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Bei einem Versuch, die Probleme dieser „Webfaltung"
zu eliminieren, ist viel Arbeit darauf verwendet worden, von der
Verwendung gewebter Segeltücher
abzugehen. In den meisten Fällen
sind gewebte Segeltücher
durch Verbundsegeltücher
ersetzt worden, die typischerweise aus einzelnen, aufgelegten (nicht
gewebten) lasttragenden Garnen bestehen, die zwischen zwei Folien
aus Mylar
®-Polyesterfolie
von DuPont oder anderer geeigneter Folie eingebracht waren. Es gibt
eine Anzahl von Patenten auf diesem Gebiet, wie zum Beispiel Sparkman
EP 0 224 729 , Linville US
4,679,519, Conrad US 4,708,080, Linville US 4,945,848, Baudet US 5,097,784,
Meldner US 5,333,568 und Linville US 5,403,641.
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Die Faltung ist jedoch nicht auf
gewebtes Segeltuch beschränkt
und kann auch bei aufgelegten Konstruktionen auftreten. Die Faltung
im Segeltuch, das aus aufgelegtem Garn besteht, kann auf mehrere unterschiedliche
Arten erzeugt werden. Erstens kann ein seitliches Schrumpfen der
Folien während
vieler herkömmlicher
Laminierungsprozesse eine Faltung in die Garne einbringen. Beispielsweise
bei der schmalen, quergeschnittenen Feldkonstruktion, wo ein Hauptteil
der lasttragenden Garne die Feldbreite quert, wird eine wesentliche
Faltung dieser Garne während
der Laminierung des Segeltuchs zwischen erwärmten Hochdruckwalzen eingebracht.
Dies liegt darin, dass die erwärmte
Folie seitlich schrumpft, wenn sie einer Thermoverformung unterzogen
wird, typischerweise ungefähr
2,5% bei diesem Laminierungsverfahren. Das Resultat ist in Hinsicht
auf die Dehnungsleistung für
die Verbundware bei hochbelasteten Anwendungen katastrophal.
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Zweitens folgen nicht unterbrochene,
lasttragende Garne in einem Segel gebogenen Bahnen. Die verwendeten
Garne sind typischerweise Multifasergarne. Im Allgemeinen wird eine
Verschlingung hinzugeführt,
so dass die Garne zusammenwirken und entlang der gekrümmten Bahnen
der Dehnung entgegenwirken. Würde
keine Verschlingung hinzugefügt,
würden
nur einige wenige Fasern den Lasten unterzogen, d. h. diejenigen
an der Außenseite
des Bogens. Dies würde
die Fähigkeit
des Segels, einer Dehnung zu widerstehen, wesentlich einschränken. Während die
kleinen Garnspiralen, die unter Verwendung der verschlungenen Multifasergarne
erzeugt werden, dabei helfen, die Lastverteilung unter den Fasern
zu erhöhen
und deshalb die Dehnung zu reduzieren, gibt es auch immer eine Faltung,
die eingebracht wird, da die spiralförmigen Garne sich unter der
Last geradeziehen. Die Verschlingung der Garne ist deshalb ein notwendiger
Kompromiss für
diese Ausgestaltung, verhindert jedoch, dass dieser Segeltuchtyp
den maximal möglichen
Modul aus den verwendeten Garnen erhält.
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Die verschiedenen Ansätze, die
in Linville's Patenten gezeigt sind, sind andere Ansätze zum
Reduzieren der Faltungsprobleme. Schichten von kontinuierlichen,
parallel beabstandeten, aufgelegten Garnen werden verwendet, um
laminiertes Segeltuch zu verstärken.
Weil jedoch die kontinuierlichen, beabstandeten Garne parallel zueinander
sind, sind nur eine kleine Anzahl davon mit den Lasten ausgerichtet.
Felder, die aus diesen Segeltüchern
ausgeschnitten werden, haben deshalb einen geringen Scherungswiderstand.
Zusätzlich
wird entlang der Garnrichtung keine Veränderung der Garndichte erreicht. Deshalb
bieten die vorgeschlagenen Ausgestaltungen keine konstanten Belastungsqualitäten. Außerdem sind
diese Ansätze
so gestaltet, dass sie mit einem Feld-Layout verwendet werden, wie
zum Beispiel dem Quer-Schnitt,
den Leech-Cut und Tri-Radial-Konstruktionen, was in deren Nachteilen
resultiert.
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Das im Meldner-Patent gezeigte Segeltuch könnte theoretisch
Faltungsprobleme vermeiden. Es ist jedoch so ausgestaltet, dass
es mit Tri-Radial-Konstruktionen zur Verwendung kommt, was in deren
Problemen resultiert. Meldner laminiert zwischen zwei kontinuierlichen
Schichten unidirektionaler Uni-Streifen, aufgebaut aus Seite-an-Seite
angeordneten, zug trudierten (pull-truded) Faserverbänden mit
Durchmessern, die fünfmal
geringer sind als herkömmliche
Garne. Die kontinuierlichen unidirektionalen Schichten liegen quer übereinander,
um die Querdichte von Faser über
Faser zu erhöhen,
und man glaubt, damit Faltungsprobleme zu minimieren und die Scherungsfestigkeit
zu erhöhen.
Meldner ist auf die Verwendung von sehr kleinen Hochleistungsgarnen
beschränkt,
die teuer sind. Die Kosten dieser Garne beeinträchtigen die Wirtschaftlichkeit
dieses Ansatzes stark, und sie schränken ihn auf „Grand Prix"-Rennanwendungen
ein. Außerdem
ist diese Segeltuchausgestaltung nicht dazu gedacht, konstante Lastqualitäten bereitzustellen;
vielmehr sind es die Dehnungs- und
Festigkeits-Widerstände,
die so ausgelegt sind, dass sie über
die gesamte Rollenlänge
des Segeltuchs dieselben sind. Nur eine kleine Anzahl der kontinuierlichen,
unidirektionalen Fasern enden in Ausrichtung mit der Last.
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Die US-Patentanmeldung Nr. 09/173,917, hinterlegt
am 16. Oktober 1998 mit dem Titel Composite Products, Methods and
Apparatus, beschreibt ein flexibles Verbundmaterial mit geringer
Dehnung, das speziell zur Herstellung von Hochleistungssegeln nützlich ist.
Das Verbundmaterial umfasst erste und zweite Polymerfilme mit diskontinuierlichen, streckwiderstandsfähigen Segmenten
dazwischen. Diese Segmente erstrecken sich im Allgemeinen entlang
der zu erwartenden Lastlinien für
das Segel. Die Segmente haben Längen,
welche wesentlich kürzer sind
als die entsprechenden Längen
der Lastlinien in jeder Sektion. Dieses Segel kann entweder zweidimensional
oder dreidimensional sein. Die zweidimensionalen Segel können aus
einer Sektion oder einer Anzahl von flachen Sektionen hergestellt
sein, die miteinander vernäht
sind. Die dreidimensionale Segel können hergestellt werden unter
Verwendung einer oder mehrerer geformter Sektionen des Verbund-Flächenmaterials,
oder es werden mehrere flache Sektionen breit miteinander vernäht, um das dreidimensionale
Segel zu schaffen. Das Segel kann so gestaltet werden, dass es im
Wesentlichen konstante Belastungsqualitäten unter gewünschten
Verwendungsbedingungen zeigt und es gestattet es, eine niedrige
Dehnungsleistung durch das Minimieren der Faltung zu optimieren,
d. h. der geometrischen Dehnung der Garne.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die folgende Erfindung richtet sich
auf einen Segelkörper
und ein Verfahren zur Herstellung eines Segelkörpers, der speziell nützlich ist,
um relativ große
Segel herzustellen, und zwar unter Verwendung einer verringerten
Anzahl von Segelsegmenten. Beispielsweise wird ein großes Mehrsegment-Segel
für ein
80-Fuß-Boot
35 bis 40 Segmente für
ein herkömmliches
Quer-Schnitt-Segel aufweisen, und ungefähr 120 Felder, die in 5 oder
6 große
Sektionen vorab zusammengefügt
sind, für
ein herkömmliches Tri-Radial-Segel.
Im Gegensatz hierzu kann dasselbe Segel, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt
wird, aus 5 oder 6 Segelsegmenten hergestellt werden, wodurch die
Kosten für
das Segel gesenkt werden.
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Der Segelkörper, der entlang seiner Kanten und
Ecken fertig verarbeitet sein kann, um ein fertiges Segel zu schaffen,
umfasst eine Anzahl von Segelsegmenten, die entlang ihrer Kanten
verbunden sind. Jedes Segelsegment umfasst ein verstärktes Material,
das zwischen ersten und zweiten Folien laminiert ist. Das verstärkte Material
umfasst eine Vielzahl von Sektoren aus verstärktem Material, wobei jeder
Sektor einen Satz im Allgemeinen paralleler . Verstärkungselemente
hat, wie zum Beispiel Fasern. Die Sektoren sind in einem überlappenden
Muster angeordnet, und so, dass der Satz der Verstärkungselemente
im Allgemeinen mit den zu erwartenden Lastlinien für dieses
Segment des Segelkörpers
ausgerichtet ist. Die Sektoren aus dem verstärkten Material sind vorzugsweise
längliche
Sektoren, wobei zumindest der Hauptteil der Sektoren Längen hat,
die mindestens dreimal länger
sind als ihre Breiten. Die Segmente können aus unterschiedlichen
Formen hergestellt sein, sie sind aber typischerweise dreieckig
oder vierseitig. Das verstärkte
Material ist typischerweise eine Maschenware oder ein Gitterstoff, der
Sätze von
parallelen, quer ausgerichteten Fasern enthält. Die Maschenware oder der
Gitterstoff kann entweder gewebt oder nicht gewebt sein.
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Gemäß einem anderen Aspekt der
Erfindung wird ein Segelkörper
aus einer Vielzahl von Segelsegmenten hergestellt, durch das Anordnen
von länglichen
Segmenten aus verstärktem
Material auf einer ersten Folie in einem überlappenden Muster, wobei
jeder Sektor einen Satz im Allgemeinen paralleler Verstärkungselemente,
wie zum Beispiel Fasern aufweist. Die Sektoren des verstärkten Materials
sind vorzugsweise längliche
Sektoren, wobei mindestens der Hauptteil der Sektoren eine Länge aufweist,
die mindestens dreimal so lang sind wie ihre Breiten. Die angeordneten
Sektoren aus verstärktem
Material werden zwischen eine erste und eine zweite Folie laminiert,
um ein Segelsegment auszubilden. Die Sektoren sind vorzugsweise
so angeordnet, dass der Satz im Allgemeinen paralleler Verstärkungselemente
mit den zu erwartenden Lastlinien für das Segelsegment des Segelkörpers ausgerichtet
ist. Das verstärkte
Material ist vorzugsweise ein Prepreg-Material, d. h. ein Material,
das mit einem nicht ausgehärteten
Haftmittel imprägniert
ist. Der Anordnungsschritt kann beispielsweise unter Verwendung
von . dreieckigen oder vierseitigen Materialsektoren durchgeführt werden.
Die Segelsegmente sind typischerweise durch Breitvernähen der
Segelsegmente aneinander entlang derer angrenzenden Kanten verbunden:
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Andere Merkmale und Vorteile der
Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung hervorgehen, in
welcher bevorzugte Ausführungsformen
im Detail in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen dargestellt
worden sind.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Aufsicht auf ein Segel, das gemäß der vorliegenden Erfindung
hergestellt wurde, mit einem Beispielssatz zu erwartender Lastlinien, der
in unterbrochenen Linien gezeigt ist.
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2 zeigt
schematisch Schnittsektoren aus verstärktem Material aus einer Rolle
aus verstärktem Material.
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3 zeigt
die Anordnung einer einzelnen Schicht aus dreieckigen Sektoren aus
verstärktem Material
auf einer Folie.
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4 zeigt
die Anordnung von zwei Schichten aus verstärktem Material auf einer Folie.
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5 zeigt
die Anordnung von vierseitigen Sektoren aus verstärktem Material
auf einer Folie.
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6 zeigt
das Einfassen von Sektoren aus verstärktem Material zwischen zwei
Folien, um ein ungeschnittenes Segelsegment zu schaffen.
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7 schlägt vor,
wie ein Satz von Segelsegmenten verbunden werden kann, um einen
Segelkörper
zu schaffen.
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8 ist
eine vereinfachte Stirnansicht, die das Setzen eines Materialstapels
gemäß 6 zwischen zwei flexible
Druckbahnen mit hoher Reibung darstellt, die zwischen zwei Rahmen
gestreckt sind, wobei die Rahmen durch obere und untere Umfassungsbauteile
getragen werden, mit einem dreidimensionalen Formelement, das verwendet
wird, um einen geformten Segelkörper
zu schaffen.
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8A zeigt
die Struktur der 8 nachdem die
oberen und unteren Umfassungsbauteile zusammengebracht worden sind,
wobei sie den Materialstapel mit einer inneren Laminierung zwischen
den flexiblen Druckbahnen einfassen, sowie die Anordnung von ersten
und zweiten Einfassungsbauteilen benacht zu den offenen Enden der
verschlossenen oberen und unteren Einfassungsbauteile, wobei jeder
ein Rücklaufgebläse und ein
elektronisches Heizelement umfasst, um so zu bewirken, dass erwärmtes, zirkulierendes
Fluid über
die äußeren Oberflächen der
flexiblen Druckbahnen geführt
wird, wobei dann Druck auf die äußeren Oberflächen der
flexiblen Druckbahnen aufgebracht wird, durch das Erzeugen eines
Teilunterdrucks in der inneren Laminierung.
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8B ist
eine vereinfachte Ansicht entlang der Linien 8B-8B der 8A.
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BESCHREIBUNG
DER SPEZIELLEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die 1 zeigt
ein Segel 2, das gemäß der Erfindung
hergestellt ist. Bei dieser Ausführungsform umfasst
das Segel 2 einen Segelkörper 3 und hat drei Kanten,
Luv 4, Liek 6 und Fuß 8. Das Segel 2 hat ebenfalls
drei Ecken, Kopf 10 am Oberteil, Hals 12 an der
unteren vorderen Ecke des Segels am Schnittpunkt von Luv 4 und
Fuß 8,
und Schothorn 14 an der unteren, hinteren Ecke des Segels
am Schnittpunkt von Liek und Fuß.
Während
das Segel typischerweise ein geformtes, im Allgemeinen dreieckiges,
dreidimensionales Segel ist, könnte
es ebenfalls ein zweidimensionales Segel sein, und es könnte jedwede aus
einer Vielzahl von Formen aufweisen. Das fertig verarbeitete Segel 2 umfasst
Eckversteifungen 16 am Kopf 10, Hals 12 und
Schothorn 14, sowie Kantenverstärkungen 18 entlang
Luv 4, Liek 6 und Fuß 8, um das fertig
verarbeitete Segel zu schaffen. Ein Verfahren, das dazu geeignet
ist, den Segelkörper 3 herzustellen,
sowie dessen Konstruktion wird nun erörtert.
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Die 2 zeigt
eine Rolle aus mit Haftmittel imprägniertem, nicht ausgehärtetem,
verstärktem Material 20,
das ebenfalls Prepreg oder Prepreg-Material genannt wird. Das Material 20 ist
typischerweise aus einem nicht ausgehärtetem Haftmittel, wie zum
Beispiel einem Copolyesterharz, und einer Maschenware oder einem
Gitterstoff 22 aus Fasern oder anderen Verstärkungselementen.
Die Maschenware oder der Gitterstoff 22 ist typischerweise nicht
gewebt, kann aber zur verstärkten
Reißfestigkeit
gewebt sein. Die Maschenware oder der Gitterstoff 22 umfasst
vorzugsweise einen Satz erster Verstärkungselemente 24,
die parallel zueinander entlang der Länge des Materials 20 verlaufen,
und einen Satz zweiter, im Allgemeinen paralleler Verstärkungselemente 26,
die quer zu, typischerweise senkrecht zu den Verstärkungselementen 28 angeordnet
sind. Die Verstärkungselemente 24, 26 können aus
einer Vielfalt von Materialien hergestellt sein, wie zum Beispiel Monofasermaterial,
Multifasergarne, hergestellt beispielsweise aus Kohlenstofffaser,
Aramidfaser, Polyesterfaser oder Faser, die unter den Marken PBO®, Pentex® oder
Spectra® verkauft
werden. Verstärkungselemente
können
beispielsweise zylindrisch oder abgeflacht im Querschnitt sein und
aus verdrillten oder nicht verdrillten Fasern hergestellt sein.
Die Verstärkungselemente 24 sind
typischerweise, jedoch nicht notwendigerweise die Fasern, die im
Allgemeinen mit den zu erwartenden Lastlinien 28 des Segels 2 ausgerichtet
werden sollen.
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Bei einer Ausführungsform werden die ersten
und zweiten Verstärkungselemente 24, 26 jeweils aus
unverdrillten Mehrfasergarnen und veidrillten Mehrfasergarnen mit
500 Denier hergestellt. Die zweiten Verstärkungselemente 26 sind
zur verstärkten
Reißfestigkeit
vorzugsweise verdrillte Mehrfasergarne. Der Abstand zwischen den
ersten Verstärkungselementen 24 ist
bei einer Ausführungsform ungefähr 3 mm,
und der Abstand zwischen den zweiten Verstärkungselementen ist ungefähr 10 mm.
Jedoch könnten
die ersten und zweiten Verstärkungselemente 24, 26 aus
unterschiedlichen Materialien hergestellt sein, und sie könnten mit
demselben oder unterschiedlichen Durchmessern hergestellt sein. Auch
könnten
die Verstärkungselemente
ebenfalls gleiche oder ungleiche seitliche Abstände aufweisen. Die Wahl der
Verstärkungselemente 24, 26,
ihrer Ausrichtung und ihres Abstandes wird zum großen Teil
durch die zu erwartende Belastung des Segels 2 bestimmt.
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Das Material 20 wird in
Sektoren 30, 31 aus Prepreg-Material 20 mit
verschiedenen Formen und Größen geschnitten,
aber typischerweise dreieckig und vierseitig, wie in 2 vorgeschlagen. Die 3 zeigt die Anordnung dreieckiger
Sektoren 30, wobei ihre Kanten leicht überlappen, auf einer ersten,
nicht perforierten Folie 32, wobei die Folie 32 typischerweise
aus PET, Polyesterfolie oder anderen Materialien wie zum Beispiel
Kapton ®-Polyimid-Film
von DuPont hergestellt ist. Jeder Sektor 30, 31 hat
eine Länge 34 und
eine Breite 36, wobei die durchschnittliche Länge im Wesentlichen
typischerweise mindestens das ungefähr Drei- bis Zehnfache und
vorzugsweise mindestens ungefähr
das Fünffache
der durchschnittlichen Breite beträgt. Zunächst sind sich längs erstreckende Verstärkungselemente 24 typischerweise
parallel zur Länge 34.
Die Teile 30, 31 sind so bemessen, geschnitten
und angeordnet, dass die Verstärkungselemente,
typischerweise die ersten Verstärkungselemente 24,
im Allgemeinen parallel zu den zu erwartenden Lastlinien 28 verlaufen,
wenn das Segel zusammengesetzt ist. Die 2 zeigt eine Doppelschicht aus dreieckigen
Sektoren 30, wobei die obere Schicht 38 sich nicht über denselben
Oberflächenbereich
erstreckt wie die untere Schicht 40. Die 5 zeigt die Überlappung von vierseitigen
Sektoren 31, wobei die weitestgehende Überlappung an der unteren linken
Ecke 41 stattfindet, um der Konzentration zu erwartender
Lastlinien 28 in diesem Bereich zu entsprechen. Bei der
Herstellung von mehrlagigen Segmenten können die Sektoren in jeder
Schicht an ihren Enden aneinanderstoßend ausgeführt werden, damit ein glatteres
Endprodukt geschaffen werden kann. Natürlich sind andere Anordnungen,
Größen und
Formen von Sektoren ebenfalls verwendbar.
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Die 6 zeigt
das Einfassen von Sektoren 30 zwischen der ersten Folie 32 und
der zweiten Folie 42. Stücke 30, 31 aus
verstärktem
Material 20, die erste Folie 32 und die zweite
Folie 42 können
in jedweder aus der Vielzahl herkömmlicher und nicht herkömmlicher
Arten laminiert werden. Wenn gewünscht,
können
zusätzliche
Haftmittel zwischen den Folien 32, 42 verwendet
werden. Auch kann das verstärkte
Material 20 ohne jedwedes Haftmittel hergestellt werden,
so dass das gesamte Haftmittel in einem separaten Schritt vor der
Laminierung aufgebracht wird. Nach dem Laminieren bilden die Kombination
der Sektoren 30, 31, der Folien 32, 42 und
des Haftmittels, das die Schichten aneinander bondiert, ein ungeschnittenes
Segelsegment 44, das typischerweise eine im Allgemeinen
rechteckige Form aufweist. Das ungeschnittene Segelsegment 44 wird dann
in die geeignete Form geschnitten, um ein Segelsegment 46 zu
schaffen, wie es in 7 gezeigt ist.
Der Segelkörper 3 wird
bei dieser Ausführungsform
durch das Zusammensetzen, typischerweise durch Breitvernähen, von
vier unterschiedlichen Segelsegmenten 46 entlang ihrer
angrenzenden Kanten 47 . hergestellt. Zusätzlich zum
dreieckigen Segelsegment 46 wird das Segel 2 auch
aus drei unterschiedlichen vierseitigen Segelsegmenten 46A, 46B und 46C hergestellt.
Durch einen Vergleich der zu erwartenden Lastlinien am Segel 1 mit
den vorgeschlagenen Ausrichtungen der Verstärkungselemente 24, 26,
speziell der sich längs
erstreckenden Verstärkungselemente 24 wird
ersichtlich, dass die Verstärkungselemente
im Allgemeinen mit den zu erwartenden Lastlinien ausgerichtet sind.
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Die ungeschnittenen Segelsegmente 44 können entweder
flach laminierte Segmente oder geformte, dreidimensionale Segelsegmente
sein. Die 8, 8A und 8B zeigt
ein Verfahren zum Umformen des Stapels der Sektoren 30 aus
Prepreg-Material 20 zwischen den Folien 32 und 42,
Materialstapel 64 genannt, zum ungeschnittenen Segelsegment 44.
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Der Materialstapel 64 wird
zwischen oberen und unteren, flexiblen Druckbahnen 66, 68 positioniert,
wie in 8 gezeigt ist.
Die Druckbahnen 66, 68 sind vorzugsweise aus einem
flexiblen, elastomeren Material, wie zum Beispiel Silizium, welches Oberflächen mit
hoher Reibung bereitstellt, welche die Folienseiten 32, 42 des
Materialstapels 64 berühren.
Obere und untere, flexible Druckbahnen 66, 68 werden
durch obere und untere rechteckige Rahmen 70, 72 umgrenzt.
Die Rahmen 70, 72 sind auf obere und untere Umfassungsbauteile 74, 76 montiert.
Jedes Umschließungsbauteil 74, 76 ist
ein im Allgemeinen dreiseitiges Umschließungsbauteil mit offenen Enden 78, 80.
Die oberen und unteren Umschließungsbauteile 74, 76,
welche die Rahmen 70, 72 und die flexible Druckbahnen 66, 68 tragen,
werden dann in 8A gezeigt, zusammengebracht.
Ein Teil-Unterdruck wird dann in einem Laminierungs-Innenraum 82 erzeugt,
der zwischen den Bahnen 66, 68 gebildet wird,
und zwar unter Verwendung einer Unterdruckpumpe 83, wodurch
ein positiver Laminierungsdruck erzeugt wird, der durch die Teile 84 in 8A angedeutet wird. Ein erstes und ein
zweites End-Umschließungsbauteil 86, 88 werden
dann über die
offenen Enden 78, 80 der oberen und unteren Umschließungsbauteile 74, 76 angebracht,
um einen abgedichteten Einschluss 90 zu schaffen.
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Das erste und zweite End-Umschließungsbauteil 86, 88 umfassen
jeweils ein Gebläse 92 und ein
elektrisches Heizelement 94. Die Gebläse 92 bewirken, dass
Luft oder andere Fluide, wie zum Beispiel Öl, im Einschluss 90 umher
zirkuliert werden und über
die äußeren Oberflächen 96, 98 der
flexiblen Druckbahnen 66, 68. Dies stellt sicher,
dass die flexiblen Druckbahnen 66, 68 und der
Materialstapel 64 dazwischen schnell und einheitlich von
beiden Seiten her erwärmt
werden. Weil die gesamten Außenoberflächen 96, 98 auf
diese Weise erwärmt
werden . können,
wird der gesamte Materialstapel 64 während des gesamten Laminierungsverfahrens
erwärmt.
Dies hilft dabei, die geeignete Laminierung sicherzustellen. Nach
einer ausreichenden Erwärmungsdauer
kann das Innere 100 des Einschlusses 90 zur Atmosphäre hin freigegeben
und gekühlt
werden, mit oder ohne die Verwendung der Gebläse 92 oder zusätzlicher
Gebläse.
Nach geeigneter Abkühlung
wird das ungeschnittene Segelsegment 44 aus dem Raum zwischen
den Druckbahnen 66, 68 entfernt.
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Die 8, 8A und 8B zeigen
die perforierte Natur des Formelements 50, das die äußere Oberfläche 98 der
unteren flexiblen Druckbahn 68 kontaktiert. Bei der bevorzugten
Ausführungsform
ist das perforierte Formelement 50 aus einer Anzahl relativ dünner, vertikal
orientierter Bauteile 104 aufgebaut, die parallel zueinander
mit beträchtlichen
Spalten dazwischen angeordnet sind, um einen relativ freien Zugang
des erwärmten
Fluids zur unteren Oberfläche 98 zu
gestatten. Vorzugsweise ist nicht mehr als ungefähr 20%, und noch bevorzugter
nicht mehr als ungefähr
5% des Anteils der unteren Oberfläche 98, der sich gleich
weit wie der Materialstapel 64 erstreckt, bedeckt oder
wirksam durch das perforierte Formelement 50 blockiert.
Anstelle von vertikal ausgerichteten Bauteilen 104 könnte das
perforierte Formelement 50 aus beispielsweise Waben mit
vertikal orientierten Öffnungen
hergestellt sein. Viele Totträume könnten in
den sich vertikal erstreckenden Wabenkanälen geschaffen werden und so
im Wesentlichen den Wärmefluss
zu großen
Teilen der unteren Oberfläche 98 behindern.
Dem könnte
beispielsweise dadurch abgeholfen werden, dass die Luftströmungsrichtung
so geändert
wird, dass Luft in die Wabenkanäle
geführt
wird, durch die Minimierung der Höhe der Waben und durch das
Bereitstellen von Luftstrom-Auslasskanälen in den
Waben nahe der Oberfläche 98.
Andere Formen und Ausgestaltungen des perforierten Formelements 50 können ebenfalls
verwendet werden.
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Vorzugsweise ist das erwärmte Fluid
im Inneren 100, welches ein Gas oder eine Flüssigkeit sein
kann, in direktem Wärmekontakt
mit den oberen und unteren Oberflächen 96, 98.
Jedoch könnte
unter bestimmten Bedingungen eine Zwischenoberfläche zwischen dem erwärmten Fluid
und den Oberflächen 96, 98 geschaffen
werden. Solange solche Zwischenoberflächen keine wesentliche Wärmebarriere
erzeugen, wird das erwärmte
Fluid im wirksamen Wärmekontakt
mit den äußeren Oberflächen 96, 98 der Druckbahnen 66, 68 bleiben.
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Modifikationen und Variationen können an den
offenbarten Ausführungsformen
durchgeführt werden,
ohne von dem Gegenstand der Erfindung abzuweichen, der durch die
folgenden Ansprüche definiert
wird. Beispielsweise können
die erste und die zweite Folie 32, 42 aus denselben
oder unterschiedlichen Materialien hergestellt sein. Eine oder beide
Folien 32, 42 könnten nicht undurchlässig sein. Das
Segment 46 könnte
anders als durch das Breitvernähen
entlang der angrenzenden Kanten 47 verbunden werden, beispielsweise
durch herkömmliches
Geradvernähen
oder Klebetechniken.