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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils.
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Die
Verwendung von faserverstärkten
Bauteilen, auch als Faserverbundbauteile bezeichnet, ist vor allem
wegen ihrer hohen spezifischen Festigkeit (Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht)
in vielen Anwendungsbereichen interessant. Ein Faserverbundwerkstoff
ist ein Mischwerkstoff, der im Allgemeinen aus zwei Komponenten
besteht, nämlich
einer Matrix und darin eingebetteten Fasern. Durch gegenseitige Wechselwirkungen
dieser Komponenten erhält
der Werkstoff höherwertigere
Eigenschaften als jede der beiden einzeln beteiligten Komponenten.
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Zur
Herstellung relativ dickwandiger Faserverbundbauteile ist es bekannt,
mehrere jeweils flächige
Fasermateriallagen, die z. B. jeweils als ein Faserhalbzeug wie
z. B. ein Gewebe oder ein Gelege bereitgestellt werden, Flachseite
an Flachseite übereinander
zu stapeln und in eine Matrix einzubetten (durch Infiltration mit
einem Harz und nachfolgender Aushärtung).
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Neben
plattenförmig-ebenen
Bauteilstrukturen lassen sich damit relativ problemlos auch plattenförmig-gekrümmte Bauteilstrukturen
herstellen.
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Für eine Vielzahl
anderer gewünschter
Geometrien ergibt sich in der Praxis jedoch das Problem, dass die
Fasermateriallagen sich nicht vollflächig aneinander anfügen lassen.
Lediglich beispielhaft sei hierzu etwa ein Bauteilprofil mit T-förmigem Profilquerschnitt
genannt. In diesem Fall kann beim flächigen Zusammenfügen der
Fasermateriallagen "in
der Ecke des T" ein
nachteiliger Hohlraum bzw. "Zwickelbereich" verbleiben, der
je nach konkreter Herstellungsmethode am fertigen Bauteil als Hohlraum
verbleibt oder vollständig
mit der Matrixkomponente gefüllt
ist.
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Gemäß einer
auf internen betrieblichen Kenntnissen der Anmelderin beruhenden
Technik wurden derartige Zwischenräume bereits mit Schaumkunststoffkernen
aufgefüllt,
was jedoch in erster Linie der Gewährleistung einer gewissen Formstabilität des zusammengefügten Konstrukts vor
dem Aushärten
dient. Hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften des fertigen
Bauteils spielt der eingesetzte Schaumkunststoffkern keine wesentliche Rolle.
Auch Versuche, derartige Zwischenräume durch Fasermaterial aufzufüllen, waren
insofern nicht befriedigend, als es in der Praxis bislang an "passenden" und kostengünstigen
textilen Strukturen mangelt.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben beschriebenen
Nachteile zu beseitigen und ein einfaches Verfahren zur Herstellung
eines Faserverbundbauteiles anzugeben, wobei das Verfahren auch
für kompliziertere
Bauteilgeometrien geeignet sein soll.
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Gemäß der Erfindung
ist ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils vorgesehen, welches
folgende Schritte umfasst:
- – Zusammenfügen von mehreren jeweils flächigen Fasermateriallagen,
wobei ein Vliesmaterial in wenigstens einen Zwischenraum eingefügt wird,
der von wenigstens einem gekrümmten Oberflächenabschnitt
einer der Fasermateriallagen begrenzt wird,
- – Infiltrieren
der Fasermateriallagen und des Vliesmaterials mit einem Matrixmaterial,
und
- – Aushärten der
zusammengefügten
und infiltrierten Fasermateriallagen samt Vliesmaterial.
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Die
Verwendung von Vliesmaterial als Material zur Auffüllung eines
oder mehrerer beim Zusammenfügen
der Fasermateriallagen verbleibender Zwischenräume ermöglicht in einfacher und kostengünstiger
Weise die Herstellung des betreffenden Faserverbundbauteils in gleich
bleibender und hoher Qualität.
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Der
Begriff "Vliesmaterial" bezeichnet hierbei ein
Material aus lose zusammengelegten Fasern, dessen Festigkeit im
Wesentlichen auf der fasereigenen Haftung beruht. Die Fasern liegen
wirr im Vliesmaterial.
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Wenngleich
die Verwendung eines Vliesmaterials mit einer oder mehreren Vorzugsrichtungen der
Faserorientierung denkbar ist (anisotropes Vliesmaterial), so ist
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung vorgesehen, dass das Vliesmaterial im Wesentlichen
isotrop ist. In diesem Fall sind die Fasern gänzlich stochastisch orientiert,
wie z. B. bei einem Wirrlagenvliesstoff. In vielen Anwendungsfällen bzw.
für viele
Bauteilgeometrien ist die Verwendung eines derartigen Füllkörpers, bei
welchem die enthaltenen Fasern keine bevorzugte Faserrichtung aufweisen,
besonders vorteilhaft. Dies nicht nur wegen der damit resultierenden,
oftmals besonders günstigen
mechanischen Bauteileigenschaften, sondern auch im Hinblick auf
die Herstellung des Füllkörpers und
dessen Einbringung in den betreffenden Zwischenraum. Bei diesen
Prozessschritten muss dann nämlich
aufgrund der Isotropie die Materialorientierung nicht beachtet werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Vliesmaterial ein verfestigtes Vlies. Damit kann z. B. dessen
Verarbeitung bzw. Konfektionierung zu einem geeigneten Füllkörper erheblich
vereinfacht werden. Von dem Begriff "verfestigtes Vlies" ist insbesondere jede Art von Filz
umfasst. Beim Filz wurden die Fasern durch eine zumeist mechanische
Verarbeitung wie z. B. "Nassfilzen" oder "Trockenfilzen" in eine verfestigte
Form gebracht.
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Prinzipiell
ist das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren
für beliebige
Faserwerkstoffe und Matrixwerkstoffe geeignet. Besonders vorteilhaft
ist das Verfahren für
die Herstellung von Bauteilen mit relativ stark gekrümmten Bauteilabschnitten.
Bei den für
die Fasermateriallagen verwendeten Fasern kommen beispielsweise
Glasfasern, Kohlenstofffasern, synthetische Kunststofffasern, Stahlfasern
oder Naturfasern in Betracht. Als Matrixmaterial sind insbesondere
Kunststoffe wie z. B. duroplastische Kunststoffe (Kunstharze) interessant.
Diese Aufzählungen sind
jedoch lediglich beispielhaft zu verstehen. Außerdem können gegebenenfalls in an sich
bekannter Weise Füllstoffe
oder Additive zugegeben werden.
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In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass für
das Vliesmaterial dieselbe Faserart wie für die zusammenzufügenden Fasermateriallagen
vorgesehen ist. Das Vliesmaterial kann insbesondere z. B. aus Wollfasern
und/oder anderen textilen Fasern einschließlich Kunstfasern gebildet
sein.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ist vorgesehen, dass das zu verwendende Vliesmaterial zuvor aus
einem flächigen
Gebilde eines verfestigten Vlieses abgetrennt wurde. Das verfestigte
Vliesgebilde kann besonders vorteilhaft z. B. in Form einer Vliesplatte
oder, bei hinreichender Biegsamkeit, aufgerollt in Form eines Vliesmaterialwickels
vorgehalten werden. Bei der Fertigung von Faserverbundbauteilen
gemäß der Erfindung
kann sodann ein benötigter
Füllkörper in
passender Form vom verfestigten Vliesgebilde abgetrennt, z. B. mittels
eines Messers abgeschnitten, und gegebenenfalls in eine gewünschte Endkontur
gebracht werden.
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Insbesondere
bei relativ großer
Festigkeit eines als Vorrat vorgehaltenen Vliesmaterials kann dieses
insbesondere mittels einer automatisierten Trennapparatur, insbesondere
Schneidapparatur, sehr genau, sogar mittels CAD-Daten konturgenau aus
dem Füllmaterial
herausgearbeitet werden. Dadurch ergibt sich ein erheb licher Zeit-,
Kosten- und Qualitätsvorteil,
insbesondere bei einer Serienproduktion von Faserverbundbauteilen.
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In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass der in den wenigstens einen Zwischenraum einzufügende Füllkörper einstückig aus
verfestigtem Vliesmaterial gebildet ist. Bei Abtrennung bzw. Heraustrennung
des Füllkörpers aus
einem als Vorrat vorgehaltenen flächigen verfestigten Vliesgebilde sollte
dieses Vliesgebilde hinsichtlich benötigter Füllkörperabmessungen daher ausreichend
(groß)
dimensioniert sein.
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Für viele
Anwendungsbereiche ist es daher z. B. vorteilhaft, das als Vorrat
vorgehaltene verfestigte flächige
Vliesmaterial mit einer Dicke von wenigstens 1 cm vorzusehen. Die
benötigte
Materialdicke hängt
selbstverständlich
von den Abmessungen des herzustellenden Faserverbundbauteils bzw.
der darin enthaltenen Zwischenräume
ab, so dass bei größeren Faserverbundbauteilen
eine Dimensionierung von bereitgehaltenen Vlies- bzw. Filzmaterialien
in vielen Fällen
mit einer Dicke von wenigstens 0,1 m zweckmäßig sein kann.
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Wenn
bei der Herstellung der Faserverbundbauteile Füllkörper in stark variierender
Größe und/oder
Geometrie benötigt
werden, so kann vorteilhaft auch ein Sortiment an verschieden dimensionierten,
als Vorrat vorgehaltenen verfestigten Vliesmaterialien vorgesehen
sein. In diesem Fall lässt
sich in der Praxis der Materialverschnitt erheblich reduzieren.
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Die
Infiltration der Fasermateriallagen wie auch des Vliesmaterials
kann bei der Erfindung ganz allgemein vor oder nach dem Zusammenfügen der Fasermateriallagen
erfolgen. In einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass zunächst
trockene Faserhalbzeuge wie z. B. Gewebe, Geflechte, Gelege, Fasermatten
etc. zusammengefügt
und anschließend mit
einem Harz infiltriert werden. Hinsichtlich der Gestaltung von Faserhalbzeugen,
deren Zusammenfügung
und Infiltration, wie auch hinsichtlich des abschließenden Aushärtungsprozesses
(z. B. thermisch), kann vorteilhaft auf die aus dem Bereich der Faserverbundtechnologie
wohlbekannten Kenntnisse und Methoden zurückgegriffen werden. Es erübrigt sich
daher an dieser Stelle eine Erläuterung
dieser im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorteilhaft einzusetzenden
Fertigungsdetails (z. B. Infiltration mittels eines Standardinfusionsverfahrens
wie VAP, VARI etc., Aushärtung
in einem Autoklaven usw.).
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Vorteilhaft
ist die Erfindung auch kompatibel zur Herstellung von Faserverbundbauteilen
mittels textiler Preform-Technik und Vakuuminfusionsverfahren ("open mould"). Auch können so
genannte Prepregs (vorimprägnierte
Faserhalbzeuge) als die benötigten
flächigen
Fasermateriallagen verarbeitet werden.
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In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass wenigstens eine der Fasermateriallagen ein
abgewinkeltes Profil darstellt und der Abwinkelungsbereich den am
Zwischenraum angrenzenden gekrümmten
Oberflächenabschnitt
ausbildet. Ein einfaches Beispiel für ein derartiges Profil ist
z. B. ein T-Profil oder Doppel-T-Profil.
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Ein
bevorzugter Anwendungsbereich des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Herstellung
von Strukturbauteilen, insbesondere für Fahrzeuge, beispielsweise
Luftfahrzeuge. Ein vorteilhafter Anwendungsfall ist z. B. die Herstellung
von Kraftübertragungs-
oder Krafteinleitungselementen oder Beschlägen, insbesondere mit T-förmigem Querschnitt oder
doppelt T-förmigem
Querschnitt. Derartige Elemente bzw. Beschläge sind insbesondere als Strukturbauteile
im Flugzeugbau interessant (z. B. mit Abmessungen in der Größenordnung
von einigen 10 cm bis einigen m).
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
können
insbesondere Bauteile mit reproduzierbarer Qualität gefertigt
werden, bei denen ein oder mehrere Abwinkelungs bereiche der flächigen Fasermateriallagen
bei der Zusammenfügung
der Fasermateriallagen zwangsläufig
wenigstens einen keilartig sich verjüngenden Zwischenraum (Zwickel)
entstehen lassen.
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Insbesondere
wenn ein resultierender Zwischenraum im Wesentlichen vollständig aufgefüllt werden
soll, so ergibt sich in der Praxis oftmals die Notwenigkeit eines
im Wesentlichen keilförmigen Füllkörpers ("Zwickelfüller"), der bei der Erfindung
in einfacher und hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften des
fertigen Bauteils vorteilhafter Weise bereitgestellt wird.
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Mit
der Erfindung können
bauartbedingte Hohlräume
bzw. Zwischenräume
in textilen Preforms zur Herstellung von Faserverbundbauteilen in
einfacher, kostengünstiger
und hinsichtlich der Qualität vorteilhafter
Weise gefüllt
werden. In einer Ausführungsform
wird ein Filz mit einem geeigneten Fasermaterial (z. B. gleiche
Fasern wie bei den Fasermateriallagen) in ausreichender Dicke gefertigt.
Die Dichte des Filzes und der sich daraus ergebende Fasergehalt
kann der Anwendung angepasst variabel eingestellt werden. Eine vorgefertigte
Filzplatte bzw. Filzbahn kann z. B. mit Hilfe von Messern konfektioniert
und in jede für
den Füllkörper gewünschte Form gebracht
werden.
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Ein
und dieselbe Platte aus verfestigtem Vliesmaterial, z. B. eine Filzplatte,
kann für
viele Füllkörpergeometrien
verwendet werden. Mittels einer CNC-gesteuerten Schneidapparatur
kann ein besonders reproduzierbares Ergebnis bei der Herstellung des
Füllkörpers erzielt
werden. Es werden vielfältige Geometrien
möglich.
Das Fertigen des Füllkörpers, z.
B. das Ausschneiden eines Zwickels, kann vorteilhaft erst unmittelbar
vor dem Bedarf erfolgen. Oftmals besonders vorteilhafte mechanische
Eigenschaften des Bauteils wie auch eine Vereinfachung der Verarbeitung
des Vlies- bzw. Filzmaterials ergibt sich bei Verwendung von Material
mit Fasern ohne Vorzugsrichtung.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug
auf die beigefügten
Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
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1 die
Positionierung eines Füllkörpers auf
einer flächigen
Struktur aus textilen Halbzeugen,
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2 die
Zusammenlegung von zwei Verstärkungsprofilen
aus textilen Halbzeugen unter Einschluss des Füllkörpers,
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3 eine
Ansicht entsprechend 2, nach Infiltration und Aushärtung,
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4 eine
Darstellung zur Veranschaulichung der Bereitstellung eines Füllkörpers durch
Abtrennung von einer Filzbahn,
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5 einen
von der Bahn in 4 abgetrennten Filzkörper,
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6 eine
der 2 entsprechende Ansicht für eine weitere Bauteilgeometrie,
und
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7 eine
der 2 entsprechende Ansicht für eine noch weitere Bauteilgeometrie.
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Die 1 bis 3 veranschaulichen
ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils 10' (3)
umfassend drei nacheinander durchgeführte Schritte:
- a) Zusammenfügen
von drei jeweils flächigen
Fasermateriallagen 12-1, 12-2 und 12-3,
wobei ein Filzzwickel 14 in einen Zwischenraum eingefügt wird,
der von zwei gekrümmten
Oberflächenabschnitten 16-1 und 16-2 der
Fasermateriallagen 12-1 und 12-2 begrenzt wird.
Im
dargestellten Ausführungsbeispiel
wird hierfür, wie
es in 1 dargestellt ist, zunächst der passend formgestaltete
Filzzwickel 14 mit einer ebenen Grundfläche auf die Oberseite der Fasermateriallage 12-3 aufgelegt.
Sodann werden, wie es in 2 dargestellt ist, die beiden
weiteren Fasermateriallagen 12-1 und 12-2 angefügt, so dass der
Filzzwickel 14 im Zwischenraum zwischen den mehreren (hier:
3) Fasermateriallagen eingefügt
wird. Es resultiert ein Konstrukt 10.
- b) Infiltrieren der Fasermateriallagen 12-1 bis 12-3 und
des Filzzwickels 14 mit einem (nicht dargestellten) Matrixmaterial
(z. B. Expoxidharz), und nachfolgendes
- c) Aushärten
der zusammengefügten
und infiltrierten Fasermateriallagen 12-1 bis 12-3 samt Filzzwickel 14.
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Die
ausgehärteten
und fest miteinander verbundenen Fasermateriallagen samt zwischengefügtem Filzzwickel
sind in 3 mit 12'-1, 12'-2, 12'-3 und 14' bezeichnet.
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Das
Bauteil 10 ist bei diesem Ausführungsbeispiel, wie aus 3 ersichtlich,
ein Profilbauteil mit T-förmigem
Querschnitt und besitzt aufgrund der Integration des angebundenen
und ausgehärteten Filzzwickels 14' trotz einfacher
Herstellung eine hohe mechanische Belastbarkeit.
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In 3 ist
die Länge
des Profilbauteils 10' der
Einfachheit der Darstellung halber relativ kurz (im Vergleich zu
den Abmessungen des Pofilquerschnitts) gezeichnet. In der Praxis
eignet sich das Verfahren insbesondere auch zur Herstellung länglicher,
gerade oder gekrümmt
verlaufender Profilbauteile.
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Bei
der nachfolgenden Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen werden für gleichwirkende
Komponenten die gleichen Bezugszahlen verwendet, jeweils ergänzt durch
einen kleinen Buchstaben zur Unterscheidung der Ausführungsform. Dabei
wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bzw. den bereits
beschriebenen Ausführungsbeispielen
eingegangen und im Übrigen
hiermit ausdrücklich
auf die Beschreibung vorangegangener Ausführungsbeispiele verwiesen.
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Was
die Herstellung eines ganz allgemein aus Vliesmaterial gebildeten
Füllkörpers wie
des oben beschriebenen Filzzwickels 14 angelangt, so kann
dies in vielfältiger
Weise bewerkstelligt werden.
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Die 4 und 5 veranschaulichen
eine in der Praxis besonders vorteilhafte Art und Weise der Herstellung
eines Füllkörpers 14a (5).
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4 zeigt
eine als Vorrat gehaltene Filzplatte (z. B. Nadelfilz) 20a.
Die Filzplatte 20a besteht aus einem isotropen Filz mit
einer Dicke d, die ausreichend dazu bemessen ist, um benötigte Füllkörper davon
abtrennen zu können.
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In 4 sind
Schnittlinien für
die Abtrennung von Füllkörpern der
Form des Füllkörpers 14a gestrichelt
eingezeichnet. Die entsprechende Bearbeitung der Filzplatte 20a erfolgt
bevorzugt automatisiert, z. B. mittels einer rechnergesteuerten
Schneidapparatur.
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Es
versteht sich, dass die in 5 dargestellte,
keilförmige,
prismatische Form des Füllkörpers 14a lediglich
beispielhaft zu verstehen ist und mit der beschriebenen Methode
auch Füllkörper einer
anderen Geometrie aus der Filzplatte 20a ab getrennt bzw.
herausgetrennt werden können
(z. B. der in 1 dargestellte Filzzwickel 14).
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Die 6 und 7 veranschaulichen
weitere Beispiele von zusammengefügten Fasermaterialkonstrukten 10b und 10c zur
Herstellung von Faserverbundbauteilen 10b' bzw. 10c'.
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Bei
dem Beispiel gemäß 6 wurden
vier Fasermateriallagen 12b-1 bis 12b-4, die jeweils
als abgewinkelte Profile gestaltet sind, zur Bildung des Konstrukts 10b zusammengefügt. Nach
Infiltration und Aushärtung
des Konstrukts 10b (samt Vlies-Füllkörper 14b) ergibt sich
ein Profilbauteil mit X-förmigem
Profilquerschnitt.
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Bei
dem Beispiel gemäß 7 wurde
im Unterschied zu der mit Bezug auf die 1 bis 3 beschriebene
Ausführungsform
die dritte Fasermateriallage 12c-3 mit einem ausgebauchten
Profilbereich vorgesehen, so dass der zwischengefügte Füllkörper 14c an
drei gekrümmte
Oberflächenabschnitte 16c-1 bis 16c-3 angrenzt.
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Es
versteht sich, dass die bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen
dargestellten Details und insbesondere geometrischen Formgestaltungen
und Abmessungen in der Praxis weitreichend modifiziert werden können. Wesentlich
ist die Verwendung eines Vliesmaterials als Füllkörper für wenigstens einen Zwischenraum,
der von wenigstens einem gekrümmten
Oberflächenabschnitt
einer von mehreren Fasermateriallagen begrenzt wird. Der Begriff "Fasermateriallage" soll hierbei insbesondere so
genannte textile Halbzeuge umfassen wie sie in der Faserverbundtechnologie
wohlbekannt sind. Hierbei ist es keineswegs ausgeschlossen und insbesondere
für vergleichsweise
dickwandige Fasermateriallagen sogar zweckmäßig, dass diese jeweils durch
ein Übereinanderschichten
mehrerer Einzellagen gebildet werden. Eine solche mehrlagige Fasermateriallage
kann z. B. während
des oben beschriebenen Zusammenfügungsschritts
aufgebaut werden.
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Alternativ
ist es z. B. möglich,
mehrlagige Fasermateriallagen vorzufertigen, insbesondere als vorimprägnierte
und bereits teilausgehärtete
Faserverbundwerkstoffe.