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Die Erfindung betrifft Vorrichtungen für Werkstücke aus biegeschlaffen Werkstoffen in ebener oder räumlicher Ausdehnung mit einer oder mehreren Lagen zum Ausrichten, Wölben, Spannen, Falten, Transportieren für die Fertigungsprozesse: Fügen, Trennen, Formgeben, Dekorieren, die mit generativen Fertigungsverfahren erzeugt werden, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1
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Aus der
DE 14 85 205 C3 ,
DE 81 09 780 U1 und
DE 40 29 891 C1 sind derartige Vorrichtungen bekannt, bei der das Ausrichten, das Wölben und das Spannen von biegeschlaffen Werkstückteilen durch Einzelelemente erfolgt, die zu einer Funktionseinheit zusammengesetzt werden.
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Nachteilig an den bekannten Vorrichtungen ist, dass die Einzelteile der Vorrichtung den individuellen Anforderungen der Anwender in sehr zeit- und kostenaufwendigen Einzelschritten gestaltet, gefertigt und anschließend zu einer Funktionseinheit zusammen montiert werden müssen. Die hier angewandten spanabhebenden Fertigungsverfahren bedingen diese Bauweise der Vorrichtung, die durch die Vielzahl der Einzelteile und deren Fertigung zu langen Lieferzeiten führen. Die Fertigung dieser Vorrichtungen nach den Anforderungen der Anwender erfordern hoch qualifizierte Fachkräfte, die nur begrenzt zu Verfügung stehen, was die schnelle Reaktion auf Marktanforderungen sehr stark einschränkt.
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Als weiterer Nachteil der Vorrichtung in dieser Bauweise wird die Verbindung der vielen Einzelteile zu einer gesamten Funktionseinheit mittels Schraubverbindungen angesehen, die beim robusten Betriebseinsatz sich lösen können und so zu erheblichen Funktionsstörungen und Qualitätseinbußen führen.
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Ferner lassen sich in der Entwurfsphase mittels rechnergestützter Verfahren sowohl Steifigkeits- als auch Gewichtsoptimierungen der Vorrichtung nicht wirkungsvoll durchführen, da die Schraubverbindungen, mit denen die einzelnen Elemente zu einer Funktionseinheit verbunden sind, keine exakte Modellierung und Berechnung erlauben.
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Aus
DE 16 60 924 C3 ist eine Vorrichtung zum Falten von Taschenzuschnitten bekannt, die in ähnlicher Bauweise aus einer Vielzahl von Einzelelementen aufgebaut ist, die alle zueinander exakt justiert und verschraubt werden müssen. Die sich aus dieser Bauweise ergebenden Nachteile sind denen, der oben geschilderten Beispiele gleich.
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Aus
DE 633710 A sind so genannte Einfasser bekannt, mit denen Stoffstreifen oder Kunststoffbänder durch Einfach oder Mehrfachfalten so geformt werden, dass eine rohe Stoffkante umhüllt und anschließend vernäht oder verschweißt bzw. verklebt werden kann.
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Derartige Einfasser werden aus mehreren Blechstreifen geformt und zu einer Funktionseinheit verlötet. Diese Vorrichtungen, die nach den Anforderungen der Anwender individuell angefertigt werden, erfordern höchst qualifizierte und erfahrene Fachkräfte, die nur sehr begrenzt zu Verfügung stehen, was zu hohen Kosten und bei einer kumulierten Auftragslage zu sehr langen Lieferzeiten führt.
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In
DE 100 51 893 A1 wird ein selektives Lasersinterverfahren beschrieben, bei dem metallische Bauteile, insbesondere Werkzeugeinsätze, hergestellt werden. Ein in einem CAD System entworfenes Bauteil wird in einzelne Module zerlegt, die im generativen Schichtverfahren erzeugt und anschließend zu einer Endform, – z. B. einer Spritzgussform für groß dimensionierte Bauteile, – zusammen montiert werden.
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Der Entgegenhaltung sind keine Anregungen zu entnehmen, die Vorrichtung als eine Einheit unter Vermeidung jeglichen Montageaufwandes herzustellen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung für Werkstücke aus biegeschlaffen Werkstoffen mit einer oder mehreren Lagen zum Ausrichten, Wölben, Falten und Spannen und anschließendem Fügen, Trennen, Formgeben oder Dekorieren als eine Einheit in ganzheitlicher Bauweise weiterzubilden, durch die die erwähnten Nachteile behoben sind, und die eine funktional einfach handhabbare, kostengünstige und schnell zu liefernde Ausführung ermöglicht.
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Die Vorrichtung wird gemäß der Erfindungsaufgabe mit einem generativen Fertigungsverfahren, – auch unter dem Namen Rapid Prototyping oder Rapid Manufacturing bekannt –, hergestellt, welches eine ganzheitliche Bauweise mit geringen Kosten und Lieferzeiten ermöglicht. Diese Fertigungsweise erlaubt in Verbindung mit den bekannten rechnergestützten Entwurfstechniken (CAD) und Optimierungsverfahren (CAE) eine sehr große Gestaltungsfreiheit der Vorrichtung und gestattet die Integration aller benötigten Funktionselemente der Vorrichtung zu einer Einheit, die in einem Gesamtdatensatz definiert und in einem Fertigungsschritt mit einem generativen Fertigungsverfahren entsprechend dem Gesamtdatensatz als Einheit hergestellt wird.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt bei der Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale.
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Mit der Erfindung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 wird eine Vorrichtung zum Ausrichten, Wölben, Falten und Festspannen von Werkstücken aus biegeschlaffen Werkstoffen mit einer oder mehren Werksstücklagen für die Fertigungsprozesse: Fügen, Trennen, Formgeben und Dekorieren angegeben, die sich durch die Integration aller erforderlichen Funktionselemente zu einer ganzheitlichen Bauweise und anschließender Herstellung mit generativen Fertigungsverfahren als komplette Einheit ohne Montageaufwand auf der Basis eines 3D-Gesamtdatensatzes auszeichnet, wodurch eine sehr stabile und funktionssichere Ausführung mit geringen Herstellkosten und kurzen Lieferzeiten erreicht wird. Der Entwurf dieser Vorrichtung mit den bekannten rechnergestützten Entwurfsverfahren als ein komplettes 3D-Gesamtdatenmodell in ganzheitlicher Bauweise ermöglicht eine sehr schnelle und flexible Anpassung an die Anforderungen der Anwender mit einer funktionalen und kostenmäßigen Optimierung.
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Die Ausgestaltungen der Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 2 und 3 führt durch die optimale Anpassung der Spannstufe an die Anforderungen der Anwender und deren Integration in einem 3D-Gesamtdatenmodell als eine Einheit mit anschließender Fertigung mit generativen Fertigungsverfahren in einem Fertigungsschritt zu einer einfachen, stabilen und kostengünstigen Ausführung mit hoher Funktionszuverlässigkeit.
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Die Weiterbildung der Vorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 4 führt zu einer weiteren Verbesserung des Spannens, wodurch Unebenheiten des Werkstücks durch den federnden Ausgleich, der durch Schlitze unterbrochenen Spannstufe, ausgeglichen werden. Das Einbeziehen der Schlitze in das 3D-Gesamtdatenmodell führt mit der generativen Fertigung der Vorrichtung zu weiteren Kosteneinsparungen.
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Die Ausgestaltung der Vorrichtung nach Anspruch 5 führt durch die Integration weiterer Funktionselemente in das 3D-Gesamtdatenmodell und anschließender Fertigung mit generativen Herstellverfahren in einem Fertigungsschritt zu sehr hohen Kosteneinsparungen, kurzen Durchlaufzeiten und hoher Funktionszuverlässigkeit.
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Mit dem Merkmal nach Anspruch 6 wird das Querschnittsprofil des Mehrweitenelements zum räumlichen Wölben der oberen Werkstofflage relativ zur unteren Werkstofflage optimal an die Fügelinie angepasst, was zu einer deutlichen Qualitätsverbesserung des Fügeergebnisses führt. Durch die Integration weiterer Funktionselemente in das 3D-Gesamtdatenmodell und deren Fertigung mit generativen Herstellverfahren werden hohe Kosteneinsparungen und kurze Durchlaufzeiten erreicht.
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Bei der Weiterbildung der Vorrichtung mit dem Merkmal nach Anspruch 7 werden durch das Einbeziehen von Funktionselementen für das Ausrichten, Führen, Transportieren, Spannen und Befestigen in ein 3D-Gesamtdatenmodell und anschließender Fertigung mit generativen Herstellverfahren in einem Fertigungsschritt deutliche Kosteneinsparungen und geringe Durchlaufzeiten erzielt.
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Mit der Ausgestaltung der Vorrichtung nach Anspruch 8 wird durch die Formoptimierung der Falt- und Befestigungselemente und deren Integration in einem 3D-Gesamtdatenmodell mit anschließender Herstellung in einem Fertigungsschritt mit generativen Fertigungsverfahren eine wesentliche Qualitätsverbesserung des Fügeergebnisses mit deutlichen Kosteneinsparungen erreicht.
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Mit der Integration der Codierung und des Namenszuges der Vorrichtung in einem 3D-Gesamtdatenmodell mit anschließender Herstellung in einem Fertigungsschritt mit generativen Fertigungsverfahren nach Anspruch 9 wird eine exakte Zuordnung der Vorrichtung zum Prozessprogramm, und durch die Lesbarkeit des Namenszuges der Vorrichtung eine bessere Mensch/Maschine Kommunikation, erreicht, was zu einer Erhöhung der Prozesssicherheit führt.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen. Es zeigt:
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1 eine Vorrichtung zum Wölben und Spannen von zwei Werkstücklagen aus biegeschlaffen Werkstoffen im geöffneten Ladezustand in Schnittdarstellung A-B,
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2 eine Vorrichtung zum Wölben und Spannen von zwei Werkstücklagen aus biegeschlaffen Werkstoffen im geschlossenen Prozesszustand in Schnittdarstellung A-B,
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3 eine Vorrichtung zum Wölben und Spannen von zwei Werkstücklagen aus biegeschlaffen Werkstoffen im geschlossenen Prozesszustand in Draufsicht,
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4 eine Vorrichtung zum Falten von Werkstückstreifen aus biegeschlaffen Werkstoffen in isometrischer Darstellung,
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5 eine Vorrichtung zum Falten von Werkstückstreifen aus biegeschlaffen Werkstoffen in Vorderansicht
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6 eine Vorrichtung zum Falten von Werkstückstreifen aus biegeschlaffen Werkstoffen in Schnittdarstellung C-D,
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7 eine Vorrichtung zum Falten von Werkstückstreifen aus biegeschlaffen Werkstoffen in Draufsicht mit partiellen Schnittöffnungen.
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Beispiel 1
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Das erste Beispiel s. 1, 2, und 3 zeigt eine Vorrichtung (1) zum Fügen durch Nähen und Beschneiden von zwei biegeschlaffen Werkstückteilen (4) und (8) entlang einer Fügelinie (2) und einer äquidistanten Schnittlinie (3).
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1 zeigt die Vorrichtung (1) im geöffneten Ladezustand mit dem oberen Werkstückteil (4), das auf dem Mehrweitenelement (5) aufliegt und an den Ausrichtanschlägen (6) und (7) ausgerichtet wird. Das untere Werkstückteil (8) liegt auf der unteren Spannplatte (9) auf und wird an der Ausrichtfläche (10) ausgerichtet.
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Die untere Spannplatte (9) ist als ganzheitliches Bauteil ausgebildet, in die der Führungskanal (11), die Ausrichtfläche (10), die Transportelemente (12), die äquidistant zur Fügelinie (2) verlaufen, der Verschlusssteg (13) und die Lagerböcke (14) und (15) integriert sind, die als ein 3D-Gesamtdatenmodell entworfen und mit einem generativen Herstellungsverfahren Schicht für Schicht aus erhitzter Kunststoffmasse oder aus einer durch eine Wärmequelle erhitzten Werkstoffpulver zu einer fertigen Einheit aufgebaut wird.
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Die obere Spannplatte (16) ist ebenfalls als ein ganzheitliches Bauteil ausgebildet, in die die Spannschieberführung (17) für den Spannschieber (18) und die Drehlageraugen (19) und (20) integriert sind, die ebenfalls in einem 3D-Gesamtdatenmodell entworfen und mit generativen Herstellverfahren als eine Einheit gefertigt wird.
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Die Spannstufe (22) mit der Spannkante (21), s. 1, u. 3, der oberen Spannplatte (16), die in ihrem Verlauf äquidistant der Fügelinie (2) folgt, ist als rau strukturierte Spannfläche (23) mit einer dazwischen liegenden anderen Werkstoffschicht (52) ausgeführt und durch Schlitze (24), s. 3, unterbrochen, um Unebenheiten des Werkstückes elastisch auszugleichen und einen Werkstückverschub relativ zur Vorrichtung während des Fügeprozesses zu vermeiden. Alle diese Elemente sind in die obere Spannplatte (16) integriert und werden, wie erwähnt, in einem Gesamtdatensatz als Einheit entworfen und in einem Fertigungsschritt mit generativen Herstellverfahren komplett als ganzheitliches Bauteil hergestellt.
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Das Mehrweitenelement (5), s. 1, mit dem eine räumliche Wölbung des oberen Werkstückteils (4) relativ zum unteren Werkstückteil (8) erreicht wird und welches an der Außenlinie (25) äquidistant zu Fügelinie (2) verläuft, kann in seinem Querschnittsprofil (26) an die Anforderungen der Anwendung optimal angepasst werden. Die in das Mehrweitenelement (5) integrierten Drehlageraugen (27) und (28) und der Öffnungsanschlag (33) werden ebenfalls als 3D-Gesamtdatenmodell entworfen und mit generativen Herstellverfahren gefertigt. Durch die Öffnung (29) und (30) der Drehlageraugen (19), (20) von oberer Spannplatte (16) und den Öffnungen (31) und (32) an den Drehlageraugen (27) und (28) vom Mehrweitenelement (5) lassen sich sehr einfach, schnell und ohne Werkzeug die untere Spannplatte (9), das Mehrweitenelement (5) und die obere Spannplatte (16) mit dem Spannschieber (16), der als Standardteil in gleicher Weise entworfen und gefertigt werden kann, aus ihrem Verbund lösen und danach wieder zu einer Einheit zusammensetzen.
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2 zeigt die Vorrichtung (1) im geschlossenen Zustand mit den zur Nähanlage (63) gehörenden Prozesselementen Nadel (34), Messer (35), Transportzahnrad (36), das im Eingriff mit den Transportelementen (12) steht, dem Untertransport (37) mit Drückerfuß (71) und dem Führungsnocken (38), der die Vorrichtung entlang des Führungskanals (11) führt und die Fügelinie (2) abbildet. Anstelle der mechanischen Transport und Führungselemente (12), (36), (37), (38), (71) und (11) können auch alternativ numerisch gesteuerte Handhabungsgeräte oder Führungssysteme die Funktion der Führung entlang der Fügelinie (2) übernehmen.
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Zu Identifizierung der Vorrichtung (1) und deren Zuordnung zum vorgesehenen Arbeitsgang ist die obere Spannplatte (16) mit einem Namenszug (53) und mit einer codierten Loch- oder Stiftreihe versehen, die von einem Sensor abgefragt wird.
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Der Namenszug (53) und die codierte Stift oder Lochreihe (54) werden Zusammen mit der oberen Spannplatte (16) im 3D-Gesamtdatenmodell entworfen und wie erwähnt, in einem Schritt mit generativen Fertigungsverfahren hergestellt.
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Die Arbeitsweise der Vorrichtung (1) ist wie folgt:
Im geöffneten Ladezustand der Vorrichtung (1), s. 1, wird das obere Werkstückteil (4) auf das Mehrweitenelement (5) aufgelegt und an den Ausrichtanschlägen (6) und (7) ausgerichtet. Danach wird das untere Werkstückteil (8) auf die untere Spannplatte (9) aufgelegt und an der Ausrichtfläche (10) positioniert. Anschließend wird der Spannschieber (18), der in der Spannschieberführung (17) in einer Trapezführung geführt wird, über den Schieberknopf (39) in Bewegungsrichtung (40) geschoben, bis die Verschlussstegzapfen (42) und (43) den Durchbruch (44) erreicht haben. In dieser Lage können die Verschlussstegzapfen (42) und (43) durch den Durchbruch (44) hindurch treten, so dass die obere Spannplatte (16) zusammen mit dem Mehrweitenelement (5) drehend um die Lagerböcke (14) und (15) auf die untere Spannplatte (9) aufsetzen kann, s. 2. Danach muss der Spannschieber (18) über den Schieberknopf (39) in Bewegungsrichtung (41) so weit geschoben werden, bis die Verschlusszapfen (45) und (46) an die keilförmigen Spannflächen (47) und (48) aufsetzen und die obere Spannlatte (16) zusammen mit den Werkstückteilen (4) und (8), dem Mehrweitenelement (5) und der unteren Spannplatte miteinander verspannen. Dabei dringt die Mehrweitenstufe (49) der oberen Spannplatte (16) in die Mehrweitensenke (50) des Mehrweitenelements (5) ein und formt das obere Werkstückteil (4) entsprechend räumlich, wodurch eine Wölbung des oberen Werkstückteils (4) relativ zum unteren Werkstückteil (8) erzeugt wird.
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Anschließend wird dann die Vorrichtung (1), s. 2, zum Fügen und Beschneiden der Werkstückteile (4) und (8) einer Nähanlage (63) zugeführt, in der sie am Führungsnocken (38) entlang des Führungskanals (11) durch das Zusammenwirken von Transportrad (36) mit dem Untertransport (37) und Drückerfuß (71) bewegt wird, und dabei die Werkstückteile (4) und (8) gleichzeitig mittels der Nadel (34) zusammen näht und mit dem Messer (35) entlang der Schnittlinie (3) beschneidet.
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Nach dem Füge und Schneidvorgang wird die Vorrichtung (1) aus der Nähanlage (63) entnommen und der Spannschieber (18) am Schieberknopf (39) in Richtung (40) geschoben bis die Verschlusszapfen (45) und (46) den Durchbruch (44) erreicht haben. In dieser Lage wird die obere Spannplatte (16) mit dem Mehrweitenelement (5) um die Lagerböcke (14) und (15) geschwenkt bis die Verschlusszapfen (42) und (43) die untere Schieberfläche (51) erreicht haben. Anschließend wird dann der Spannschieber (18) in Richtung (41) bewegt, sodass die Verschlusszapfen (42) und (43) auf der unteren Schieberfläche (51) bis zur Lage, wie in 1 dargestellt, gleiten und die obere Spannplatte (16) mit dem Mehrweitenelement (5), das am Öffnungsanschlag (33) hängt, in einer stabilen Position hält. In dieser Position können dann die gefügten und beschnittenen Werkstücke (4) und (8) der Vorrichtung (1) entnommen und diese wieder neu beladen werden.
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Beispiel 2
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In diesem Beispiel, s. 4, 5, 6 und 7 wird eine Vorrichtung (55) zum Falten eines biegeschlaffen Werkstückstreifens (56) und Einfassen eines weiteren biegeschlaffen Werkstückteils (57) mit anschließendem Fügen durch Nähen entlang einer Fügelinie (58) gezeigt. Die Vorrichtung (55) ist in ganzheitlicher Bauweise ausgebildet in die der Faltkern (59), die Tunnelführung (60), die Führungsstege (61), (62) und die Befestigung (70) integriert sind, die als 3D-Gesamtdatenmodell entworfen und mit generativen Herstellverfahren als Einheit gefertigt wird.
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7 zeigt die Vorrichtung (55) in Draufsicht mit partiellen Schnittöffnungen, die mit ihrer Befestigung (70) über ein Schraubelement (73) mit einer Nähanlage (63) verbunden ist. Der Werkstückstreifen (56) wird als flaches Endlosband von einer Vorratsrolle (72) kommend, allmählich um den Faltkern (59) räumlich vorgefaltet und erhält nach dem Passieren der Tunnelführung (60) eine U-förmige Faltform (64). An der Kante (65) wird die U-förmige Faltform (64) des Werkstückstreifens (56) um 90° in Richtung (66) umgelenkt und in dem Kanal (67) mit gleicher U-Form an den Führungsstegen (61) und (62) weiter geführt.
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In die offene Seite der Faltform (68) des gefalteten Werkstückstreifens (56) wird das Werkstückteil (57) dicht an die Wölbung (69) eingeschoben und zusammen an der Fügelinie (58) durch eine Naht mittels einer Nähanlage (63) zusammen gefügt.
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Diese beiden Beispiele repräsentieren eine Vielzahl ähnlich gearteter Vorrichtungen für die Bearbeitung von Werkstücken aus biegeschlaffen Werkstoffen, die in ganzheitlicher Bauweise als 3D-Modelle entworfen und mit generativen Fertigungsverfahren als eine Einheit hergestellt werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Fügelinie
- 3
- Schnittlinie
- 4
- oberes Werkstückteil
- 5
- Mehrweitenelement
- 6
- Ausrichtanschlag
- 7
- Ausrichtanschlag
- 8
- unteres Werkstückteil
- 9
- untere Spannplatte
- 10
- Ausrichtfläche
- 11
- Führungskanal
- 12
- Transportelemente
- 13
- Verschlusssteg
- 14
- Lagerbock
- 15
- Lagerbock
- 16
- obere Spannplatte
- 17
- Spannschieberführung
- 18
- Spannschieber
- 19
- Drehlagerauge ob. Spannplatte
- 20
- Drehlagerauge ob. Spannplatte
- 21
- Spannkante
- 22
- Spannstufe
- 23
- raue Spannfläche
- 24
- Schlitze
- 25
- Außenlinie
- 26
- Querschnittsprofil
- 27
- Drehlagerauge Mehrweitenel.
- 28
- Drehlagerauge Mehrweitenel.
- 29
- Öffnung obere Spannplatte
- 30
- Öffnung obere Spannplatte
- 31
- Öffnung Mehrweitenelement
- 32
- Öffnung Mehrweitenelement
- 33
- Öffnungsanschlag
- 34
- Nadel
- 35
- Messer
- 36
- Transportrad
- 37
- Untertransport
- 38
- Führungsnocken
- 39
- Schieberknopf
- 40
- Bewegungsrichtung
- 41
- Bewegungsrichtung
- 42
- Verschlussstegzapfen
- 43
- Verschlussstegzapfen
- 44
- Durchbruch
- 45
- Verschlussstegzapfen
- 46
- Verschlussstegzapfen
- 47
- Spannfläche
- 48
- Spannfläche
- 49
- Mehrweitenstufe
- 50
- Mehrweitensenke
- 51
- untere Schieberfläche
- 52
- Werkstoffschicht
- 53
- Namenszug
- 54
- codierte Stiftreihe
- 55
- Vorrichtung
- 56
- Werkstückstreifen
- 57
- Werkstückteil
- 58
- Fügelinie
- 59
- Faltkern
- 60
- Tunnelführung
- 61
- Führungssteg
- 62
- Führungssteg
- 63
- Nähanlage
- 64
- U-förmige Faltform
- 65
- Kante
- 66
- Richtung
- 67
- Kanal
- 68
- offene Seite Faltform
- 69
- Wölbung
- 70
- Befestigung
- 71
- Drückerfuß
- 72
- Vorratsrolle
- 73
- Schraubelement
