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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zuführen einer
Verstärkungsfaser zur Bildung einer Verstärkungslage
eines Faserhalbzeuges. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung
zur Herstellung eines Faserhalbzeuges mit einer solchen Vorrichtung.
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Zur
Herstellung von Faserhalbzeugen können grundsätzlich
Flechtverfahren oder Wickelverfahren eingesetzt werden. Bei Flechtverfahren
werden mittels Flechtmaschinen Flechtkerne, die dem herzustellenden
Bauteil seine spätere Form verleihen, mit geeigneten Flechtfasern
oder Flechtfäden, beispielsweise Kohlenstofffasern, umflochten.
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Bei
einem herkömmlichen Flechtvorgang nehmen Klöppel
die Flechtfadenspulen auf und werden auf Führungsbahnen
relativ zueinander derart bewegt, dass geflechtbildende Überkreuzungen
entstehen. Die Klöppel weisen dabei unterschiedliche Umlaufrichtungen
um den Flechtkern auf. Beim Rundflechten sind die Führungsbahnen
zwei gegenläufige konzentrische Kreisbahnen um einen zu
beflechtenden Kern.
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Üblicherweise
wird der Flechtkern, beispielsweise mittels eines Roboterarmes,
relativ zu dem feststehenden Flechtmaschinenrumpf bewegt, wobei sich
die Fasern von den Faserspulen abspulen und nach einer Umlenkung
an einem Flechtring und über entsprechende Überkreuzungen
an dem Flechtpunkt auf dem Flechtkern abgelegt werden. Je nach gewünschtem
Aufbau des Faserhalbzeugs und/oder der einzelnen Flechtlagen können
Verstärkungsfäden und/oder Stützfä den
aus Kohle-, Glas-, Armid-, Kevlarfasern und/oder Thermoplastfäden
hinzugeführt werden.
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Aus
der
DE 10 2004
017 311 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen von Faserverbund-Halbzeugen
mittels Rundflechttechnik bekannt. Dabei wird ein Flechtkern mit
Flechtfäden beflochten, die über konzentrisch
um den Flechtkern in unterschiedliche Richtung umlaufende Klöppel
abgespult werden. Hierbei sind die Klöppel einer Umlaufrichtung
mit Verstärkungsfäden oder -fasern und die Klöppel
der entgegengesetzten Laufrichtung zumindest teilweise mit Stützfäden
oder -fasern bestückt. Die Stützfäden
bestehen zumindest teilweise aus Thermoplastfäden. Der
Flechtkern kann mehrmals beflochten werden, wobei jeweils unidirektionale
Einzellagen auf den Flechtkern abgelegt werden. Vor dem Ablegen
einer weiteren Einzellage kann die zuvor abgelegte Einzellage durch
Schmelzen der Thermoplastfäden fixiert werden.
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Ferner
ist aus der
DE 101
15 953 A1 eine Flechtmaschine mit einer Umlenkung von scherempfindlichen
Flechtfasern zwischen den Klöppeln und dem Flechtkern bekannt,
wobei die Umlenkung mittels eines inneren Flechtringes und eines äußeren Flechtringes
bewerkstelligt wird. Hierbei sind die beiden Flechtringe konzentrisch
zueinander und in einer Richtung quer zur Förderrichtung
des Flechtkerns axial beweglich angeordnet und führen periodische Hubbewegungen
aus. Die Hubbewegungen können gegenphasig ausgeführt
werden, das heisst, dass während einer Bewegung des einen
Flechtringes in eine Richtung, beispielsweise nach oben, sich der andere
Flechtring in eine entgegengesetzte Richtung, beispielsweise nach
unten, bewegt. Nach Umlenkung der Flechtfäden an den beiden
Flechtringen, werden die Flechtfäden dem Flechtkern zugeführt und
auf diesem abgelegt.
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Es
hat sich als nachteilig herausgestellt, dass insbesondere bei der
Erzeugung triaxialer Geflechte über sogenannte Stehfäden
bei deren Einbindung die Fasern onduliert werden, wodurch die mechanischen
Eigenschaften des Faserhalbzeugs reduziert werden. Weiterhin besteht
der Nachteil, dass derartige Stehfäden nur in begrenzter
Anzahl entsprechend der Anzahl der Flügelräder
und nicht lückenlos positioniert werden können.
Des Weiteren können bandförmige Materialien nicht über
den Flechtprozess in das Geflecht eingearbeitet werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Verstärkungsfasern
möglichst ondulationsfrei in den Herstellungsprozess für
ein Faserhalbzeug einzubringen. Ferner soll eine Vorrichtung zur
Herstellung eines Faserhalbzeugs angegeben werden, wobei auch Fäden,
Bänder oder Hilfsstoffe in den Herstellungsprozess eingebracht
werden können.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe wird eine Vorrichtung mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 16 vorgeschlagen. Bevorzugte Weiterbildungen sind
in den Unteransprüchen definiert. Grundsätzlich
lassen sich die erfindungsgemäßen Vorrichtungen
für Flechtverfahren oder Wickelverfahren einsetzen.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung zum Zuführen
einer Verstärkungsfaser zur Bildung einer Verstärkungslage
eines Faserhalbzeuges umfasst eine Zuführeinrichtung zum
Zuführen der Verstärkungsfaser in Richtung auf
das Faserhalbzeug und eine Trägereinheit zur Positionierung
und Ausrichtung der Zuführeinrichtung relativ zum Faserhalbzeug,
wobei die Zuführeinrichtung fest oder bewegbar an der Trägereinheit
gelagert ist.
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Die
kombinierte Anordnung von Zuführeinrichtung und Trägereinheit
ist in bevorzugter Ausgestalung derart ausgestaltet, dass die Zuführeinrichtung
wahlweise fest oder bewegbar gelagert ist, d. h. es besteht die
Möglichkeit die Zuführeinrichtung in einer bestimmten
Position und Ausrichtung fixiert zu halten und bei Bedarf diese
Position und Ausrichtung zu verändern und vorzugsweise
in einer neuen Position und Ausrichtung zu fixieren.
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Mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird ein Zuführungssystem
geschaffen, das insbesondere als Ergänzung für
eine bestehende Flecht- oder Wickelmaschine dient, wobei die Vorrichtung
einfach in die bestehende Maschine integriert werden kann. Die Anordnung
des Zuführungssystems erfolgt beispielsweise benachbart
zu etwaig vorhandenen Flechtringen einer Flechtvorrichtung, insbesondere
bei einer Rundflechtmaschine, so dass die zusätzlich eingebrachten
Verstärkungsfasern direkt, ohne chemische Fixierung oder
mittels Bindertechnik, von dem durch den Flechtprozess entstehenden
textilen Geflecht gehalten und fixiert werden.
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Bei
einer beweglichen Anbindung der Zuführeinrichtung an die
Trägereinheit kann sehr exakt auf Veränderung
der Form des Flechtkerns reagiert werden.
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Mit
diesem Zuführungssystem können als Verstärkungsfasern
beispielsweise auch Bänder (z. B. Rovings) oder Hilfsstoffe
eingebracht werden. Bevorzugt werden mit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung in Bauteillängsrichtung orientierte Verstärkungsfasern
zur Bildung einer Verstärkungslage eingebracht. Die zusätzlich
eingebrachte Verstärkungslage kann das geflochtene Bauteil
in Längsrichtung verstärken. Unter Hilfsstoffen
sind im Rahmen der vorliegenden Anmeldung beispielsweise Trennfolien, Klebevliese,
Schaumlagen usw. zu verstehen. Der Begriff „Verstärkungsfaser” umfasst
sowohl einzelne Fasern als auch Halbzeuge (z. B. Faserlagen).
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform kann die Zuführeinrichtung
verschiebbar und/oder drehbar an der Trägereinheit gelagert
sein. Insbesondere kann die Zuführeinrichtung um eine quer
zur Förderrichtung des Faserhalbzeugs orientierte Achse,
die vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht zur Förderrichtung
ausgerichtet ist, drehbar eingerichtet sein. Die Beweglichkeit hinsichtlich
einer Verschiebung kann insbesondere in eine Richtung parallel zur Förderrichtung
oder quer hierzu ausgebildet sein.
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Vorteilhafterweise
umfasst die Zuführeinrichtung wenigstens eine Zuführeinheit.
Die Zuführeinheit kann je nach der geometrischen Form des
zuzuführenden Materials geeignet ausgebildet werden, so dass
auch bandförmige Elemente aus Verstärkungsfasern
zugeführt werden können. Durch die Ausbildung
einzelner Einheiten kann eine genaue Abstimmung zur Bildung des
Geflechts erzielt werden. So können unterschiedliche Bereiche
der Mantelfläche oder Abschnitte entlang der Längsrichtung
eines Flecht- oder Wickelkerns mit einem unterschiedlichen Faser-
oder Lagenaufbau hergestellt werden. Hierbei erweist es sich als
vorteilhaft, wenn die Zuführeinrichtung mehrere Zuführeinheiten
umfasst, die über den Umfang der Trägereinheit
verteilt angeordnet sind.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Länge
der Zuführeinheit variabel. Beispielsweise kann die Zuführeinheit
durch ein Rohrelement gebildet sein, das vorzugsweise in seiner
Längsrichtung teleskopartig verkürzbar oder verlängerbar
ist. Die Länge der Zuführeinheit bzw. des Rohrelementes
richtet sich insbesondere nach dem Abstand der Vorrichtung, insbesondere
der Trägereinheit, von der Mantelfläche des Kerns
und nach der geometrischen Ausgestaltung der Mantelfläche des
Kerns.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Zuführeinheit
ein erstes Ende und ein zweites Ende auf, wobei das erste Ende mittelbar
oder unmittelbar an der Trägereinheit gelagert ist und
das zweite Ende als freies Ende ausgebildet ist. Über eine
entsprechende Positionierung und Ausrichtung des zweiten Endes kann
die Zuführrichtung geeignet festgelegt werden. Für
den Fall, dass der Kern eine entlang seiner Längsrichtung
variable Querschnittsform aufweist, kann durch entsprechende Veränderung
der Position des zweiten Endes der Mantelfläche des Kerns
gefolgt werden.
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Ferner
kann die Zuführeinheit einen Lagerkörper mit einer
Eintrittsöffnung und einer Austrittsöffnung aufweisen,
wobei die Verstärkungsfaser durch die Eintrittsöffnung
geleitet und durch die Austrittsöffnung zugeführt
wird. Beispielsweise kann der Lagerkörper gelenkig an der
Trägereinheit gelagert und die Zuführeinheit fest
an dem Lagerkörper angebracht sein. Auf diese Weise ist
die Zuführeinrichtung beziehungsweise Zuführeinheit
drehbar an der Trägereinheit gelagert.
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Vorteilhafterweise
umfasst die Zuführeinheit eine Aufspreizeinheit und/oder
eine Ablageeinheit, insbesondere ein Fadenauge. Mit der Ablageeinheit kann
eine verbesserte, ondulationsfreie Ablage der Faser auf dem Kern
erreicht werden. Mit der Aufspreizeinheit kann beispielsweise ein
zuzuführendes Band aus Verstärkungsfasern in Streifen
aufgeteilt und dann die Streifen in den Flecht- oder Wickelprozess
eingebracht werden.
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Zweckmäßigerweise
ist die Trägereinheit um das Faserhalbzeug herum positionierbar,
insbesondere ringförmig oder eckig, ausgebildet. Insbesondere
kann die Trägereinheit als Ring bzw. Befestigungsring ausgebildet
sein. Auf diese Weise kann die Trägereinheit mit der Zuführeinrichtung
nahe an einem bestehenden Flechtring der vorhandenen Flechtvorrichtung
positioniert werden. Die geometrische Form der Trägereinheit
und/oder der Zuführeinrichtung ist vorzugsweise an die
Form des zu erzeugenden Faserhalbzeuges bzw. des Flechtkerns angepasst.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens
eine Umlenkeinheit zur Umlenkung der Verstärkungsfaser
und zur Bestimmung des Zuführwinkels in Richtung auf das
Faserhalbzeug vorgesehen. Hierzu kann die Trägereinheit und/oder
die Zuführeinrichtung die Umlenkeinheit umfassen. Mit anderen
Worten können Trägereinheit und Umlenkeinheit
zusammen als einstückiges Bauteil ausgebildet sein.
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Um
die Verstärkungsfaser an einer vorbestimmten Stelle abzulängen,
kann eine Trenneinrichtung vorgesehen sein. Vorteilhafterweise ist
die Trenneinrichtung in die Zuführeinrichtung integriert,
beispielsweise durch Ausbildung einer Trennkante an einer Öffnung
der Zuführeinheit.
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In
bevorzugter Ausgestaltung ist eine Vorschubeinrichtung zum Einbringen
der Verstärkungsfaser in die Zuführeinrichtung
und/oder zum Vorschieben der Verstärkungsfaser in der Zuführeinrichtung
vorgesehen. Die Vorschubeinrichtung kann derart ausgebildet sein,
dass sie einen Luftstrom zum Einbringen in die Zuführeinrichtung
und/oder zum Vorschieben der Verstärkungsfaser in der Zuführeinrichtung
bereitstellt.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines
Faserhalbzeuges umfasst wenigstens eine Zuführeinheit zum
Zuführen einer Grundfaser zur Bildung eines Faserhalbzeugs
und eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15
zum Zuführen einer Verstärkungsfaser zur Bildung
einer Verstärkungslage des Faserhalbzeuges, wobei die Zuführeinheit
in einer vorbestimmten Relativposition zu der Trägereinheit
der Vorrichtung angeordnet ist.
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Bei
der vorgenannten erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Herstellung eines Faserhalbzeuges handelt es sich vorzugsweise
um eine Flechtvorrichtung. Die Anordnung des Zuführungssystems
gemäß der Vorrichtung nach einem der Ansprü che
1 bis 15 erfolgt bei einer solchen Flechtvorrichtung beispielsweise
benachbart zu vorhandenen Flechtringen für die Zuführung
der Grundfaser.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Zuführeinheit derart
in Relativposition zu der Trägereinheit angeordnet, so
dass die Verstärkungsfaser und die Grundfaser während
der Herstellung des Faserhalbzeuges im Wesentlichen in einem Punkt
entlang einer Längsrichtung des Faserhalbzeuges aufeinander
treffen oder in einem vorbestimmten Abstand entlang der Längsrichtung
voneinander aufeinander treffen.
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Mit
den beiden erfindungsgemäßen Vorrichtungen können
verbesserte mechanische Eigenschaften der einzubringenden Verstärkungsfasern und
des gesamten Faserhalbzeugs erzielt werden. Weiterhin können
die einzuflechtenden oder einzuwickelnden Bestandteile lückenlos
gruppiert werden, wodurch beispielsweise Verstärkungsfasern
in großer Anzahl positioniert werden können.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung kann die Trägereinheit
in Form eines Befestigungsringes ausgebildet sein und mit einer
beliebigen Anzahl von Zuführeinheiten in Form von Fadenzuführungselementen über
den Umfang des Ringes verteilt ausgestattet sein. Dadurch kann eine über den
Umfang des Flechtkerns geschlossene Verstärkungslage erzeugt
werden oder an bestimmten Bereichen über den Umfang des
Flechtkernes ein definierter Fadeneintrag ermöglicht werden.
Hierbei können die Fadenzuführungselemente in
Länge und Eintragwinkel variabel bzw. gelenkig ausgeführt
sein, so dass die Zuführung der Fäden auch bei
variablen Querschnitten des Fadenkerns gewährleistet ist. Weiterhin
können am Austritt der Fadenzuführungselemente
Fadenaugen angebracht sein, die eine homogene Fadenablage sowie
ein Aufspreizen der Verstärkungsfäden erlauben.
Schließlich kann das variable Zuführungssystem
auch derart gestaltet sein, dass bandförmige Produkte eingebracht
werden können. Hierfür können sowohl
vorkon fektionierte Verstärkungsbänder, als auch
bandförmige Hilfsstoffe, wie beispielsweise Rindervliese,
Trennfolien oder Sandwichkernelemente verwendet werden.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher
erläutert. Dabei zeigen schematisch:
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1 einen
Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße
Vorrichtung zur Herstellung eines Faserhalbzeuges und eine erfindungsgemäße
Vorrichtung zum Zuführen einer Verstärkungsfaser
in das Faserhalbzeug, und
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2 eine
Ansicht von vorne auf die Anordnung gemäß 1.
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Die 1 und 2 zeigen
eine Vorrichtung zur Herstellung eines Faserhalbzeuges mit wenigstens
einer Zuführeinheit 60 zum Zuführen einer Grundfaser 16 zur
Bildung des Faserhalbzeugs und eine Vorrichtung zum Zuführen
einer Verstärkungsfaser 14 in das Faserhalbzeug.
Die kombinierte Anordnung der beiden Vorrichtungen stellt als bevorzugtes Ausführungsbeispiel
eine Flechtvorrichtung, insbesondere eine Rundflechtvorrichtung,
dar, mit der eine Flechtlage aus den Grundfasern 16 und
eine Verstärkungslage aus den Verstärkungsfasern 14 zur
Bildung des Faserhalbzeuges verarbeitet werden.
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Das
Faserhalbzeug wird durch Flechten der Grundfaser 16 auf
eine Mantelfläche 12 eines Flechtkerns 10 und
durch Zuführen der Verstärkungsfaser 14 gebildet.
Der Flechtkern 10 weist eine, in seiner Längsrichtung
L betrachtet, veränderliche Mantelfläche 12 auf.
Um den Flechtkern 10 entlang seiner Längsrichtung
L vollständig beflechten zu können, wird dieser
entlang einer Förderrichtung F durch die Flechtvorrichtung
transportiert.
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Die
Vorrichtung zum Zuführen der Verstärkungsfaser 14 umfasst
eine Zuführeinrichtung 30 und eine Trägereinheit 50.
Hierbei ist die Trägereinheit 50 in einer vorbestimmten
Relativposition im Abstand A zu der Zuführeinheit 60 angeordnet.
Der Abstand A ist hierbei so gewählt, dass die Verstärkungsfaser 14 in
der Längsrichtung L beabstandet zu der Grundfaser 16 auf
die Mantelfläche 12 bzw. auf das schon teilweise
ausgebildete Geflecht auftrifft.
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Die
zur Zuführung, Ausrichtung und Ablage der Verstärkungsfaser 14 dienende
Zuführeinrichtung 30 umfasst eine Vielzahl von
Zuführeinheiten 31, 32, 33, 34, 35,
die über den Umfang der Trägereinheit 50 verteilt
angeordnet sind.
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Jede
der Zuführeinheiten 31, 32, 33, 34, 35 weist
einen Lagerkörper 36 auf, der an der Trägereinheit 50 gelagert
ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Lagerkörper 36 kugelartig
geformt und mit einem Hohlraum versehen. Der Lagerkörper 36 weist
eine Eintrittsöffnung 37 und eine Austrittsöffnung 38 auf,
durch die die Verstärkungsfaser 14 hindurch geführt
wird.
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Die
Trägereinheit 50 ist vorzugsweise als Ring bzw.
Befestigungsring ausgebildet und um den Flechtkern 10 herum
positioniert. Die Trägereinheit 50 dient zur Positionierung
und Ausrichtung der Zuführeinrichtung 30 in einer
geeigneten Position relativ zum Flechtkern 10, so dass
die Verstärkungsfaser 14 und die Grundfaser 16 möglichst
ondulationsfrei auf der Mantelfläche 12 abgelegt
werden können. Die Trägereinheit 50 lagert
die Zuführeinrichtung 30 derart, dass diese um
eine senkrecht zur Zeichenebene und somit senkrecht zur Förderrichtung
F bzw. Längsrichtung L verlaufende Drehachse drehbar ist. Anders
ausgedrückt, ist die Zuführeinrichtung 30 über
den Lagerkörper 36 bewegbar, insbesondere drehbar
beziehungsweise schwenkbar, an der Trägereinheit 50 gelagert.
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Ferner
weist jede der Zuführeinheiten 31, 32, 33, 34 und 35 ein
Rohrelement 40 mit einem ersten Ende 42 und einem
zweiten Ende 44 auf. Jedes Rohrelement 40 ist
im Bereich des ersten Ende 42 fest an dem Lagerkörper 36 angebracht.
Das zweite Ende 38 ist als freies Ende ausgebildet und
kann eine Ablageeinheit und/oder eine Aufspreizeinheit umfassen. Über
das bezüglich aller drei Raumrichtungen in die gewünschte
Position bringbare freie Ende 38 des Rohrelements 36 kann
die Verstärkungsfaser 14 in geeigneter Weise auf
dem Flechtkern 10 abgelegt werden.
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Die
Rohrelemente 40 weisen jeweils eine Wandung und einen inneren
Hohlraum auf, so dass die Verstärkungsfaser 14 durch
den Lagerkörper 36 und das Rohrelement 40 zugeführt
werden kann. Mit anderen Worten dient das Rohrelement 40 als
Fadenzuführungselement für die Verstärkungsfaser 14.
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Die
Rohrelemente 40 sind vorteilhafterweise in ihrer Länge
variabel, so dass auf Querschnittsänderungen des Flechtkerns 10 entlang
seiner Förderrichtung F reagiert werden kann. Vorzugsweise
ist das Rohrelement 40 teleskopartig aufgebaut.
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Auf
diese Weise kann eine weitgehend ondulationsfreie oder vollständig
ondulationsfreie Ablage der Verstärkungsfaser 14 auf
dem Flechtkern 10 beziehungsweise innerhalb des durch die
Grundfaser 16 gebildeten Geflechts erreicht werden. Die
Verstärkungsfaser 14 ist vorzugsweise in einem
Winkel von 0° zur Längsrichtung L orientiert und
verstärkt das Faserhalbzeug in seiner Längsrichtung.
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- 10
- Flechtkern
- 12
- Mantelfläche
- 14
- Verstärkungsfaser
- 16
- Grundfaser
- 30
- Zuführeinrichtung
- 31
- Zuführeinheit
- 32
- Zuführeinheit
- 33
- Zuführeinheit
- 34
- Zuführeinheit
- 35
- Zuführeinheit
- 36
- Lagerkörper
- 37
- Eintrittsöffnung
- 38
- Austrittsöffnung
- 40
- Rohrelement
- 42
- erstes
Ende
- 44
- zweites
Ende
- 50
- Trägereinheit
- 60
- Zuführeinheit
- L
- Längsrichtung
- F
- Förderrichtung
- A
- Abstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004017311
A1 [0005]
- - DE 10115953 A1 [0006]