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Die
Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff aus mehreren Faserverbundschichten
und in einem Verstärkungsbereich
mit wenigstens einer Verstärkungsschicht
aus einem die Faserverbundschichten verstärkenden Material.
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Es
ist bekannt, in Faserverbundlaminate dieser Art beispielsweise Metallbleche
zu integrieren, um bestimmte schwache Eigenschaften von Faserverbundlaminaten
zu kompensieren. Hierzu gehören Lochleibungsfestigkeit
und Scherfestigkeit, die für eine
leistungsfähige
Verbindung des Faserverbundlaminats an angrenzende Strukturen, insbesondere mittels
Niet- und Bolzenverbindungen, ausschlaggebend sind. Ferner werden
in Faserverbundlaminate Verstärkungsschichten
eingesetzt, um die Temperaturfestigkeit zu erhöhen. Da derartige Verstärkungsschichten
regelmäßig nur
lokal eingesetzt werden, entstehen Sekundäreffekte an den Rändern der
eingesetzten Verstärkungsschicht
infolge von Lastumleitungen und Lastverteilungen von dem Faserverbundlaminat
außerhalb
des Verbindungsbereichs zum Faserverbund-Hybridmaterial im Verbindungsbereich.
Die eingesetzten Verstärkungsschichten, insbesondere
in Form von Metallblechen, erzeugen an den Rändern, insbesondere an den
senkrecht zur Hauptlast orientierten Rändern, erhebliche interlaminare
Schubspannungsspitzen, die durch Lasteinleitungen oder infolge thermischer
Residualspannungen entstehen. Derartige Schubspannungs spitzen können die
Ursache für
auftretende Delaminationen zwischen den Verstärkungsschichten und den benachbarten
Faserverbundschichten sein und somit zum frühzeitigen Bauteilversagen führen.
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Es
ist bekannt, Spannungsspitzen an freien Rändern von geklebten Verbindungen
durch den Einsatz eines zähelastischen
Klebstoffes zu vermeiden. Diese Methode kommt nicht in Frage, wenn
die Verbindung der Verstärkungsschicht
mit den Faserverbundschichten nicht durch einen Klebstoff erfolgt, sondern
durch das Harz der Faserverbundschichten.
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Es
ist ferner bekannt, den Steifigkeitssprung am Rand der Überlappung
des Verstärkungsmaterials
mit den Faserverbundschichten dadurch gering zu halten, dass die
Ränder
der geklebten Substrate auslaufend ausgeführt werden. Die Dicke eines
Verstärkungsbleches
kann somit vom Rand zur Richtung Blechmitte langsam und stetig zunehmen.
Dieses Verfahren ist jedoch nur anwendbar, wenn eine gewisse Mindestdicke
der eingesetzten Bleche gegeben ist. Für den häufigen Fall des Einsatzes dünner Verstärkungsschichten
ist dieses Verfahren daher nicht anwendbar.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die durch die
Integration der Verstärkungsschicht
in das Faserverbundmaterial auftretende Delaminationsgefahr durch
Spannungsspitzen o. ä. deutlich
zu verringern.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Verbundwerkstoff
der eingangs erwähnten Art
dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsschicht wenigstens einen
Verstärkungsabschnitt
und wenigstens einen Endbereich aufweist und nur in dem Endbereich
durch lokale Materialausnehmungen geschwächt ausgebildet ist, wobei
die Schwächung
zu einer Endkante des Endbereichs hin zunimmt.
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Die
erfindungsgemäße Verstärkungsschicht ist
somit zum Rand hin außerhalb
des Verstärkungsbereichs
gezielt geschwächt
ausgebildet, sodass das Material in dem Endbereich ein weicheres
Verhalten aufweist, ohne selbst durch eine Dickenverringerung oder
eine Materialveränderung
angepasst worden zu sein. Die Schwächung wird durch die Ausnehmungen
zu einer Endkante hin vergrößert, sodass
sich eine progressive Zunahme der Schwächung zum Rand der Verstärkungsschicht
hin ergibt. Anders ausgedrückt
wird die Verstärkungsschicht
zum Verstärkungsbereich
hin progressiv steifer. Ist der Verstärkungsbereich als Verbindungsbereich
mit einer Bohrung für
eine Niet- oder Bolzenverbindung vorgesehen, entsteht im Bereich
der Bohrung die höchste Tragfähigkeit
des Verstärkungsmaterials.
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Bevorzugt
sind im Endbereich der Verstärkungsschicht
mehrere Abschnitte vorgesehen, die die zur Endkante hin eine zunehmende
Schwächung aufweisen.
Diese Schwächung
wird vorzugsweise durch zur Endkante hin größere Ausnehmungen bewirkt,
sodass die Anzahl der Ausnehmungen in jedem Abschnitt etwa gleich
gewählt
sein kann. Selbstverständlich
ist es alternativ oder ergänzend
auch möglich,
die angestrebte Schwächung
im Endbereich über
eine Variation der Anzahl der Ausnehmungen herbeizuführen. Die
Ausnehmungen können
lokale Materialverdünnungen
bilden oder durchgehende Ausnehmungen sein, die regelmäßig durch
Durchgangslöcher
gebildet sind, aber auch zur Endkante hin offen sein und somit eine
Art Zahnung bilden können.
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Die
Abschnitte mit zunehmender Schwächung
können
zur Endkante hin ineinander übergehen,
um so die progressive Verringerung der Steifigkeit der Verstärkungsschicht
zu gewährleisten.
Die Form der Abschnitte wird dabei an die Form der Verstärkungsschicht
angepasst. Bei einer rechteckigen Verstärkungsschicht, insbesondere
in Form eines Metallbleches, werden sich die Abschnitte mit zunehmender
Schwächung
parallel zueinander über
die Breite der Verstärkungsschicht
erstrecken und parallel zu einer Endkante verlaufen. Bei einer eher
runden Verstärkungsschicht
werden die Abschnitte kreisringförmig
ausgebildet sein.
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Die
in dem Endbereich vorhandenen Ausnehmungen können in einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung dazu benutzt werden, die Verankerung der Verstärkungsschicht
in dem Faserverbundmaterial dadurch zu verbessern, dass die Durchgangslöcher mit
Harz wenigstens einer benachbarten Faserverbundschicht gefüllt sind,
sodass sich in den Löchern
jeweils ein Effekt eines Niets ergibt, wie dies grundsätzlich durch
SU 2043885 bekannt ist. Die Füllung
der Ausnehmungen kann mit dem in der Faserverbundschicht verwendeten
Harz vor dem Einbringen in das Faserverbundmaterial erfolgen, bevorzugt
ist jedoch die Ausbildung, in der Füllung der Durchgangslöcher mittels
einer Verflüssigung
des Harzes der benachbarten Faserverbundschicht erfolgt ist.
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Die
erfindungsgemäße Ausbildung
der Verstärkungsschicht
hat zur Folge, dass die Last in die Verstärkungsschicht progressiv übertragen
wird. In dem durch Schwächungen
ungestörten
Verstärkungsbereich
hat die Verstärkungsschicht
ihre volle Festigkeit und kann die lediglich progressiv eingeleitete
Kraft vollständig
aufnehmen und beispielsweise über
das Verbindungsmittel übertragen.
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Die
erfindungsgemäße Ausbildung
der Verstärkungsschicht
verhindert die frühzeitige
Delamination des Faserverbundmaterils durch die Verminderung von
Spannungsspitzen einerseits und ggf. durch die formschlüssige Verbindung
der Verstärkungsschicht
mit dem Harz der angrenzenden Faserverbundschichten durch die Durchgangslöcher hindurch.
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Die
Füllung
der Durchgangslöcher
mit dem Harz wird vollständig
erfolgen, wenn zur Herstellung des Faserverbundmaterials eine Injektion
des Harzes vorgenommen wird. Bei der Verwendung von Prepregmaterial
kann es zweckmäßig sein,
die Perforationslöcher
vorab mit Harz zu bestreichen, um so eine vollständige Befüllung zu ermöglichen.
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Die
erfindungsgemäße Ausbildung
eines Endbereichs mit einer Schwächung
kann auch dann sinnvoll sein, wenn über den betroffenen Endbereich keine
Lasteinleitung erfolgt, weil die erfindungsgemäße Schwächung des Randbereichs auch
bewirkt, dass Randschubspannungen an den freien Rändern beispielsweise
infolge unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten
zwischen Verstärkungsschicht
und Faserverbundschicht vermindert werden. Dies ist insbesondere
für Metallbleche
als Verstärkungsschichten
von Bedeutung.
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Die
Durchgangslöcher
können
eine beliebige Form aufweisen. Sie können als Langlöcher, Dreieckslöcher, Trapezlöcher usw.
ausgebildet sein, wobei durch die Formgebung die zum Rand kontinuierliche
Zunahme der Schwächung
unterstützt
werden kann.
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Die
Erfindung soll im Folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen
näher erläutert werden.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Querschnittsdarstellung eines Verbundwerkstoffes mit
außen
aufgebrachten Metallblechen;
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2 einen
Verbundwerkstoff mit in einen Verstärkungsbereich integrierten
Verstärkungsschichten;
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3 eine
weitere Ausführungsform
eines Verbundwerkstoffes mit integrierten Verstärkungsschichten;
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4 drei
Ausführungsbeispiele
für erfindungsgemäß ausgebildete
Verstärkungsschichten mit
Durchgangslöchern
in Endbereichen;
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5 eine
schematische Darstellung einer Faserverbundschicht und einer Verstärkungsschicht in
Draufsicht;
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6 die
Anordnung aus 5 in einer Schnittdarstellung;
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7 eine
vergleichende Darstellung der Schubspannungen an einer herkömmlichen
Verstärkungsschicht
und an einer erfindungsgemäßen Verstärkungsschicht;
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8 eine
vergleichende Darstellung der Lasteinleitungsbereiche für eine herkömmliche
Verstärkungsschicht
und für
eine erfindungsgemäße Verstärkungsschicht;
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9 eine
Draufsicht auf eine in Faserverbundschichten eingebettete Verstärkungsschicht;
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10 eine
Schnittdarstellung des Endbereichs der Verstärkungsschicht gemäß 9;
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11 eine
schematische Darstellung einer Vergleichstestanordnung;
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12 eine
graphische Darstellung der verschiedenen Delaminationsfestigkeiten
bei Zugbeanspruchung der Anordnungen gemäß 11;
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13 eine
Darstellung des unterschiedlichen Delaminationsverhaltens für die Vergleichsanordnungen
gemäß 11.
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Bei
den in 1 dargestellten Verbundwerkstoff ist ein Faserverbundlaminat 1 aus
zwei Faserverbundschichten 2 gebildet. In einem als Befestigungsbereich
ausgebildeten Verstärkungsbereich 3, in
dem eine Bohrung 4 für
eine Niet- oder Bolzenverbindung vorgesehen sein kann, ist das Faserverbundlaminat 1 durch
zwei Verstärkungsschichten 5 in Form
von außen
aufgebrachten Metallblechen verstärkt. In dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel
erstrecken sich die Verstärkungsschichten 5 bis zu
einem freien, unbelasteten Randbereich 6 einerseits und
aus dem Verstärkungsbereich 3 hinaus
in einen Übergangsbereich 7 hinein,
in dem die Verstärkungsschichten 5 mit
Endkanten 8 enden. Die Haftung der Verstärkungsschichten 5 an
den Faserverbundlaminatschichten 2 erfolgt durch das in
den Faserverbundschichten 2 enthaltene Harz, das eine Klebfunktion
ausübt.
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Bei
dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Verstärkungsschichten 5 als
zusätzliche
Schichten innen in das Faserverbundlaminat 1 eingesetzt.
In entsprechender Weise sind zusätzliche Faserverbundschichten 2 vorgesehen,
um im Übergangsbereich 7 und
in dem Verstärkungsbereich 3 eine
ausreichende Einbettung der Verstärkungsschichten 5 in
Faserverbundschichten 2 zu gewährleisten. Die Faserverbundschichten 2 und
die Verstärkungsschichten 5 erstrecken
sich in den Bereich des freien Randes 6 hinein. Zur Vergleichmäßigung der
Lasteinleitung in die Verstärkungsschichten 5 ragen
diese unterschiedlich lang in den Übergangsbereich 7 hinein.
In der in 2 dargestellten Ausführungsform
nimmt die Zahl der Schichten 2, 5 zum Verstärkungsbereich 3 hin
kontinuierlich zu, sodass der Verstärkungsbereich 3 gegenüber dem
urpsrünglichen
Faserverbundlaminat 1 stark verdickt ausgebildet ist.
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Bei
dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Verstärkungsschichten 5 ebenfalls
in das Faserverbundlaminat 1 integriert und erstrecken sich
unterschiedlich weit in den Übergangsbereich 7 hinein,
wobei die sich bezüglich
der Dicke des Materials weiter mittig befindlichen Verstärkungsschichten 5 weiter
in das Faserverbundlaminat 5 hinein erstrecken als die
am Rand befindlichen Verstärkungsschichten 5.
In dieser Ausführungsform
sind die Faserverbundschichten 2, die sich auf der Höhe der Verstärkungsschichten 5 befinden,
entsprechend gekürzt
ausgebildet, sodass die Verstärkungsschichten 5 mit
ihrer Endkante 8 stumpf an eine entsprechende Endkante
der Faserverbundschicht 2 stoßen.
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Die
Ausbildungen des Verbundwerkstoffes gemäß den 1 bis 3 stellen
herkömmliche Ausführungsformen
für Verstärkungsbereiche 3 von Faserverbundlaminaten 1 dar.
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4 verdeutlicht
die Ausbildung der Verstärkungsschichten 5 mit
Endbereichen 8, die zu einer Endkante 9 hin zunehmend
durch Durchgangslöcher 10 geschwächt sind.
Hierzu sind in dem Endbereich 8 vier Abschnitte A1, A2,
A3, A4 ausgebildet, in denen sich jeweils eine gleiche Anzahl von
Durchgangslöchern 10 parallel
zur Endkante 9 befinden. Die Durchgangslöcher 10 in
dem Abschnitt A1 sind mit einer größeren Lochfläche als
die Durchgangslöcher
in dem Abschnitt A2 ausgebildet. Die Durchgangslöcher 10 in dem Abschnitt
A2 haben wiederum eine größere Lochfläche als
die Durchgangslöcher 10 in
dem Abschnitt A3 usw.
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Das
Ausführungsbeispiel
gemäß 4b zeigt
entsprechend angeordnete Durchgangslöcher 10, die jeweils
in Lücke
versetzt zueinander angeordnet sind, wobei zur Endkante 9 hin
die Fläche
der Durchgangslöcher
relativ zu dem in den jeweiligen Abschnitten A1 bis A4 verbleibenden
Material größer ist.
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Gleiches
ergibt sich auch in dem Ausführungsbeispiel
gemäß 4c,
in dem die Vergrößerung der
Lochfläche
zur Endkante 9 hin durch Langlöcher bewerkstelligt ist.
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Die
Durchgangslöcher
können
ferner andere Formen aufweisen, beispielsweise dreieckigförmig oder
trapezförmig
ausgebildet sein, wobei die Ausrichtung der so geformten Durchgangslöcher 10 zur zunehmenden
Schwächung
der Verstärkungsschicht 5 zur
Endkante 9 hin beitragen kann.
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5 zeigt
in einer Draufsicht eine Verstärkungsschicht 5 gemäß 4a,
die auf einer Faserverbundschicht 2 befestigt ist, in dem
das Harz der Faserverbundschicht 2 als Klebemittel für den Zusammenhalt
der Faserverbundschicht 2 und der Verstärkungsschicht 5 dient.
Die Festigkeit der Verbindung ergibt sich bei einer Zugkraft F,
die parallel zur Verbindungsfläche
zwischen Verstärkungsschicht 5 und
Faserverbundschicht 2 gerichtet ist.
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Gemäß 6 sind
die Durchgangslöcher 10 in
dieser Ausführungsform
nicht gefüllt,
sodass sich die Verbindung zwischen der Verstärkungsschicht 5 und
der Faserverbundschicht 2 ausschließlich durch die Klebewirkung
an der Verbindungsfläche
ergibt.
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7 verdeulticht,
dass bei der herkömmlichen
Verstärkungsschicht 5', die die Durchgangslöcher 10 nicht
aufweist, ein relativ kurzer Bereich a entsteht, für den in 7a eine
Schubspannungsverteilung 11 eingezeichnet ist. Die Schubspannungsverteilung 11 weist
eine sehr hohe Spannungsspitze Tmax 12 an
der Endkante 9 auf.
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Bei
der erfindungsgemäßen progressiven Schwächung der
Verstärkungsschicht 5 durch
die Durchgangslöcher 10 mit
unterschiedlichen Lochflächen
entsteht eine Schubspannungsverteilung 13 (7b),
die sich über
eine wesentlich größere Strecke
b erstreckt und von der Endkante 9 zu einer deutlich verringerten
maximalen Schubspannungsspitze Tmax 15 führt.
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8 verdeutlicht,
dass in analoger Weise bei dem herkömmlichen Verstärkungsblech 5' eine Lasteinleitung
in das Verstärkungsblech 5' über einen
relativ kurzen Bereich a stattfindet (8a), während sich
die Lasteinleitung bei der erfindungsgemäßen Verstärkungsschicht 5 gemäß 8b über den
längeren
Weg b erstreckt und somit allmählicher erfolgt.
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Bei
dem in den 9 und 10 dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist die Verstärkungsschicht 5 in
einer Anordnung gemäß 3 zwischen
zwei Faserverbundschichten 2 eingelegt und stößt mit ihrer
Endkante 9 stumpf an eine die Verstärkungsschicht 5 fortsetzende
Faserverbundschicht 2 an. Wie 10 verdeutlicht,
sind die Durchgangslöcher 10 mit
Harz aus den benachbarten Faserverbundschichten 2 gefüllt, sodass
sich in den Durchgangslöchern 10 Kunststoffnieten 14 ausbilden,
die die Durchgangslöcher 10 ausfüllen. Die
Kunststoffnieten 14 bestehen aus dem Harz, das das Bindemittel
der Faserverbundschichten 2 bildet, und bewirken eine formschlüssige Verbindung
zwischen Verstärkungsschicht 5 und
den benachbarten Faserverbundschichten 2 im Endbereich 8 der
Verstärkungsschicht 5.
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11 verdeutlicht
eine Versuchsanordnung zur Durchführung eines Vergleichsversuches
mit einer herkömmlichen
Verstärkungsanordnung 15 und einer
erfindungsgemäßen Anordnung 16,
wobei sich die erfindungsgemäße Anordnung 16 von
der herkömmlichen
Anordnung 15 dadurch unterscheidet, dass die Verstärkungsschicht 5 im
Endbereich 8 mit den Durchgangslöchern 10 versehen
ist, die gemäß dem Ausführungsbeispiel
der 9 und 10 mit Kunststofnieten 14 gefüllt sind,
wobei die Herstellung des Faserverbundlaminats 1 mit der
Harzinjektionstechnolgoie erfolgt ist. Die Verstärkungsschicht 5 ist
dabei durch ein Stahlblech mit einer Stärke von 0,5 mm gebildet. Bei
Ausübung
einer Zugkraft F delaminiert die herkömmliche Anordnung 15 bei
einer Zugkraft von 28 kN, während
die Delamination bei der erfindungsgemäßen Anordnung 16 erst
bei einer Zugkraft von 43 kN erfolgte, wie dies in 12 graphisch
dargestellt ist. Die erfindungsgemäße konstruktive Maßnahme gewährleistet
somit einen Tragfähigkeitsgewinn
von über
50%.
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13 verdeutlicht
noch, dass eine Delamination 17 der Verstärkungsschicht 5 vor
der Delamination 18 der mittleren unterbrochenen Faserverbundschichten
bei der herkömmlichen
Anordnung 15 stattfand (13a),
während
bei der erfindungsgemäßen Anordnung 16 die
Delamination von Verstärkungsschicht 5 und
der unterbrochenen Faserverbundschichten praktisch gleichzeitig
stattfand.
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Die
erfindungsgemäße Maßnahme erlaubt somit
in einfacher und kostengünstiger
Weise einen erheblichen Festigkeitsgewinn für die Ausbildung des Verstärkungsbereichs 3 eines
durch Verstärkungsschichten 5 verstärkten Faserverbundlaminats 1.