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Die
Erfindung befasst sich mit einem Verfahren zur Herstellung eines
faserverstärkten
Kunststoff-Formteils, bei dem Faserlaminat auf ein dehnbares Innenformteil
aufgebracht, das mit Faserlaminat belegte Innenformteil in eine
Negativform eingebracht und das Innenformteil ausgedehnt wird.
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Derartige
Formteile werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, beispielsweise
als Fahrradrahmen oder sonstige verzweigte Rohrstruktur, Behälter, Profil-Formteil
usw.
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Einige
dieser Anwendungen erfordern eine möglichst ebene Oberfläche. Dies
kann nur durch die Verwendung einer Negativform bei der Herstellung erreicht
werden. Bei einer Herstellungs-Methode wird ein Kern verwendet,
der mit dem faserverstärkten Kunststoff
belegt und in die Negativform eingepresst wird, wobei es durch die
Kompression zu Faltenbildung kommen kann, die die Festigkeit des
Formteils beeinträchtigt.
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Man
kennt auch bereits ein Schlauchblasverfahren, bei dem ein dehnbarer
Schlauch mit dem faserver stärkten
Kunststoffmaterial belegt, in eine Negativform eingebracht und der
Schlauch unter Druckeinwirkung aufgeblasen oder expandiert wird,
so dass sich das faserverstärkte
Kunststoffmaterial an die Innenkontur der Negativform anlegt. Dabei
ist jedoch nachteilig, dass der Schlauch beim Belegen mit dem Faserlaminat
eine vom herzustellenden Formteil stark abweichende Form und gegebenenfalls
Falten und Unebenheiten aufweist, so dass es beim Expandieren des
Schlauches zu Faltenbildung im Faserlaminat oder zu einer Verschiebung
oder unexakten Positionierung der Orientierung oder zu Winkelveränderungen
der einzelnen Lagen kommen kann, was die Festigkeit und Materialeigenschaften
und somit die Qualität
des Formteils negativ beeinflusst.
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Aus
der
DE 40 39 231 A1 ist
ein Verfahren zur Herstellung hohler Bauteile aus faserverstärktem Kunststoff
bekannt, bei dem das Faserlaminat auf ein unter Druck aufgeblasenes
Innenformteil aufgebracht wird, das eine gewisse Steifigkeit aufweist
und die Innenform des herzustellenden Bauteils hat. In dem mit Faserlaminat
belegten Innenformteil wird der Druck vermindert, so dass dieses
etwas einschrumpft und in eine Bauteilform eingebracht werden kann.
Durch erneuten Druckaufbau wird das Faserlaminat zur Bildung des
Formteils in die Bauteilform gepresst und nach dem Aushärten kann
das Formteil aus der Bauteilform entnommen werden.
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Da
das Innenformteil zum Aufblasen elastisch sein muss, ist trotz der
Formgebung ein präzises
Aufbringen des Faserlaminats ohne Verformung des Innenformteils
nicht möglich.
Alternativ müsste der
Innendruck in dem Innenformteil so groß sein, dass sich das Innenformteil über die
gewünschte Formgebung
hinaus nach außen
wölbt.
Zudem wird das Faserlaminat durch die Druckminderung und das Zusammenziehen
des Innenformteils in undefinierter Weise verformt, beispielsweise
an ungünstigen
Stellen gestaucht, so dass auch bei diesem Verfahren eine die Qualität des herzustellenden
Formteils mindernde Faltenbildung möglich ist.
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Es
besteht daher die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs genannten
Art zu schaffen, das die Herstellung eines hochwertigen Formteils
ermöglicht,
bei dem insbesondere Faltenbildung vermieden wird und bei dem eine
exakte Positionierung und Winkelausrichtung der einzelnen Faserlagen
gewährleistet
ist.
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Die
erfindungsgemäße Lösung dieser
Aufgabe besteht darin, dass ein dem Formverlauf des herzustellenden
Formteils zumindest weitgehend angepasster, vorzugsweise proportional
kleiner als das herzustellende Formteil dimensionierter Formteil-Kern mit dehnbarem
Material zur Bildung einer zumindest weitgehend gas- und/oder flüssigkeitsdichten
Kernummantelung als Innenformteil beschichtet wird, dass die Kernummantelung
mit faserverstärktem
Material belegt wird, dass die Kernummantelung mit dem faserverstärkten Material
in eine Bauteilform eingebracht wird, und dass die Kernummantelung
zur Formung des faserverstärkten
Materials zu dem herzustellenden Kunststoff-Formteil ausgedehnt
und das faserverstärkte
Material dadurch während
des Aushärtens
unter Druckeinwirkung an die Innenwand der als Negativform wirkenden
Bauteilform angepresst wird.
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Mit
Hilfe des Formteil-Kerns kann das faserverstärkte Material oder Faserlaminat
mit einer starken Andruckkraft faltenfrei und exakt positioniert
auf die der Form des herzustellenden Kunststoff-Formteils angepasste
Kernummantelung aufgebracht werden, ohne die Form der als Innenformteil
fungierenden Kernummantelung zu verändern. Beim Ausdehnen des Innenformteils
wird das Faserlaminat somit an allen Stellen gleichmäßig ausgedehnt.
Da das Innenformteil nach dem Auf bringen des Faserlaminates nur
ausgedehnt, davor jedoch nicht verkleinert wird und nicht oder nur
geringfügig
flexibel ist, ist eine Faltenbildung an dem Faserlaminat, dem sogenannten
Prepreg, ausgeschlossen, so dass sich das faserverstärkte Material
beim Ausdehnen des Innenformteils präzise an die Innenkontur der
Bauteilform anlegen kann und das fertige Formteil eine gleichmäßige, weitgehend
faltenfreie Struktur mit präzise
positionierten Lagen aufweist und somit eine höhere Festigkeit erzielt wird.
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Als
Fasermaterial kann beispielsweise Karbonfaser, Graphitfaser, Boronfaser,
Glasfaser oder Aramid-Fasermaterial verwendet werden.
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Für die Kernummantelung
kann insbesondere Latex oder Silikon verwendet werden, da diese Materialien
gas- und flüssigkeitsdicht,
dehnbar und trotzdem robust sind.
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Als
Material für
den Formteil-Kern können beispielsweise
schäumbarer
Kunststoff, Gips oder Wachs verwendet werden.
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Üblicherweise
wird nach dem Aushärten
des faserverstärkten
Materials das Kunststoff-Formteil aus der Bauteilform entnommen.
Es sind jedoch auch Anwendungen denkbar, bei denen die Bauteilform ganz
oder teilweise an dem Kunststoff-Formteil verbleibt, beispielsweise
um das Formteil an dessen Endbereichen zu verstärken. Es können auch Metallteile oder
bereits ausgehärtete
faserverstärkte
Teile in die Bauteilform eingebracht werden, die nach dem Aushärten des
faserverstärkten
Materials fest mit dem Kunststoff-Formteil verbunden sind und dieses zusätzlich verstärken.
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Die
Kernummantelung kann durch Gas- oder Flüssigkeitszufuhr in eine Innenhöhlung der
Kernummantelung ausgedehnt werden. Dazu wird eine Druckgasquelle
oder eine Flüssigkeitsquelle
mit einem Anschlussbereich der Kernummantelung verbunden und Gas
oder Flüssigkeit
unter Druck in die Innenhöhlung
eingebracht. Dies führt
zwangsläufig dazu,
dass das fertige Formteil zumindest an der Anschlussstelle der Kernummantelung
eine Öffnung
in seinen Innenhohlraum aufweist. Bei vielen Formteilen ist eine
derartige Öffnung
nicht störend
oder sogar erforderlich beziehungsweise kann nachträglich verschlossen
werden.
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Falls
jedoch Formteile mit einer vollständig geschlossenen Oberfläche benötigt werden,
muss das Innenformteil vollständig
mit Faserlaminat ummantelt werden, so dass keine nach außen führende Anschlussstelle
realisierbar ist. Zur Herstellung derartiger Formteile kann die
Kernummantelung durch Erzeugung eines Unterdrucks in der Bauteilform
ausgedehnt werden. Hierzu können
in die Bauteilform Öffnungskanäle eingebracht
sein, über
die der Innenraum der Bauteilform evakuiert und somit ein Vakuum
oder ein Unterdruck erzeugt wird. Die gasdichte Kernummantelung
wird sich dabei ausdehnen und das Faserlaminat wird an die Innenwand
der Bauteilform angepresst. Das fertige Formteil weist eine vollständig geschlossene
Oberfläche
auf.
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Da
bei dieser Herstellungsmethode der Formteil-Kern in dem fertigen
Formteil verbleibt, kann es, je nach Einsatzgebiet des Kunststoff-Formteils, vorteilhaft
sein, ein besonders leichtes Material, beispielsweise geschäumtes Kunststoffmaterial,
für den Formteil-Kern
zu verwenden.
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Bei
herzustellenden Kunststoff-Formteilen, die eine Innenraum-Öffnung aufweisen,
kann der Formteil-Kern vor dem Einbringen der mit faserverstärktem Material
versehenen Kernummantelung in die Bauteilform aus der Kernummantelung
entfernt werden. Das Fasermaterial hat dabei bereits eine gewisse
Eigenfestigkeit, so dass sich die Kernummantelung mit den Fa ser-Prepregs
formstabil in die Bauteilform einbringen lässt.
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Es
ist jedoch auch möglich,
dass nach dem Aushärten
und Entnehmen des Kunststoff-Formteils aus der Bauteilform zumindest
der Formteil-Kern wenigstens teilweise aus dem Kunststoff-Formteil entfernt
wird.
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Die
Art des Entfernens des Formteil-Kerns hängt ab vom Material des Formteil-Kerns.
Ein Formteil-Kern aus geschäumtem
Kunststoffmaterial kann beispielsweise mit Lösungsmittel ausgespült werden. Ein
Formteil-Kern aus Gips kann durch mechanisches Beaufschlagen zerkleinert
werden. Insbesondere bei komplexen Formverläufen des Kunststoff-Formteils
können
auch Teile des Formteils-Kerns, die schwer zugänglich sind, in dem Formteil
verbleiben.
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Während oder
nach dem Entfernen des Formteil-Kerns kann auch die Kernummantelung
zumindest teilweise aus dem Kunststoff-Formteil entfernt werden.
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Die
Kernummantelung kann gegebenenfalls auch ganz oder teilweise in
dem fertigen Formteil verbleiben, wenn beispielsweise beim Entfernen
der Kernummantelung diese zerreißt und deren Reste nicht mehr
zugänglich
sind.
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Um
den Formteil-Kern vollständig
und formgenau mit einer Kernummantelung zu versehen, ist es zweckmäßig, wenn
der Formteil-Kern zur Bildung der zumindest weitgehend gas- und/oder flüssigkeitsdichten
Kernummantelung in flüssiges
Material getaucht oder mit diesem Material besprüht, bepinselt oder dergleichen
beaufschlagt wird, welches Material an dem Formteil-Kern anhaftet
und sich nach dem Tauch- oder dergleichen Beaufschlagungsvorgang
dehnbar verfestigt.
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Der
Formteil-Kern kann einen Formfortsatz aufweisen, der beim Überziehen
mit dem Kernummantelungs-Material einen Anschluss stutzen für eine Druckgasquelle
oder eine Flüssigkeitsquelle
bildet, über
den der Druck in den Innenraum der Kernummantelung eingebracht und
diese somit ausgedehnt werden kann.
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Es
ist jedoch auch möglich,
dass an die Kernummantelung ein Anschlussstutzen für eine Druckgasquelle
oder eine Flüssigkeitsquelle
angebracht wird. Je nach Material der Kernummantelung und des separaten,
vorzugsweise aus dem selben Material wie die Kernummantelung bestehenden
Anschlussstutzen kann die Verbindung durch Ankleben, Anschmelzen
oder dergleichen Verbindungsverfahren erfolgen.
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Der
Formteil-Kern kann durch Befüllen
einer Kernform mit dem jeweiligen Kernmaterial hergestellt werden.
Die Kernform kann beispielsweise durch Fräsen hergestellt werden.
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Insbesondere
bei komplexen oder sehr großen
Formteil-Kernen kann es zweckmäßig sein, wenn
der Formteil-Kern aus mehreren Teilkernen zusammengesetzt wird.
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Nachstehend
ist das erfindungsgemäße Verfahren
anhand der Zeichnungen näher
erläutert.
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Es
zeigt:
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1 bis 10 einen
vollständigen
Verfahrensablauf anhand von Querschnittsdarstellungen,
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11 bis 13 einen
vollständingen
Verfahrensablauf anhand von Querschnittsdarstellungen
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14 eine
Schnittdarstellung einer Bauteilform mit Öffnungskanälen,
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15 bis 21 einen
Verfahrensablauf anhand von perspektivischen Ansichten,
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22 bis 27 einen
weiteren Verfahrensablauf anhand von perspektivischen Ansichten und
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28 eine
perspektivische Ansicht eines Werkstücks im Teilschnitt.
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1 zeigt
eine Kernform 1 mit zwei Kernform-Hälften 2a, 2b zur
Herstellung eines Formteil-Kerns 3 (2). Die
Innenhöhlung 4 der
Kernform 1 weist dabei im wesentlichen den Formverlauf des
herzustellenden Formteils auf, ist jedoch proportional kleiner als
das Formteil. Somit hat der fertige Formteil-Kern 3 den
Formverlauf des herzustellenden Formteils, ist demgegenüber aber
etwas kleiner.
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Der
Formteil-Kern 3 kann beispielsweise aus geschäumtem Kunststoff,
Gips oder Wachs bestehen, das in die geschlossene Kernform 1 eingebracht wird.
Nach dem Aushärten
des Formteil-Kerns 3 werden
die beiden Kernform-Hälften 2a, 2b geöffnet und der
fertige Formteil-Kern 3 aus der Kernform 1 entnommen
(3).
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Der
Formteil-Kern 3 wird anschließend mit einer Beschichtung
aus dehnbarem Material, beispielsweise Silikon oder Latex, zur Bildung
einer zumindest weitgehend gas- und/oder flüssigkeitsdichten Kernummantelung 5 beschichtet
(4). Dazu kann der Formteil-Kern 3 beispielsweise
in flüssiges Material
getaucht werden, das an dem Formteil-Kerl 3 anhaftet und
sich nach dem Tauchvorgang verfestigt, dabei jedoch dehnbar bleibt.
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Die
Kernummantelung 5 wird wiederum mit faserverstärktem Material 6 belegt
(5). Dies kann derart erfolgen, dass zunächst Fasermaterial auf
die Kernummantelung 5 aufgebracht wird, das dann mit Harz
bestrichen wird. Alternativ kann auch bereits mit Harz getränktes Fasermaterial
auf die Kernummantelung 5 aufgebracht werden. Das faserverstärkte Material 6 (Faserlaminat,
Prepreg) wird dabei zumindest weitgehend formschlüssig auf
die Kernummantelung 5 aufgebracht, um eine spätere Faltenbildung
zu vermeiden.
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Der
Formteil-Kern 3 mit der Kernummantelung 5 und
dem faserverstärkten
Material 6 wird gemäß 6 in
eine Bauteilform 7 eingebracht. Die Bauteilform ist aus
zwei Bauteilform-Hälften 8a, 8b zusammengesetzt,
die eine Innenhöhlung 9 begrenzen,
die eine Negativform das herzustellenden Formteils ist. Wie aus 6 deutlich
wird, ist die Innenhöhlung 9 der
Bauteilform 7 gleichmäßig größer als das
Werkstück
aus Formteil-Kern 3, Kernummantelung 5 und faserverstärktem Material 6,
so dass beim Schließen
der Bauteilform-Hälften 8a, 8b keine
Fasern des Werkstücks
eingeklemmt werden können, was
sonst zu Faltenbildung führen
könnte.
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Nach
dem Einsetzen des Werkstücks
in die Bauteilform 7 wird die Kernummantelung 5 gedehnt (7),
indem Gas oder Flüssigkeit
unter Druck in die Kernummantelung 5 eingebracht wird.
Durch die Ausdehnung der Kernummantelung 5 wird auch der Lagenaufbau
des faserverstärkten
Materials 6 gedehnt und an die Innenwandung der Bauteilform 7 angepresst,
wodurch das faserverstärkte
Material 6 die Form und Größe des herzustellenden Formteils annimmt.
Der Druck kann bis zum wenigstens teilweise Aushärten des faserverstärkten Materials 6 aufrechterhalten
werden, um ein Rückformen
zu vermeiden. Dabei kann die Bauteilform 7 gegebenenfalls zumindest
zeitweise erhitzt werden, um den Aushärteprozess zu beschleunigen
oder, je nach Art der verwendeten Materialien, überhaupt erst in Gang zu setzen.
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Nach
dem Aushärten
wird das Werkstück aus
der Bauteilform 7 entnommen (8). Das
faserverstärkte
Material 6 ist nun zu dem herzustellenden Kunststoff-Formteil 10 ausgeformt.
In dessen Innenraum befinden sich noch der Formteil-Kern 3 sowie
die gedehnte Kernummantelung 5. Diese können je nach Anwendung in dem
Formteil 10 verbleiben. Bevorzugt wird jedoch der Formteil-Kern 3 entfernt (9).
Je nach Material des Formteil-Kerns 3 kann dies durch Ausspülen, Ausschmelzen
oder Zerbrechen, Zerbröseln
oder dergleichen Zerkleinerungsvorgang erfolgen. Abschließend wird
die gedehnte Kernummantelung 5 aus dem Formteil 10 entfernt (10).
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Die 11 bis 13 zeigen
Verfahrensschritte für
ein Herstellungsverfahren, das gegenüber dem mit den 1 bis 10 vorbeschriebenen
Verfahren modifiziert ist. Der Verfahrensablauf beginnt unverändert, wie
im Zusammenhang mit den 1 bis 5 beschrieben.
Bei dem modifizierten Verfahren wird nun nach dem Belegen der Kernummantelung 5 mit
faserverstärktem
Material 6 und vor dem Einbringen des Werkstücks in die
Bauteilform 7 der Formteil-Kern 3 entfernt (11).
Dies ist möglich, da
das faserverstärkte
Material 6 dem Werkstück eine
Grundfestigkeit gibt, die eine Handhabung des Werkstücks auch
ohne Formteil-Kern 3 ermöglicht, ohne das Werkstück wieder
zu deformieren. Das entkernte Werkstück wird in die Bauteilform 7 eingebracht
(12) und die Kernummantelung 5 durch Druckeinwirkung
gedehnt (13). Nach dem Aushärten des
faserverstärkten
Materials 6 wird das Formteil 10 aus der Bauteilform 7 entnommen,
was der Darstellung gemäß 9 entspricht.
Entsprechend 10 kann auch hier die gedehnte
Kernummantelung 5 entfernt werden.
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Falls
ein Formteil 10 hergestellt werden soll, das eine vollständig geschlossene
Oberfläche
aufweisen soll, ist ein Dehnen der Kernummantelung 5 durch
Einbringen von Gas oder Flüssigkeit
nicht möglich,
da die Kernummantelung 5 vollständig mit faserverstärktem Material
umschlossen und somit kein Zugang für eine Druckquelle möglich ist.
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Um
trotzdem das faserverstärkte
Material 6 unter Druckeinwirkung an die Innenwand der Bauteilform 7 anpressen
zu können,
kann in der Bauteilform 7 ein Unterdruck erzeugt werden
(14). Dazu sind in den beiden Bauteilform-Hälften 8a, 8b der
Bauteilform 7 mehrere Öffnungskanäle 11 vorgesehen, über die
die in der Innenhöhlung
der Bauteilform 7 vorhandene Luft abgesaugt werden kann.
Da die Kernummantelung 5 luftundurchlässig ist, kann die in ihr enthaltene
Luft nicht entweichen, so dass sich durch den umgebenden Unterdruck
die Kernummantelung 5 ausdehnt und das faserverstärkte Material 6 an
die Innenwandung der Bauteilform 7 gepresst wird. Auf diese
Art ist zwar nur ein vergleichsweise geringer, jedoch trotzdem ausreichender
Druck aufbaubar. Alternativ könnte
unter einer Hochdruckatmosphäre belegt
und eingeformt werden, um Höhere
Drücke
zu erreichen.
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Da
das derart hergestellte Formteil 10 keine nach außen führende Öffnung aufweist,
verbleibt der Formteil-Kern 3 in dem fertigen Formteil 10.
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Die 15 bis 21 sowie 22 bis 28 beschreiben den Verfahrensablauf anhand perspektivischer
Darstellungen. In 15 und 22 ist
der Formteil-Kern 3 dargestellt, der gemäß 16 und 23 mit
einer Kernummantelung 5 aus dehnbarem Material beschichtet
wird. Gemäß 17, 24 und 25 wird
die Kernummantelung 5 mit faserverstärktem Material 6 belegt.
In 24 ist dabei die formgetreue Anbringung einer ersten
Faserglage dargestellt, und in 25 ist
dann das gesamte Werkstück
mit faserverstärktem
Material 6 belegt. 28 zeigt
das Werkstück
gemäß 24 in
anderer Perspektive und teilweise geschnitten. Aus dieser Darstellung
wird der schichtartige Aufbau des Werkstücks aus dem Formteil-Kern 3,
der Kernummantelung 5 sowie dem faserverstärkten Material 6 deutlich.
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18 und 26 zeigen
das so gewonnene Werkstück,
bei dem der Formteil-Kern 3 entfernt wurde. Dieses Werkstück wird
in die Bauteilform 7 eingebracht, die Kernummantelung 5 durch
Anschluss einer Druckgas- oder Flüssigkeitsquelle an das Anschlussende 12 (18)
gedehnt und das faserverstärkte
Material 6 an die Innenwandung der Bauteilform 7 gepresst.
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27 zeigt
einen besonderen Verfahrensschritt, bei dem ein separater Anschlussstutzen 13 für eine Druckgasquelle
oder eine Flüssigkeitsquelle an
die Kernummantelung 5 angebracht wird. Der separate Anschlussstutzen 13 und
die Kernummantelung 5 sind bevorzugt aus dem gleichen Material
und können
durch Kleben, Schweißen,
Anschmelzen oder dergleichen Verbindungsverfahren miteinander verbunden
werden.
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19 zeigt
die geöffnete
Bauteilform, wobei zur besseren Übersicht
nur eine der beiden Bauteilform-Hälften 8a dargestellt
ist, nach dem Aushärten
des faserverstärkten
Materials 6. Das so hergestellte Formteil 10 wird
aus der Bauteilform 7 entnommen (20) und
abschließend
die dehnbare Kernummantelung 5 entfernt (21).