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Die Erfindung betrifft ein Verbundbauteil mit einer textilen, konsolidierten Struktur.
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Solche Verbundbauteile finden breite Anwendung insbesondere im Bereich des Leichtbaus, beispielsweise im Flugzeug- und Fahrzeugbau, da sich mit diesen aus einer textilen Grundstruktur bestehenden Verbundbauteilen hochbelastbare Bauteile mit einem im Vergleich zu anderen Materialien geringen Gewicht realisieren lassen. Insbesondere in der Luftfahrt, aber zunehmend auch in der Fahrzeugindustrie können durch Gewichtsreduzierung erhebliche Kosteneinsparungen durch geringere Betriebskosten, insbesondere durch geringeren Treibstoffverbrauch erzielt werden, was einen erheblichen Wettbewerbsvorteil darstellt.
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Es ist bekannt, textile Rippen, Stege oder Ähnliches als einzelnes Profil zu fertigen und nachträglich mit Flächen zu verbinden oder die Profile selbst aus Flächen durch Zuschneiden und Verbinden zu fertigen und dann mit den Flächen zu verbinden. Das Verbinden kann rein montagetechnisch (Stapeln) oder durch Nähfäden oder nach dem Konsolidieren durch z. B. Kleben oder Nieten erfolgen. Diese Ausbildung ist allerdings montagetechnisch sehr aufwändig. In der Fertigung kann es zum Verschieben der einzelnen Lagen gegeneinander kommen. Der große Nachteil besteht insbesondere darin, dass die Rippen bzw. Stege nicht durch Hochleistungsfasern mit den Flächen verbunden sind. Die Eigenschaften des Verbundes sind dadurch schlechter, insbesondere besteht eine hohe Delaminationsgefahr, d. h. die Lagen in den Rippen bzw. Stegen und insbesondere die Verbindung zwischen den Rippen/Stegen und Flächen platzen bei Belastung auseinander. Die erforderlichen Eigenschaften bzw. die Funktion des Verbundes gehen dadurch verloren. Die Prüfmethoden zur Identifikation eines solchen als Delamination bezeichneten Schadens sind aufwändig.
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Das Einweben von in Schussrichtung hervortretenden Falten oder Rippen bei einer textilen Struktur, die auf herkömmlichen Webmaschinen hergestellt werden, ist allgemein bekannt und vielfältig beschrieben. Beispielhaft seien hier die
CH 461 398 A und die
EP 0 225 239 A1 genannt.
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Aus der
DE 38 137 40 A1 ist es beispielsweise bekannt, ein Bauteil aus einem harzgetränkten und ausgehärteten textilen Gewebe, bestehend aus einem technischen Garn, herzustellen. Das textile Gewebe ist dabei als eine reiche, äußerst eng eingestellte Faltenstruktur, vergleichbar einem Plisseegewebe, ausgebildet, um die erwünschte Bauteildicke bei geringem Materialaufwand zu erzielen. Diese Struktur weist wesentliche Nachteile auf. Die dicht gelegten Falten steigern das Gewicht des Bauteils enorm und tragen nicht zur Aufnahme der in der Bauteilebene wirkenden Kräfte bei.
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Die
US 3 207 185 A zeigt ein Bauteil aus zwei gewebten Lagen, die durch gewebte Stege verbunden sind, und nachträglich durch Harz oder Kunststoff ausgehärteten Fasern. Die die Gewebe verbindenden schräg oder senkrecht angeordneten gewebten Stege bilden Kammern. Nachteilig ist, dass es prozesstechnisch außerordentlich schwierig ist, diese geschlossenen Strukturen durch Harze oder Kunststoffe zu verfestigen.
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DE 601 30 824 T2 offenbart eine kalottenförmige Struktur, die aus einer dreidimensional gewebten und anschließend harzgetränkten Vorform hergestellt ist. Die Vorform weist dabei Verstärkungsrippen auf.
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DE 1 704 670 A zeigt ein Kunststofflaminat mit Verstärkungsrippen und ein Verfahren zum Herstellen des Laminats. Dabei werden verstärkende Faserstrangrippen aus Glasfaser an ein Grundgewebe aus Glasfasern angewebt. Die Faserstrangrippen und das Grundgewebe werden dabei in separaten Arbeitsschritten hergestellt und im fertigen Zustand miteinander verbunden.
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CH 582 767 A offenbart ein Gewebe aus Glasfasern, in das Falten eingewebt werden, und das anschließend mit Kunststoff durchtränkt und damit konsolidiert wird. Das Gewebe wird insbesondere als Einlage in einem Kunstofflaminat verwendet.
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Ausgehend von diesem vielfältigen Stand der Technik, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ebenflächige Platten oder leicht gekrümmte Platten mit hoher Stabilität, insbesondere Biegesteifigkeit, und hoher Delaminationsfestigkeit und geringem Gewicht herzustellen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verbundbauteil mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 vorgeschlagen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die Herstellung des Verbundbauteils, das häufig auch als 3D-Verbundteil bezeichnet wird, kann auf einer herkömmlichen Webmaschine mit einem ebenso herkömmlichen Webverfahren erfolgen. Die Versteifungselemente (Rippen, Stege) geben dem flächigen Träger, der vorzugsweise als eine ebene oder nur leicht gekrümmte Fläche ausgebildet ist, die gewünschte Biegesteifigkeit als Widerstand gegen unerwünschtes Durchbiegen oder gar Brechen. Mit den Versteifungselementen können die Bauteile auch bei Anwendungen mit erhöhten Belastungen eingesetzt werden. Mit der Ausbildung des Trägers und der Versteifungselemente als textile Gewebeeinheit kann die Herstellung der textilen Grundstruktur des Bauteils in einem Herstellungsschritt erfolgen. Ein Zusammenfügen einzelner Gewebeabschnitte ist nicht erforderlich. Die Verstärkungsfäden zum Tragen der auftretenden Kräfte werden bei dieser Herstellungsart in das Gewebe integriert, was die Kontinuität dieser Verstärkungsfäden sicherstellt. Bei dem Ausbilden der textilen Grundstruktur als Gewebeeinheit ist auch in jedem Fall eine hohe Kontinuität in Bezug auf die Kraftlinien bei Belastungen des Verbundbauteils gegeben. Der besondere Vorteil besteht darin, dass ein Teil der Verstärkungsfäden der Grundfläche ohne Unterbrechung in den Verstärkungselementen fortgeführt wird und von diesen ebenso wieder in die Grundfläche zurück gehen.
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Die textile Gewebeeinheit wird als textiles Halbzeug oder Preform nach dem Webvorgang konsolidiert, das heißt durch Behandeln mit einem aushärtenden Material verfestigt. Dies kann beispielsweise durch Tränken des textilen Gewebes in einem dann aushärtenden Harz oder einem sonstigen Kunststoff erfolgen, ebenso sind Beschichtungen, Pressverfahren, Laminierverfahren oder auch Resin Transfer Molding(RTM)-Verfahren geeignet. Auch die webtechnische Verarbeitung von Hybrid-Fäden (Verstärkungsfäden und Thermoplastfäden) und das anschließende Aufschmelzen der Thermoplastfäden in Kombination mit einem Pressvorgang ist möglich. Mit der Ausbildung der Grundstruktur des Verbundbauteils als eine in einem weiteren Schritt verfestigte textile Gewebeeinheit, die auf einer vollständigen stofflichen Verbindung der einzelnen Teile beruht, kann auf Naht- oder Klebeverbindungen, die beim fertigen Bauteil die kritischsten Stellen für Bauteilversagen im Belastungsfall sind, vollständig verzichtet werden. Ein bei anderen Verfahren notwendiger, zusätzlicher Montageschritt entfällt.
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Der Abstand zwischen den Fußpunkten von zwei benachbarten Versteifungselementen an dem Träger entspricht dabei erfindungsgemäß zumindest dem Wert der Höhe der jeweiligen Versteifungselemente über der Erstreckungsebene des Trägers. Versteifungselemente und Träger schließen im ausgehärteten Zustand des Bauteils am Fußpunkt bzw. den Fußpunkten der Versteifungselemente ungefähr einen rechten Winkel ein. Damit soll bei möglichst geringem Materialaufwand und einem ebenso minimierten Gewichtsaufwand das Verbundbauteil und dabei insbesondere der flächige Träger mit einer höheren Biegesteifigkeit versehen werden.
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Auf diese Weise kann die Versteifungs- bzw. Verstärkungsstruktur konturnah, stofflich verbunden und mit einem hohen Automatisierungsgrad hergestellt werden.
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Weiter von Vorteil ist die Ausbildung des textilen Gewebes des Trägers und der Versteifungselemente als Faltengewebe. Faltengewebe können in einfacher und bekannter Weise auf herkömmlichen Webmaschinen hergestellt werden. Die textilen Halbzeuge können auch mit weiteren, insbesondere wiederum mit textilen Halbzeugen zur Erzielung einer bestimmten Anzahl von Lagen kombiniert bzw. verbunden werden.
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Die einstückig mit der Gewebebahn als Grundstruktur hergestellten Ausstülpungen des Faltengewebes bilden dabei die zukünftigen Versteifungselemente. Während die den zukünftigen flächigen Träger bildende Gewebebahn in Richtung der Kettfäden gewebt wird, werden die Falten in Schussrichtung erzeugt. Mit der Ausbildung der Falten in Bezug auf deren Höhe und Breite werden auch die Maße der zukünftigen Versteifungselemente festgelegt.
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Um die Anforderungen an die Belastbarkeit des Verbundbauteils erfüllen zu können, besteht das textile Gewebe aus Hochleistungsfaserstoffen, wie beispielsweise Carbon-, Glas-, Aramid-, Basalt-, Keramikfasern oder Stahldrähten. Damit werden sowohl für den Träger als auch für die Versteifungselemente die Voraussetzungen für eine hohe Belastbarkeit geschaffen. Bei dem Weben der textilen Grundstruktur können auch verschiedene Fasern kombiniert werden, um speziellen Belastungen an bestimmten Stellen des Bauteils genügen zu können. Dies gilt insbesondere für die Schussfäden, mit denen die Falten mit den Kettfäden der Gewebebahn verwoben werden. Spezielle Eigenschaften, wie chemische oder thermische Resistenzen, können bei der Auswahl ebenso berücksichtigt werden wie spezielle Oberflächeneigenschaften, wobei letztere auch und insbesondere durch die Auswahl des Aushärtmittels realisiert werden können, da das Aushärtmittel in Abhängigkeit des Verfestigungs- oder Konsolidierungsprozesses des textilen Gewebes dessen Oberfläche vollständig bedecken kann.
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Weiter mit Vorteil sind die Versteifungselemente zu beiden Seiten, das heißt an den entgegengesetzten Grundflächen des flächigen Trägers angeordnet. Dies erhöht die Biegesteifigkeit des Trägers in alle Richtungen. Besonders günstig in Bezug auf den Herstellungsprozess ist es dabei, wenn die Versteifungselemente symmetrisch, also an den sich jeweils entsprechenden Stellen des Trägers an den entgegengesetzten Flächen des Trägers, angeordnet sind, da dann die beiden Versteifungselemente in einem Faltenwebvorgang realisiert werden können, wobei sich die gewebte Falte und das daraus resultierende Versteifungselement zu beiden Seiten der den flächigen Träger bildenden, in Kettfadenrichtung sich erstreckenden Gewebebahn erstreckt.
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Die Versteifungselemente können dabei weiter mit Vorteil entweder als Rippen mit einer geringen Breite, bei der nur wenige Schüsse in Erstreckungsrichtung der Gewebebahn eingetragen werden, oder als Hohlkammern mit einer größeren Anzahl von eingetragenen Schüssen in dieser Richtung ausgebildet sein. Die Höhe der Falten bzw. Hohlkammern wird auch durch die entsprechende Anzahl von Schüssen realisiert.
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Weitere Details der vorliegenden Erfindung können der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele sowie den dazugehörigen Zeichnungen entnommen werden, wobei die Erfindung mit allen Merkmalen nicht in den einzelnen Figuren jeweils vollständig dargestellt ist. Die 1 bis 4 dienen der Erläuterung des Abstandes A.
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Dabei zeigt:
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1 ein fertiges Verbundbauteil als T-Profil,
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2 ein fertiges Verbundbauteil als I-Profil,
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3 ein fertiges Verbundbauteil mit einseitiger Hohlkammer,
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4 ein fertiges Verbundbauteil mit doppelseitiger Hohlkammer,
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5 ein fertiges Bauteil mit 3-stufiger eingliedriger Rippe,
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6 ein fertiges Bauteil mit 3-stufiger mehrgliedriger Rippe,
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7 ein fertiges Bauteil mit 3-stufiger mehrgliedriger Rippe und ausgeformten Rohrführungen,
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8 ein fertiges Bauteil mit 3-stufiger mehrgliedriger Rippe,
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9 ein fertiges Bauteil mit 3-stufiger Rippe und symmetrischer Anordnung,
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10a, b das Herstellungsprinzip des Gewebes eines T-Profils,
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11a, b das Herstellungsprinzip des Gewebes eines I-Profils,
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12a, b das Herstellungsprinzip des Gewebes einer einseitigen Hohlkammer,
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13a, b das Herstellungsprinzip des Gewebes einer doppelseitigen Hohlkammer sowie
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14 Technologie zur Fertigung von Strukturen mit mehrstufigen Rippen.
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1 zeigt ein fertiges Verbundbauteil mit einem flächigen Grundträger 1 und drei als T-Profil ausgebildeten Rippen als Versteifungselemente 2. Grundträger 1 und T-Profil-Rippen 2 sind aus einer textilen Gewebeeinheit als Preform gewebt und im nächsten Verfahrensschritt mit einem Harz zu dem festen Verbundbauteil konsolidiert. Bereits die auf diese Weise einseitig an dem Grundträger angeordneten Rippen erhöhen den Widerstand gegen Durchbiegen des Grundträgers 1 in erheblichem Umfang.
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2 zeigt ein alternatives Verbundteil, bei dem an dem flächigen Grundträger 1 an beiden Seiten der Grundfläche je drei Rippen 2 angeordnet sind, die symmetrisch angeordnet sind und auf diese Weise jeweils ein so genanntes I-Profil bilden. Die symmetrische Anordnung bedeutet, dass jeweils zwei Rippen, die an entgegengesetzten Seiten des Grundträgers 1 angeordnet sind, in der gleichen Erstreckungsebene liegen und somit fluchten. Die beidseitige symmetrische Anordnung führt zu einem weitgehend biegestarren Verbundbauteil.
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Alternativ können, wie in den 3 und 4 dargestellt, die Versteifungselemente auch als Hohlkammern 4 oder 16 ausgebildet sein, die bogenförmig mit jeweils zwei Fußpunkten an dem flächigen Grundträger angeordnet sind. Vom Prinzip entspricht eine solche Hohlkammer 4, 16 den in den 1 und 2 dargestellten Rippen, von denen jeweils zwei benachbarte Rippen miteinander verbunden sind. Mit entsprechend höherem Materialeinsatz und auch erhöhtem Gewicht führt dies zu einer höheren Biegesteifigkeit. 4 zeigt die entsprechende Ausbildung als doppelseitige Hohlkammern 16, wobei die Hohlkammern symmetrisch an beiden Seiten des Grundträgers angeordnet sind, was zu einem besonders kompakten Bauteil führt.
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5 zeigt eine 3-stufige Rippe. Die Rippen unterscheiden sich in der Wandstärke und/oder in der Gewebestruktur. 6 zeigt eine 3-stufige mehrgliedrige Rippe mit den Rippen b, c und d. Die 7, 8 und 9 zeigen, dass die Mehrstufigkeit der Rippen für die Fertigung von Bauteilen mit komplexen Rippenquerschnitten, die mehrere Verzweigungen enthalten, einseitig, zweiseitig symmetrisch, zweiseitig unsymmetrisch und auch in der Stufe der Verbundbildung zu anderen Geometrien, wie z. B. in 7 zu Rohren, ausgeformt werden können.
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Alle in den 1 bis 9 gezeigten Verbundbauteile sind auf herkömmlichen Webmaschinen nach ebenso herkömmlichen bzw. nach in bekannter Weise modifizierten Webverfahren aus Hochleistungsfasern beispielsweise aus Glas, Keramik, Aramid, Carbon, Basalt, Hybridgarn oder Stahldraht gewebt und nachträglich mit Harz getränkt oder mit anderen synthetischen Materialien zur Verfestigung des Gewebes behandelt oder laminiert. Bei allen Bauteilen ist der Abstand A zwischen zwei benachbarten Versteifungselementen eingezeichnet, wobei der Abstand A jeweils am Fußpunkt des Versteifungselements an dem Grundträger 1 bestimmt wird.
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Die 10a und 10b zeigen schematisiert das Herstellungsverfahren eines T-Profils, eines Gewebes aus Hochleistungsfasern entsprechend dem Verbundbauteil aus 1. Dargestellt ist eine Schnittdarstellung in Richtung der Herstellungsrichtung der Kettfäden, die der Erstreckungsrichtung des fertigen Grundträgers entspricht, in dem Bereich, in dem eine Faltenlegung erfolgen soll. Gezeigt sind zwei Kettsysteme, wobei im ersten schematisch dargestellten Kettsystem zwei Kettfäden 5, 6 mit den entsprechenden Schussfäden 7 das Gewebe der Falte 8 bilden, das zweite Kettsystem die Gewebebahn für den Grundträger bildet und zumindest einen beispielhaften, im Bereich der zukünftigen Falte 8 nicht verwebten Kettfaden 9 aufweist, mit dem die Falte 8 beim nächsten Schussanschlag zusammengeschoben und verbunden werden kann. Das Gewebe wird dabei flach hergestellt und ein an der Webmaschine vorgesehener zusätzlicher Zwischenspeicher zieht bei der Gewebebildung exakt die doppelte Höhe der zu webenden Falte 8 ab. Nachdem der Abschnitt der zu webenden Falte fertiggestellt ist, gibt der Zwischenspeicher die Gewebelänge frei, das Gewebe springt in den Webbereich und das nicht gezeigte Webblatt schiebt die Falte, wie in 10b gezeigt, beim folgenden Schussanschlag zusammen. Die Höhe und die Breite der einzelnen Falten können ebenso nutzerindividuell eingestellt werden wie der Abstand zwischen den einzelnen Falten.
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Die 11a und 11b zeigen entsprechend der Darstellung in den 10 das Verfahren zur Herstellung eines I-Profils wie es in dem in 2 dargestellten Verbundbauteil Anwendung findet. Statt einer Gewebebahn sind bei diesem Verfahren drei Kettfadensysteme vorgesehen, wobei im Bereich der Falte 10 mit I-Profil zwei parallele Gewebebahnen 11 und 12 mit den entsprechenden Kett- und Schussfäden erzeugt werden. In den Bereichen 13 und 14, in denen keine Falte erzeugt werden soll, ist nur eine Gewebebahn erforderlich. Ein Teil der Kettfäden, dargestellt am beispielhaften Kettfaden 15, ist im Bereich der zu webenden Falte 10 analog dem Verfahren gemäß den 11 nicht mit eingewebt, wodurch die Gewebebahn im Bereich der Falte unter Verkürzen des Kettfadens 15 beim nächsten Schussanschlag zusammengeschoben werden kann, sodass sich zwischen den Abschnitten 13 und 14 der Gewebebahn ein I-Profil ausbildet. Die Gewebebahn 11 bildet dabei die auf der einen Seite der den späteren Grundträger bildenden Gewebebahn 13, 14 angeordnete Teil-Falte, während die Gewebebahn 12 auf der entgegengesetzten Seite angeordnet ist. Nach dem Verfestigen des Bauteils bilden dann die Abschnitte 11 und 12 als eigenständige Versteifungselemente zu beiden Seiten des Grundträgers die Falte 10, wie in 2 anhand des fertigen Bauteils gezeigt ist.
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Das Verfahren gemäß 12a, 12b zum Weben der Gewebeeinheit zum Erzeugen eines Verbundbauteils mit einer einseitigen Hohlkammer, wie in 3 als fertiges Bauteil gezeigt, entspricht weitgehend dem zu den 10, 11 gezeigten Verfahren. In Abweichung von diesem, ist nicht die gesamte Gewebebahn zuerst flach gewebt, sondern im Bereich der zukünftigen Hohlkammer 4 wird die ursprüngliche, den zukünftigen Grundträger bildende Gewebebahn 17 mit den entsprechenden Kett- und Schussfäden durch eine zweite Gewebebahn 18 ergänzt. Während sich die zusätzliche Gewebebahn 18, die die zukünftige Hohlkammer 4 bildet, über die gesamte Länge der zukünftigen Hohlkammer erstreckt, ist die ursprüngliche Gewebebahn 17 im Bereich der Hohlkammer nur teilweise weitergeführt 17a, wobei dann die Kettfäden unverwebt weitergeführt sind, um die Gewebebahn 17 beim nächsten Schussanschlag zusammenziehen und die Gewebebahn für die Hohlkammer 4 ausbilden zu können. Die Länge der im Bereich der Hohlkammer weitergeführten Gewebebahn 17a bestimmt die Breite der Hohlkammer 4.
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Bei der Herstellung einer doppelseitigen Hohlkammer 16, wie in den 13a und 13b gezeigt, ist in Ergänzung der in den 12a, 12b beschriebenen einseitigen Hohlkammer zusätzlich zu der dort gezeigten Gewebebahn 18 eine weitere, an der entgegengesetzten Seite der Grundgewebebahn 17 angeordnete Gewebebahn 20 angeordnet. Die Gewebebahn 20 ist mit den gleichen Schussfäden 21 und 22 mit der Gewebebahn 17 verbunden, mit denen auch die parallele Gewebebahn 18 mit der Gewebebahn 17 vollstofflich verbunden ist. Wiederum weist die Gewebebahn 17 im Bereich der zukünftigen Hohlkammer einen Abschnitt 17a auf, der in Webrichtung nach dem Schussfaden 21 erzeugt wird und der zumindest ein Teilstück parallel zu den die Hohlkammer bildenden Gewebebahnen 18 und 20 gewebt wird. Beim Zusammenziehen der Gewebebahn 17 über die freien Kettfäden 19 entsteht die in 13b dargestellte doppelseitige Hohlkammer 16, wobei das Bauteil nach dem Verfestigen dem in 4 gezeigten Verbundbauteil entspricht.
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14 zeigt die Technologie zur Herstellung von mehrstufigen Rippen. Die Grundtechnologie entspricht der anhand der 10a bis 13b erläuterten Methode. Zuerst beginnt die Fertigung des Grundgewebes a. Danach werden die Kettsysteme in das Gewebe Ib und die Flottierungen Ic geteilt. Im nächsten Schritt erfolgt eine weitere Aufteilung in die Gewebe IIe und Flottierung IIf. Danach erfolgt der erste Rücksprung III und es entsteht die Falte IVe. Das Gewebe IIb wird nun weiter gewebt und nach Erreichen der geplanten Endlänge erfolgt die Faltenbildung V und die Ausbildung der gesamten Falte VI mit den Teilen der Falte b und e. Mit diesem mehrstufigen Faltenweben kann die Geometrievielfalt extrem gesteigert werden. Die Technologie lässt sich auf jeder Webmaschine mit Faltenwebeinrichtung und einer ausreichenden Anzahl von Kettrückzugssytemen umsetzen. Die Anzahl der benötigten Kettbäume entspricht der Anzahl der zu webenden Falten mit dem zusätzlichen Kettbaum. Die Anzahl der Kettrückzugssysteme entspricht der Anzahl der Falten bzw. Rippen. Bei der symmetrischen Anordnung der Falten über und unter dem Gewebe (9) können die symmetrischen Falten mit dem gleichen System gewebt werden. Die Anordnung über oder unter dem Gewebe wird durch die Bindungstechnik modifiziert.
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Bei allen Ausführungsformen ist es des Weiteren möglich, jedes Versteifungselement bei der Faltenausstülpung individuell zu weben. Das heißt, dass jedes Versteifungselement mit individueller Höhe, Breite und Dicke gewebt und danach konsolidiert werden kann. Innerhalb eines Verbundbauteils können damit bei entsprechendem Bedarf verschiedene Versteifungselemente mit wiederum individueller Ausgestaltung zur Anwendung kommen.
