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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Faserverbundwerkstoffbauteil sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffbauteils.
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Bei der Entwicklung von Fahrzeug-Strukturen in Faserverbundbauweise, beispielsweise CFK, spielen Flechtprofile aus den eingesetzten Fasern eine große Rolle. Mittels Flechtprofilen können die gegebenen Lastpfade effizient abgedeckt werden.
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Nachdem ein Preform über einen Kern geflochten wurde, wird dieser mit einer Kunststoffmatrix ausgehärtet und kann im Anschluss nachbearbeitet und verbaut werden.
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Den größten Gewichtsreduzierungsbeitrag kann man dadurch erhalten, dass der Kern nach dem Herstellungsprozess entfernt wird, sodass ein Hohlprofil erhalten wird. Dies kann unter anderem durch einen aufblasbaren Kunststoffkern erfolgen, welcher nach dem Flechten vollständig aus dem Bauteil gezogen wird. Von großer Bedeutung ist die Lasteinleitungsstelle, an der Lasten in ein derartiges hohles Flechtbauteil eingeleitet werden. Während die Betriebslasten innerhalb des Flechtbauteils optimal und fasergerecht durch die Kohlefasern abgeleitet werden können, erzeugt die Lasteinleitungsstelle meist eine ungewollte Belastungsspitze. Solche Lasteinleitungsstellen sind beispielsweise Bohrungen für Anschraubpunkte. Eine derartige Lasteinleitungsstelle kann aufgrund von sich ergebenden Belastungsspitzen zu einem Versagen des Bauteils führen.
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Wenn es sich um ein Hohlprofil handelt, kann eine Lasteinleitungsstelle meist erst nach dem Entfernen des Kerns durch mechanische Nacharbeit erzeugt werden, beispielsweise durch Bohren oder Fräsen. Dies trennt aber großflächig die Kohlefasern, welche den Lastpfad abdecken, und schwächt somit das Gesamtbauteil extrem. Neben den mechanischen Eigenschaften ist eine nachträgliche Bearbeitung des CFK-Bauteils immer mit sehr hohen Kosten verbunden. Der Verschleiß der Werkzeuge ist hoch, und für jeden Bearbeitungsschritt ist möglicherweise eine spezielle Vorrichtung erforderlich.
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Es wäre daher wünschenswert, dass bei Faserverbundwerkstoffbauteilen mit einer Hohlprofilstruktur geeignetere Lasteinleitungsstellen verfügbar sind und dennoch weiterhin ein leichtes und wirtschaftliches Hohlprofil verwendet werden kann.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Faserverbundwerkstoffbauteil sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffbauteils in vorteilhafter Weise weiterzubilden, insbesondere dahingehend, dass ein leichtes und wirtschaftliches Faserverbundwerkstoffbauteil, insbesondere ein Faserverbundwerkstoffbauteil mit einem Hohlprofil hergestellt werden kann, wobei Lasteinleitungsstellen vorgesehen sind, die bei vertretbarem Kostenaufwand eine belastungsgerechte Lasteinleitung ermöglichen und zugleich leichtbauend sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Faserverbundwerkstoffbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Danach ist ein Faserverbundwerkstoffbauteil mit einem Profilteil vorgesehen, das aus einer Vielzahl von miteinander verflochtenen Fasern besteht, einem Lasteinleitungsbauteil, das zwischen den Fasern des Profilteils angeordnet ist, und einem Matrixmaterial, in das die Fasern des Profilteils eingebettet sind.
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Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass durch den Einsatz eines Lasteinleitungsbauteiles eine Lasteinleitungsstelle geschaffen werden kann, die eine belastungsgerechte Lasteinleitung ermöglicht, wobei gleichzeitig keine großflächige Auftrennung und Zerstörung von Fasern notwendig ist. Eine Schwächung des Faserverbundwerkstoffbauteils wird somit vermieden.
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Zudem wird es durch den Einsatz des Lasteinleitungsbauteiles möglich, die spätere Lasteinleitung direkt innerhalb des Faserverbundwerkstoffbauteils anzuordnen.
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Darüber hinaus ist in der Regel nur eine minimale Nacharbeit notwendig. Die Lasten der Lasteinleitungsstelle können somit großflächig in das Faserverbundwerkstoffbauteil eingeleitet werden. Das Lasteinleitungsbauteil kann dadurch in das Profilteil aus Fasern eingeflochten werden, dass in der Herstellung des Profilteils Bereiche ausgebildet werden, die mit einem Lasteinleitungsbauteil belegt und dann überflochten werden. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass das Lasteinleitungsbauteil von den Fasern des Profilteils umflochten und hierdurch gehalten wird. Folglich ist der Lastpfad vom Lasteinleitungsbauteil in das Profilteil mit wenig Spannungsspitzen versehen, da die über das Lasteinleitungsbauteil in die Struktur des Faserverbundwerkstoffbauteils eingeleiteten Lasten großflächig vom Lasteinleitungsbauteil in die das Lasteinleitungsbauteil umgebenden Bereiche eingeleitet werden können.
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Außerdem kann vorgesehen sein, dass das Lasteinleitungsbauteil aus einem hochfesten Kunststoff oder aus Metall besteht. Hierdurch wird eine hohe Stabilität des Lasteinleitungsbauteils erreicht.
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Ferner ist möglich, dass das Lasteinleitungsbauteil wenigstens eine Bohrung oder wenigstens eine Gewindebohrung aufweist. Hierdurch wird eine notwendige Nacharbeit deutlich vereinfacht, da im Rahmen der Nacharbeit die bereits vorhandene Bohrung oder Gewindebohrung nur noch freigelegt werden muss.
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Außerdem ist denkbar, dass das Lasteinleitungsbauteil z. B. bezogen auf den Längsquerschnitt zumindest teilweise L-förmig oder U-förmig oder O-förmig ist. Ein derartiges Profil unterstützt die Stabilität des gesamten Faserverbundwerkstoffbauteils im Bereich des Lasteinleitungsbauteils.
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Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass das Lasteinleitungsbauteil mit abgeschrägten oder abgerundeten Kanten versehen ist. Abgeschrägte oder abgerundete Kanten erleichtern das Anordnen des Lasteinleitungsbauteils zwischen den Fasern des Profilteils. Insbesondere ist dies bei einem Umflechten des Lasteinleitungsbauteils mit Fasern von Vorteil, weil z. B. ein Knicken der Fasern an den Kanten vermieden werden kann. Außerdem werden Lastspitzen am Übergang zum Faserverbundwerkstoffteil vermieden.
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Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass das Lasteinleitungsbauteil zumindest eine Abschrägung aufweist. Eine derartige Abschrägung weist den Vorteil auf, dass hierdurch ein weicher Übergang von den das Lasteinleitungsbauteil umgebenden Bereichen des Profilteils ermöglicht wird. Die lokale Verstärkung durch das Lasteinleitungsbauteil stellt, in Längsrichtung eines Hohlprofils betrachtet, grundsätzlich einen Hinterschnitt dar, der das Entfernen eines Kerns behindert. Die Abschrägungen führen dazu, dass der Kern beim Entfernen leichter durch Bereiche mit Querschnittsverringerungen gleitet. Außerdem werden weiche Übergänge geschaffen und eine Stufenbildung vermieden, wodurch Belastungsspitzen und hierdurch ein mögliches Versagen des Bauteils verhindert werden können.
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Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Abschrägung einen Winkel aus dem Winkelbereich zwischen ca. 5° bis 30° aufweist. Der Querschnitt z. B. in der Seitenansicht der Abschrägung kann derart ausgebildet sein, dass er sich von einer ersten Seite des Lasteinleitungsbauteils zu einer zweiten Seite des Lasteinleitungsbauteils erstreckt und wobei die Höhe der Abschrägung kleiner ist als ihre Länge. Hierdurch wird es möglich, besonders weiche Übergänge zu schaffen und Belastungsspitzen zu vermeiden.
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Denkbar ist auch, dass das Profil in den Bereichen, in denen Befestigungsstellen oder Befestigungsmittel angebracht, angeordnet oder beispielsweise eingeschraubt werden, die maximale Höhe aufweist und in den daran angrenzenden Bereichen mit entsprechenden Abschrägungen versehen ist, die die maximale Höhe des Lasteinleitungsbauteils wieder auf das Niveau der Basisfläche herabführen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Lasteinleitungsstelle eine ausreichende Materialstärke aufweist. Zugleich wird aber eine Stufenbildung vermieden, da die Materialstärke mittels der Abschrägungen vorzugsweise zu allen Seiten hin mit einem sanften Übergang versehen ist. Insbesondere ergibt sich ein homogener Verlauf der Kraftlinien von der Lasteinleitungsstelle in das geflochtene oder gewickelte Profil.
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Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Höhe des Lasteinleitungsbauteils geringer ist als seine Breite. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass das Lasteinleitungsbauteil nach dem Einflechten in das Profilteil nicht zu Stufenbildung oder abrupten Querschnittsänderungen führt. Auch hierdurch werden sanfte Übergänge erreicht.
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Besonders bevorzugt ist, dass das Profilteil ein Hohlprofilteil ist. Hohlprofilteile ermöglichen leichtbauende und zugleich stabile Strukturen. Sie können daher vorteilhafterweise als lasttragende Strukturen im Karosseriebau eingesetzt werden. Insbesondere in diesem Zusammenhang ermöglichen die sanften Querschnittsübergänge ein erleichtertes Einführen, aber auch Entfernen eines Kerns zur Erzeugung des Hohlprofils an der Stelle, an der das Lasteinleitungsbauteil in das Profilteil eingeflochten ist.
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Weiter kann vorgesehen sein, dass das Matrixmaterial ein thermoplastisches oder duroplastisches Material ist. Diese Materialien ermöglichen einen stabilen und festen Verbund mit den Fasern des Profilteils. Ein thermoplastisches oder ein duroplastisches Matrixmaterial ist vorteilhafterweise hervorragend geeignet, ein Profilteil aus Fasern mit einem Einsetzbauteil, das in den Profilteil eingeflochten ist, entsprechend zu verbinden bzw. zu vernetzen.
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Es ist möglich, dass die Fasern Kohlefasern sind. Der Einsatz von Kohlefasern weist den Vorteil auf, dass diese hervorragend geeignet sind, leichtbauende Strukturen mit hoher Festigkeit zu erzeugen.
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Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffbauteils. Danach ist vorgesehen, dass bei einem Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffbauteils derart vorgegangen wird, dass das Verfahren wenigstens die folgenden Schritte umfasst:
- – es wird ein Kern bereitgestellt;
- – am Kern wird ein Lasteinleitungsbauteil angeordnet;
- – der Kern wird mit Fasern umflochten, um ein Profilteil auszubilden, wobei auch das Lasteinleitungsbauteil umflochten wird;
- – in ein Matrixmaterial werden die Fasern des Profilteils eingebettet;
- – der Kern wird entfernt.
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Grundsätzlich können dieselben Merkmale und Vorteile, wie vorstehend beschrieben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Faserverbundwerkstoffbauteil auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffbauteils vorgesehen sein bzw. erzielt werden.
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Außerdem kann vorgesehen sein, dass der Kern ein Blaskern ist.
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Darüber hinaus ist denkbar, dass das Lasteinleitungsbauteil am Kern fixiert wird. Dies erfolgt insbesondere durch Einkleben. Durch das Fixieren des Lasteinleitungsbauteils vor dem Überflechten in den Profilteil kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass das Lasteinleitungsbauteil während des Überflechtens nicht verrutscht und somit positionstreu ist und eine ausreichende Handlingsfestigkeit für Folgeprozesse aufweist. Hierdurch kann eine höhere Fertigungsgenauigkeit erreicht werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
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1 in schematischer Ansicht ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren für ein erfindungsgemäßes Faserverbundwerkstoffbauteil in einer schematischen Schnittdarstellung;
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2 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Faserverbundwerkstoffbauteils erhalten durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffbauteils;
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3 eine perspektivische Darstellung eines Lasteinleitungsbauteils für ein erfindungsgemäßes Faserverbundwerkstoffbauteil; und
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4 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Faserverbundwerkstoffbauteils erhalten durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffbauteils.
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1 zeigt in schematischer Darstellung das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren eines erfindungsgemäßen Faserverbundwerkstoffbauteils 10.
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Das Faserverbundwerkstoffbauteil 10 weist ein Profilteil 20 auf, das in ein Matrixmaterial 30 eingebettet ist.
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Das Profilteil 20 besteht aus Fasern 25. Die Fasern 25 wiederum sind im hier gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung Kohlefasern. Grundsätzlich ist aber denkbar, dass jegliche Art von geeigneten Fasern, z. B. Glasfasern, für das Profilteil verwendet werden.
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Das Matrixmaterial 30 ist hier ein thermoplastisches Material. Denkbar ist aber auch, dass das Matrixmaterial ein duroplastisches Material ist.
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Zur Verstärkung der Struktur des Faserverbundwerkstoffbauteils 10 ist an einer Lasteinleitungsstelle ein Lasteinleitungsbauteil 40 vorgesehen. Das Lasteinleitungsbauteil 40 besteht aus einem hochfesten Kunststoff oder aus Metall und ist mit abgeschrägten oder abgerundeten Kanten versehen.
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Die Höhe des Lasteinleitungsbauteils 40 ist geringer als seine Breite.
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Um das Faserverbundwerkstoffbauteil 10 herzustellen, wird zunächst ein Kern, insbesondere ein Blaskern, bereitgestellt. An dem Kern wird ein Lasteinleitungsbauteil 40 angeordnet. Dieses kann an den Kern angeklebt werden, um es temporär zu fixieren.
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Dann wird der Kern mit dem daran fixierten Lasteinleitungsbauteil 40 mit Fasern umflochten. Dabei wird das Lasteinleitungsbauteil in das Fasergeflecht integriert.
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Sodann wird der Profilteil 20 mit dem darin eingeflochtenen Lasteinleitungsbauteil 40 mit einem Matrixmaterial 30 umspritzt, sodass Profilteil 20 und Lasteinleitungsbauteil 40 von dem Matrixmaterial 30 verbunden werden und in das Matrixmaterial 30 eingebettet sind.
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Der Kern kann hierauf entfernt werden.
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Wie in 1 ersichtlich, ist das Faserverbundwerkstoffbauteil 10 ein Hohlprofil, das dadurch erzeugt wird, dass bei der Herstellung des Profils ein Kern in das Hohlprofil eingesetzt wird.
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Daher wird auch das Lasteinleitungsbauteil 40 derart ausgestaltet, dass die Einziehung des Kerns zur Erstellung des Hohlprofils nicht behindert wird.
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Der Kern kann beispielsweise ein Blaskern sein. Um zu verhindern, dass sich der Blaskern nicht in das Blaskern-Werkzeug einziehen lässt, wird folgendermaßen vorgegangen:
Durch das Einsetzen des Lasteinleitungsbauteils 40 entsteht an der lokalen Verstärkungsstelle durch das Lasteinleitungsbauteil 40 ein Hinterschnitt. Die Übergänge von der ungestörten Innenkontur des Faserverbundwerkstoffbauteils 10 auf die gestörte Innenkontur im Bereich des Lasteinleitungsbauteils 40 werden mit weichen Übergängen gestaltet. Dies wird durch die spezielle Formgebung des Lasteinleitungsbauteils 40 erreicht.
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Um diese weichen Übergänge zu erreichen, weist das Lasteinleitungsbauteil 40 eine Höhe h auf, die geringer ist als die Breite b und die Länge l des Lasteinleitungsbauteils 40. Darüber hinaus weist das Lasteinleitungsbauteil 40 abgerundete Ecken und Kanten auf.
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Ferner ist das Lasteinleitungsbauteil 40 mit Abschrägungen 42 versehen, wobei die Abschrägungen an den Kanten und Ecken des Lasteinleitungsbauteils 40 vorgesehen sind. Denkbar ist in diesem Zusammenhang beispielsweise, dass das Lasteinleitungsbauteil 40 eine umlaufende Abschrägung 42 aufweist.
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Die Abschrägung 42 weist einen Winkel aus einem Winkelbereich zwischen ca. 5° bis 45° auf, hier ca. 20°.
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Zugleich wird auch der Mindestdurchmesser des Blaskerns nicht unterschritten, der beispielsweise in einer Größenordnung von ca. 20 mm liegen kann. Dieser ist abhängig vom Profilverlauf und nominalen Durchmesser.
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Das Lasteinleitungsbauteil 40 kann aus nichtrostendem Stahl hergestellt sein und eine Lasteinleitungsstelle aufweisen. Diese Lasteinleitungsstelle kann beispielsweise in Form einer Bohrung oder einer Gewindebohrung ausgebildet sein. Weiter kann die Lasteinleitungsbauteil 40 aus einem Kunststoff sein.
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2 zeigt in perspektivischer Ansicht ein erfindungsgemäßes Faserverbundwerkstoffbauteil 10 in einer Detailansicht. Wie aus 2 ersichtlich ist, ist hier ein Lasteinleitungsbauteil 40 bezogen auf seinen Längs-Querschnitt in Form eines L-förmigen Profils bereits in den Profilteil 20 und das Matrixmaterial 30 eingebettet. Das Lasteinleitungsbauteil 40 weist mehrere Abschrägungen 42 auf, die einen sanften Übergang von den Bereichen des Faserverbundwerkstoffbauteils 10 zu dem Bereich, in den das Lasteinleitungsbauteil 40 eingesetzt ist, ermöglichen. Denkbar ist aber auch, dass das Lasteinleitungsbauteil 40 bezogen auf den Längs-Querschnitt einen im Wesentlichen U-förmigen oder O-förmigen Querschnitt aufweist.
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Das Lasteinleitungsbauteil 40 aus 2 ist dabei in perspektivischer Darstellung näher in 3 gezeigt. Das Lasteinleitungsbauteil 40 weist dabei insgesamt vier Lasteinleitungsbereiche 45 auf, in die Bohrungen eingebracht werden können. Das Lasteinleitungsbauteil 40 ist hier als L-förmiges Profil mit mehreren Abschrägungen 42 ausgebildet, die einen Winkel aufweisen, der aus einem Winkelbereich zwischen ca. 5° bis 30° ausgewählt ist, hier ca. 20°.
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Zwischen den Lasteinleitungsbereichen 45 ist ein weiterer Abschnitt 47 vorgesehen, der als Verbindung zwischen den beiden Lasteinleitungsbereichen 45 dient. Hier ist ebenfalls eine Abschrägung 42 vorgesehen, um das Lasteinleitungsbauteil 40 von einer ersten Höhe h im Bereich der Lasteinleitungsbereiche auf eine reduzierte Höhe h1 zurückzuführen.
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Wie aus 4 ersichtlich ist, kann das Faserverbundwerkstoffbauteil 10 ein Türrahmen für ein Kraftfahrzeug sein. Im Bereich des Lasteinleitungsbauteils 40 können Türscharniere befestigt werden oder andere Karosserieteile angebracht werden. Im in 4 gezeigten Fall handelt es sich um einen Türrahmen 50 für ein Kraftfahrzeug mit einer Flügeltür, die an dem Türrahmen 50 im Bereich des Lasteinleitungsbauteils 40 mit ihrer Verschwenkmechanik angelenkt ist.
