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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Energie absorbierende Struktur
zur Absorption von Stoßenergie oder
ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Struktur gemäß den Merkmalen
des Oberbegriffs von Anspruch 1 oder 18.
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Der
Stand der Technik ist in der US-A-4029350 gezeigt.
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AUSGANGSSITUATION DER
ERFINDUNG
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Energie
absorbierende Strukturen werden vielfach in Fahrzeugen wie zum Beispiel
Kraftwagen verwendet, um bei der eventuellen Beteiligung des Fahrzeugs
an einem Unfall Energie zu absorbieren. Durch die Absorption von
Energie wird die bei dem Unfall erzeugte Stoßkraft in geringerem Maße auf die
Fahrzeuginsassen übertragen,
was zur Vermeidung ernsthafter Verletzungen beiträgt. Aufgrund
des Erfolgs solcher insassenfreundlichen Energie absorbierenden
Strukturen gilt die Aufmerksamkeit jetzt Energie absorbierenden Strukturen,
die dazu beitragen könnten,
das Risiko ernsthafter Verletzungen für Fußgänger zu vermindern, die an
Verkehrsunfällen
mit Fahrzeugen beteiligt sind.
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Fußgängerfreundliche
Energie absorbierende Strukturen müssen auf der externen Peripherie
von Fahrzeugen angeordnet sein; für die Gestaltung dieses Bereichs
des Fahrzeugs sind jedoch ästhetische
und bestimmte andere praktische Erwägungen maßgeblich. Es muss daher möglich sein,
solche fußgängerfreundlichen
Strukturen mit glatter Haut und mit geschwungenen Profilen herzustellen.
Darüber
hinaus müssen
die Strukturen dem üblichen
Verschleiß standhalten
können
und in Opfermanier nachgeben können,
wenn die Stoßenergie
einen Grenzwert überschreitet.
Diese Anforderungen stellen jedoch insofern ein Problem dar, als
die Herstellung einer Struktur, die leichten Stößen (z. B. von auffliegenden
Steinsplittern oder sogar Autowaschbürsten) standhalten kann, Designkriterien
nahelegt, die im Widerspruch zu denjenigen stehen, die für die Herstellung
einer Struktur mit der gewünschten
Nachgiebigkeit zum Schutz von Fußgängern erforderlich sind.
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Die
Anmelder der vorliegenden Erfindung haben eine neue, fußgängerfreundliche
Energie absorbierende Struktur entwickelt.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Erfindungsgemäß wird eine
Energie absorbierende Struktur gemäß den Merkmalen von Anspruch
1 bereitgestellt.
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Es
wird angenommen, dass die punkt- oder linienförmigen Schwachstellen in der
Haut die Herstellung von Komponenten mit komplexen, möglicherweise
geschwungenen Profilen erleichtern, gleichzeitig jedoch sicherstellen,
dass die Haut ausreichend fest ist, um von bestimmten auffliegenden
Objekten wie zum Beispiel Steinsplittern, die auf Straßen häufig anzutreffen
sind, nicht durchschlagen zu werden. Darüber hinaus wird angenommen,
dass die Struktur an sich die erforderliche makroskopische Nachgiebigkeit
aufweist, um als Crash-Pad
für Fußgänger zu
fungieren und so dazu beizutragen, die Fußgänger vor ernsthaften Verletzungen zu
schützen.
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Linienförmige Schwachstellen
in der Haut können
durch eine Anordnung von Nuten oder Schlitzen in einer Seite der
Haut geschaffen werden. Diese eine Seite kann dem Opferelement benachbart
sein.
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Die
Haut kann eine Schichtstruktur umfassen, wobei die Anordnung von
Nuten oder Schlitzen in einer ersten Schicht der Schichtstruktur
ausgebildet ist. Eine zweite oder Schutzschicht kann mit der ersten
Schicht verbunden sein, wobei die Schutzschicht verhindert, dass
sich bei einer stoßbedingten
Verformung der ersten Schicht offene Stellen in der Haut bilden.
Die Schutzschicht kann nachgiebiger sein als die erste Schicht.
Die Schichtstruktur kann als Sandwich-Struktur ausgebildet sein,
wobei die erste Schicht zwischen zwei Schutzschichten angeordnet
ist, von denen zumindest eine verhindert, dass sich bei einer stoßbedingten
Verformung der ersten Schicht offene Stellen in der Haut bilden.
Die erste Schicht kann mit der oder jeder Schutzschicht durch eine
Klebschicht verbunden sein, die vorzugsweise eine niedrige Dehngrenze
aufweist, zum Beispiel Polyurethan- oder Epoxidharzklebstoff. Die
Klebschicht kann ein Aufblättern
(d. h. das Ablösen
der Schichten voneinander) verhindern, indem sie bei einem Stoß eine Verschiebung
der Schichten gegeneinander gestattet.
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Die
Nuten oder Schlitze in der Anordnung können jeweils ein längliches
Profil aufweisen. Die länglichen
Profile können
ausgerichtet sein. Einige der länglichen
Profile können
in einer ersten Richtung ausgerichtet sein, und andere können in
einer zweiten Richtung ausgerichtet sein. Die erste und die zweite
Richtung können
im Wesentlichen rechtwinklig zueinander verlaufen. Die Nuten oder
Schlitze können
ein netzartiges oder Kreuzmuster bilden.
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In
einer Ausführungsform
können
die linienförmigen
Schwachstellen in der Haut durch ein flächiges Verstärkungselement
geschaffen werden, das in einem Bereich ein erstes Maß an Verstärkung und
in einem anderen Bereich ein zweites Maß an Verstärkung bewirkt, wobei die erste
Verstärkung
größer ist
als die zweite. Die Haut kann eine Verbundstruktur umfassen, die
ein flächiges
Verstärkungselement
in Form eines textilen Gewebes aufweist, möglicherweise eingebettet in
eine Harzmatrix. Das textile Gewebe kann verschiedene Webdichten
aufweisen, um das erste und das zweite Maß an Verstärkung zu erzielen. Alternativ
kann ein Gemisch aus festeren und weniger festen verwebten Fasern
verwendet werden.
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Die
weniger festen Verstärkungsfasern
sind schwächer
als die festeren Verstärkungsfasern;
das Gemisch kann also so angeordnet werden, dass linienförmige Schwachstellen
ausgebildet werden. Die linienförmigen
Schwachstellen können
ein netzartiges Muster bilden. Die Verstärkungsfasern können Glasfasern
mit verschiedener Dicke sein, wobei die festeren Fasern eine größere Dicke
aufweisen als die weniger festen Fasern.
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Das
Opferelement kann eine Wabenstruktur umfassen, möglicherweise eine Wabenstruktur,
wie sie in der Internationalen Anmeldung WO98/06553 beschrieben
ist, deren gesamter Inhalt durch Bezugnahme hierin eingeschlossen
ist. Alternativ oder zusätzlich
kann das Opferelement eine Druckbelastungsstruktur (oder Eierkarton-Struktur)
aufweisen, möglicherweise
wie in der Interna tionalen Anmeldung WO00/31434 beschrieben, deren
gesamter Inhalt durch Bezugnahme hierin eingeschlossen ist.
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Es
wird ebenfalls ein Fahrzeug bereitgestellt (vorzugsweise ein Kraftfahrzeug
wie zum Beispiel ein Auto), bei dem zumindest ein externer Teil
eine erfindungsgemäße Energie
absorbierende Struktur umfasst.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Energieübertragungsfläche für eine Energie
absorbierende Struktur bereitgestellt, die ein flächiges Element
aus formbarem Material umfasst, das vorgeformte punkt- oder linienförmige Schwachstellen
aufweist. Das flächige
Material kann einige oder alle Merkmale der Haut aufweisen, die
in der vorstehend beschriebenen Energie absorbierenden Struktur
verwendet wird.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur
Herstellung einer Energie absorbierenden Struktur gemäß den Merkmalen
von Anspruch 18 bereitgestellt.
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Die
Haut kann als Schichtstruktur ausgebildet sein, die eine erste Schicht
mit punkt- oder linienförmigen
Schwachstellen und eine mit der ersten Schicht verbundene Schutzschicht
zur Verhinderung der Bildung offener Stellen in der Haut bei einer
stoßbedingten
Verformung der ersten Schicht umfasst. Die punktoder linienförmigen Schwachstellen
können
durch Schneiden einer Anordnung von Nuten oder Schlitzen in die
Haut geschaffen werden. Die Anordnung kann in die Oberfläche der
Haut geschnitten werden, die mit dem Opferelement verbunden ist.
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Alternativ
können
die linienförmigen
Schwachstellen in der Haut durch ein flächiges Verstärkungselement
geschaffen werden, das in einem Bereich ein erstes Maß an Verstärkung und
in einem anderen Bereich ein zweites Maß an Verstärkung bewirkt, wobei die erste
Verstärkung
größer ist
als die zweite. Das erste und das zweite Maß an Verstärkung können durch Weben eines textilen
Materials erzielt werden, das Bereiche mit verschiedenen Webdichten
aufweist.
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Alternativ
können
das erste und das zweite Maß an
Verstärkung
durch die Verwendung eines Gemisches aus festeren und weniger festen
Fasern erzielt werden. Die weniger festen Verstärkungsfasern sind schwächer als
die festeren Verstärkungsfasern;
das Gemisch kann also so angeordnet werden, dass linienförmige Schwachstellen
ausgebildet werden.
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Die
eine Seite des Opferelements kann ein Profil aufweisen, und die
Haut kann so vorgeformt sein, dass ihre Form dem Profil der einen
Seite entspricht, bevor diese bedeckt wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen und die darin
enthaltenen Illustrationen beispielhaft eine Ausführungsform
der Erfindung beschrieben. Es zeigt:
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1 eine
auseinandergezogene Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Energie
absorbierenden Struktur;
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2 eine
schematische Querschnittsansicht der Energie absorbierenden Struktur
aus 1, dargestellt im Kontext mit einem Fahrzeug;
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3 einen
Ablaufplan, der ein Verfahren zur Herstellung der Energie absorbierenden
Struktur aus 1 illustriert;
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4a eine
Aufsicht auf eine Ausführungsform
einer Haut für
die Energie absorbierenden Struktur aus 1;
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4b einen
Schnitt entlang der Linie AA in 4a;
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5a eine
Aufsicht auf eine andere Ausführungsform
einer Haut für
die Energie absorbierende Struktur aus 1;
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5b einen
Schnitt entlang der Linie AA in 5a;
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6a eine
schematische Aufsicht auf noch eine andere Ausführungsform einer Haut für die Energie absorbierende
Struktur aus 1;
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6b einen
Schnitt entlang der Linie AA in 6a;
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7a eine
schematische Aufsicht auf noch eine andere Ausführungsform einer Haut für die Energie absorbierende
Struktur aus 1;
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7b einen
Schnitt entlang der Linie AA in 7a;
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8a eine
Aufsicht auf noch eine andere Ausführungsform einer Haut für die Energie
absorbierende Struktur aus 1;
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8b einen
Schnitt entlang der Linie AA in 8a; und
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9 eine
perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform eines Opferelements
für die
Energie absorbierende Struktur aus 1.
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1 zeigt
eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht einer Energie absorbierenden
Struktur 10, die ein Opferelement 12 (teilweise
als Durchsicht dargestellt) und eine Haut 14 zum Bedecken
einer Seite 16 des Opferelements 12 umfasst. Das
Opferelement 12 ist so gestaltet, dass es sich bei der
Absorption von Stoßenergie
dauerhaft verformt, und ist als Wabenstruktur illustriert, könnte jedoch
leicht auch ein „Eierkarton"- oder anderes Design
aufweisen. Die Metall (z. B. Aluminium) umfassende Haut 14 weist
in der dem Opferelement 12 nächstgelegenen Oberfläche 22 eine
Anordnung 18 von Nuten 20 auf. Einige der Nuten 20 sind
in einer ersten Richtung (X-Richtung) ausgerichtet und andere sind
in einer zweiten Richtung (Y-Richtung), die rechftwinklig zu der
ersten Richtung verläuft,
ausgerichtet. Die Enden der Nuten 20 in der ersten und der
zweiten Richtung sind einander benachbart, so dass sie in der Oberfläche ein
netzartiges Muster bilden. Die Nuten 20 schaffen linienförmige Schwachstellen,
welche die Nachgiebigkeit der Struktur 10 bei der Kollision
mit großen
Objekten (z. B. Fußgängern) verbessern,
ohne die Widerstandsfähigkeit
gegen Schäden
durch kleine Objekte, z. B. Steinsplitter, zu beeinträchtigen.
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2 zeigt
eine vergrößerte Querschnittsansicht
der Energie absorbierenden Struktur 10, die einen vorderen
Teil 40 eines Kraftfahrzeugs 42 bildet. Die äußerste Oberfläche 44 der
Haut 14 ist glatt und kann in der gleichen Weise wie herkömmliche
Karosseriebleche von Kraftfahrzeugen hochglanzpoliert oder mit einer Farbschicht
versehen werden.
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3 ist
ein Ablaufplan, der ein Verfahren zum Formen der Energie absorbierenden
Struktur 10 illustriert. Bei 50 wird ein Opferelement
bereitgestellt, das ein gewünschtes
Profil entsprechend der beabsichtigten Verwendung der Struktur 10 aufweist,
z. B. das geschwungene Profil der Stoßstange eines Au tos. Bei 52 wird eine
Haut von passender Größe bereitgestellt,
die dann bei 54 (unter Hitzeeinwirkung) so geformt wird,
dass sie dem Profil des Opferelements entspricht und exakt um eine
Seite desselben herum anliegt. Nach dem Formen wird die Haut in
einer Aufspannvorrichtung befestigt, und bei 56 wird eine
Anordnung von Nuten in eine Oberfläche der Haut geschnitten. (Die
Anordnung von Nuten könnte
mittels elektrochemischer Bearbeitung oder sogar durch Funkenerosion
ausgebildet werden.) Bei 58 wird die Haut dann mit dem
Opferelement verbunden, wobei die Nuten dem Opferelement benachbart
sind.
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4a bis 8b zeigen
Häute mit
linienförmigen
Schwachstellen, die zum Bedecken einer Seite des Opferelements,
z. B. des in 1 gezeigten Elements 16,
verwendet werden können.
Alternativ können
die Häute
allein als Energieübertragungsfläche verwendet
werden.
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In 4a und 4b umfasst
die Haut 60 eine einzige Schicht aus Metall, z. B. Aluminium.
Die linienförmigen
Schwachstellen werden durch längliche
Nuten 62a,b geschaffen, die etwa 20 mm bis 30 mm lang und
etwa 1 mm breit sind und deren Tiefe etwa der halben Dicke der Haut
entspricht. Die Enden der Nuten 62a,b sind jeweils gekrümmt und
im Wesentlichen halbkreisförmig.
Die Nuten sind in der Oberfläche 64 ausgebildet,
die dem (nicht dargestellten) Opferelement am nächsten gelegen ist.
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Etwa
die Hälfte
der Nuten 62a ist in einer ersten Richtung (X-Richtung)
ausgerichtet, und die verbleibenden (Nuten 62b) sind in
einer zweiten Richtung (Y-Richtung) ausgerichtet, die rechtwinklig
zu der ersten Richtung verläuft.
Die Nuten 62a,b sind so angeordnet, dass eine in einer
Richtung verlaufende Nut den Zwischenraum zwischen einem Paar in
der anderen Richtung verlaufenden Nuten in zwei Teile schneidet.
Die Nuten 62a,b bilden so ein Kreuzmuster in der Oberfläche.
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Die
Tendenz zur Bildung von offenen Stellen in der Haut 60 kann
durch das Befestigen der Haut 60 auf einer äußeren Schutzschicht 68 aus
hoch dehnbarem Material, z. B. Kunststoff oder elastischer Farbe,
wodurch die in 5a und 5b gezeigte
Haut 66 gebildet wird, vermindert oder ausgeräumt werden.
Die Haut 66 ist somit eine Schichtstruktur, wobei die äußere Schicht 68 die
Stoßfläche bildet.
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In 6a und 6b ist
die Haut 70 eine Verbundstruktur, die festere und weniger
feste Verstärkungsfasern 72, 74 umfasst,
z. B. in eine Harzmatrix 76 eingebettetes Glas. Die weniger
festen Verstärkungsfasern 74 sind
dünner
und daher schwächer
als die festeren Verstärkungsfasern 72.
Die weniger festen Verstärkungsfasern 74 können auch
eine niedrigere Dichte aufweisen als die festeren Verstärkungsfasern 72.
Die weniger festen Verstärkungsfasern 74 bilden
ein netzartiges Muster von linienförmigen Schwachstellen, die
in 6a durch gestrichelte Linien dargestellt sind.
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In 7a und 7b ist
die Haut 80 ein aus einer ersten und einer zweiten Schicht 82, 84 gebildeter Schichtstoff.
Die erste Schicht 82 kann dem (nicht dargestellten) Energieabsorber
benachbart sein und ist aus Metall, z. B. Aluminium geformt. Die
zweite oder äußere Schutzschicht 84 ist
eine dünne,
exakt passende Haut aus Metall, z. B. Aluminium. Die zwei Schichten 82, 84 sind
mit einer Lage Klebstoff 88 mit niedriger Dehngrenze, z.
B. Polyurethan- oder Epoxidharzklebstoff, miteinander verbunden.
Die Klebstoffschicht 88 gestattet eine Verschiebung der
ersten und der zweiten Schicht 82, 84 gegeneinander,
um ein stoßbedingtes
Aufblättern
zu verhindern.
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Die
linienförmigen
Schwachstellen in der ersten Schicht 82 werden durch Erodieren
von Schlitzen 86 gebildet, die durch dieselbe hindurchgehende Öffnungen
bilden, z. B. durch elektrochemische Bearbeitung oder Funkenerosion.
Die Schlitze können
nach dem Verbinden der Schichten erodiert werden, wobei die Klebstoffschicht 88 dann
ein Erodieren in die zweite Schicht 84 hinein verhindert.
Die Schlitze 86 erstrecken sich über die Länge und Breite der ersten Schicht
in zwei senkrecht zueinander verlaufenden Richtungen und bilden
so ein netzartiges Muster. Die Schlitze 86 sind etwa 1
mm breit und erstrecken sich durch die erste Schicht 82.
Analog zu der Ausführungsform
in 5a und 5b verhindert
die zweite Schicht 84 die Bildung offener Stellen in der
Haut bei einer stoßbedingten
Verformung der ersten Schicht 82.
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In 8a und 8b ist
die Haut 90 ein Schichtstoff, gebildet aus der Haut 80 aus 7a und 7b,
die mit einer Klebstoffschicht 88 auf einer zusätzlichen
Schutzschicht 92 befestigt wurde. Die zusätzliche
oder dritte Schicht 92 ist eine dünne, exakt passende Haut aus
Metall, z. B. Aluminium. Der Schichtstoff umfasst somit eine mit
Schlitzen versehene Schicht 82, die aus quadratischen oder
rechteckigen „Inseln" besteht und zwischen
zwei dünnen,
exakt passenden Häuten
oder Schichten 92, 84 angeordnet ist. Die Schlitze 86 sind
in 8a durch gestrichelte Linien dargestellt und können sich
beim Verbinden mit der zusätzlichen Schicht
mit Klebstoff füllen.
Die zusätzliche
Schicht 82 kann einem Energieabsorber benachbart befestigt
werden.
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9 zeigt
ein alternatives Opferelement in Form eines nicht ebenen Elements 1,
das ein Muster aus einander abwechselnden vorderen Vorsprüngen 3 und
hinteren Vorsprüngen 5 aufweist,
zwischen denen keine im Wesentlichen flachen Bereiche ausgebildet
sind. Die Vorsprünge
haben die Form abgeschnittener Kegel, sind hohl und weisen im Wesentlichen
flache Spitzen 7 auf.
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Die
Vorsprünge
sind jeweils 30 mm hoch, und ihre flache Spitze 7 hat einen
Durchmesser von 10 mm. Der Zwischenraum, d. h. der Abstand zwischen
zwei Vorsprüngen,
die sich auf derselben Seite des flächigen Materials erstrecken,
beträgt
50 mm. Jeder Vorsprung weist einen Zwischenraumbereich auf, d. h.
den Abschnitt des Elements zwischen den Spitzen der Vorsprünge. Der
Zwischenraumbereich ist in einem Winkel θ von etwa 26,5 Grad gegenüber der
Mittelebene geneigt, bei der es sich um eine fiktive Ebene handelt,
die lokal die Position des nicht ebenen Elements mit geglätteten Vorsprüngen darstellt.
Die flachen Spitzen verlaufen parallel zur Mittelebene.
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Die
Parameter und Muster der Vorsprünge
können
durch die Auswahl von Werten aus der folgenden Tabelle variiert
werden:
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Übersetzung
der Zeichnungen
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Fig. 1
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Fig. 3 (von oben nach
unten)
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- BEREITSTELLEN DES OPFERELEMENTS
- BEREITSTELLEN DER HAUT FÜR
DAS OPFERELEMENT
- FORMEN DER HAUT, SO DASS SIE DEM PROFIL DES OPFERELEMENTS ENTSPRICHT
- SCHNEIDEN DER ANORDNUNG VON NUTEN IN DIE HAUTOBERFLÄCHE
- VERBINDEN DER HAUT MIT DEM OPFERELEMENT
