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Die vorliegende Erfindung betrifft ein faserverstärktes Strukturbauteil mit einer Kunststoffmatrix sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.
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Faserverstärkte Kunststoffe werden aufgrund ihrer hohen gewichtsspezifischen Festigkeit und Steifigkeit zunehmend als Leichtbauwerkstoffe eingesetzt. Solche Bauteile bestehen aus einer Kunststoffmatrix, in die Verstärkungsfasern eingebettet sind.
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Für die Erzeugung von faserverstärkten Kunststoffen sind eine Vielzahl von Verfahren bekannt. Zum Beispiel werden mit thermoplastischem Material vorgetränkte Gelege, Gewebe oder Geflechte flächig angeordnet, um Bauteile aufzubauen.
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Auch ist es bekannt, einzelne Stellen von faserverstärktem Kunststoff mit thermoplastischem Material mit und ohne Fasern zu umspritzen. Diese Verfahren dienen dazu, Stellen mit höherer Belastung, insbesondere Stellen der Krafteinleitung zu verstärken, um so die Stabilität des Bauteils zu erhöhen.
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Sehr verbreitet ist die Herstellung der Faserverstärkungen aus Flachgeflechten, die zum Beispiel in einer meist ringförmigen Flechtanlage zunächst als Geflechtschlauch erzeugt werden, der auf einem Formkern abgelegt wird, der anschließend wieder entfernt wird.
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Zum Beispiel durch die
DE 10 2014 000 302 B4 ist es bekannt, Stehfäden parallel zueinander beim Flechten zuzuführen. Um eine Litze beziehungsweise ein Flachgeflecht aus dem Geflechtschlauch zu erzeugen, wird dieser unter Nutzung von Längsnuten im Kern aufgeschnitten. Zur Stabilisierung des Geflechts an den Schnittkanten werden entweder Binder eingesetzt und/oder in diesem Bereich Stehfäden aus einem anderen Material eingesetzt.
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Faserverstärkte Kunststoffe finden auch als so genannte Strukturbauteile zunehmende Verwendung insbesondere in Kraftfahrzeugen. Die
DE 10 2013 219 820 A1 schlägt ein solches Strukturbauteil für eine Dachquerverbindung im Bereich zwischen den A-Säulen eines Kraftfahrzeugs vor, welches entlang von Lastpfaden angeordnete Thermoplastprofile aus Faserbündeln über rippenartige Verstrebungen fachwerkartig miteinander verbindet, um Biege- Zug- und Torsionsspannungen aufzunehmen. Die Verstrebungen werden durch Anspritzen von thermoplastischem und/oder duroplastischem Material gebildet. Die Thermoplast-Profile werden zum Beispiel mit Hilfe eines kontinuierlichen Pultrusionsprozesses vorgefertigt. Die Herstellung dieser Strukturbauteile ist insbesondere mit hohen Fertigungs- und auch Materialkosten für die Verstrebungen verbunden.
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Alternativ zum Verbinden der Faserbündel durch rippenartige Verstrebungen ist es durch die
DE 10 2011 003 747 A1 bekannt, Seilverstärkungen entlang von Lastpfaden dadurch zu positionieren, dass eine flächige Kunststoffmatrix mit den vorgefertigten Seilverstärkungen, die vorzugweise zuvor auf einem Kern angeordnet werden, zum Beispiel durch Aufnähen, Auftackern und/oder Aufkleben verbunden wird. Seilverstärkungen und Kunststoffmatrix müssen in gesonderten Arbeitsgängen erzeugt werden. Die Seilverstärkungen können aus unidirektionalen Faseranordnungen erzeugt werden, die bevorzugt durch Umflechten ihre eigenständige Seilstruktur erhalten. Die nachträgliche Befestigung dieser Seilverstärkungen ist ein weiterer Arbeitsgang und stellt nicht sicher, dass die Anordnung der Seilverstärkungen im Enderzeugnis noch lastpfadgerecht ist.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik stellt sich die durch die Erfindung zu lösende Aufgabe, ein neues Strukturbauteil und ein kostengünstiges Verfahren zu seiner Herstellung vorzuschlagen, wobei zuverlässig die Anordnung von Seilverstärkungen entlang der Lastpfade im Fertigerzeugnis sichergestellt werden soll.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein faserverstärktes Strukturbauteil mit einer Kunststoffmatrix, das entlang von Lastpfaden Seilverstärkungen aus unidirektional angeordneten Fäden besitzt, mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Strukturbauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 4. Die Erfindung ist durch die Merkmale der Ansprüche 2 und 3 sowie 5 bis 13 weitergebildet.
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Nach Anspruch 1 ist vorgesehen, dass die Seilverstärkungen jeweils als gebündelte Stehfäden in ein Geflecht eingebunden sind, wobei die Seilverstärkungen durch das Geflecht so zueinander beabstandet positioniert sind, dass Ihre Lage im Strukturbauteil den Lastpfaden entspricht.
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Dadurch ergibt sich erfindungsgemäß der Vorteil, dass die strukturbestimmende Positionierung der Seilverstärkungen als Teil des Herstellungsprozesses der in die Kunststoffmatrix eingebetteten Faserverstärkung sehr zuverlässig ist. Dabei beabstanden die Geflechtfäden die Seilverstärkunen über ihre gesamte Länge und bilden gleichzeitig eine Art Gitterstruktur, die die Aufnahme von Verformungskräften zwischen den Seilverstärkungen sicherstellt. Durch geeignete Wahl des Verlaufswinkels der Geflechtfäden kann eine Anpassung an die späteren Beanspruchungsrichtungen vorgenommen werden. Dabei ist es auch möglich, zwischen den Seilverstärkungen weitere Stehfäden zur Stabilisierung anzuordnen. Die Gitterstruktur des Geflechts bildet gemeinsam mit den Seilverstärkungen eine Art Skelett- oder Fachwerkstruktur.
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Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, dass mehrere Geflechtlagen übereinander angeordnet sind. Dabei ist deren Anordnung so zu wählen, dass die Seilverstärkungen der einzelnen Lagen auf den Lastpfaden gemeinsam jeweils eine kompakte Seilverstärkung bilden. Die Anordnung ist so zu wählen, dass die Seilverstärkungen der einzelnen Lagen übereinander und/oder nebeneinander liegen, so dass sie einen gemeinsamen Seilquerschnitt bilden. Auch die mehrschichtige Gitterstruktur des zwischen den Seilverstärkungen liegenden Geflechts trägt zur Stabilisierung der gewünschten Gesamtstruktur bei.
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Die Faserauswahl gemäß Anspruch 3 gewährleistet relativ niedrige Kosten, da nur im Bereich der Lastpfade kostenintensive Karbonfäden benutzt werden, während die Gitterstruktur, die im Zwischenbereich wesentlich geringere Kräfte aufnehmen muss, die kostengünstige Verwendung von Glasfasern gestattet.
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Nach dem im Anspruch 4 beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des faserverstärkten Bauteils wird zunächst ein Geflecht hergestellt, in das Seilverstärkungen in Form von unidirektionalen Fadenscharen als Stehfäden eingebunden werden, wobei diese Fadenscharen durch das Geflecht zur Abstandhaltung der durch sie gebildeten Seilverstärkungen positioniert werden, dass dann das Geflecht mit einem Harz durchtränkt wird und dass schließlich mittels eines formgebenden Werkzeugs die Raumform und die räumlich exakte Anordnung der Seilverstärkungen auf den Lastpfaden des Strukturbauteils beim Aushärten des Harzes erzielt und stabilisiert wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren beschränkt sich auf die Verfahrensschritte Geflechtherstellung, Durchtränkung mit Harz und Formgebung/Aushärten. Die Geflechtherstellung ist ein kostengünstiger hochproduktiver Prozess und gewährleistet erfindungsgemäß in einer Prozessstufe die vollständige Bildung der textilen Grundstruktur des Strukturbauteils für die darauffolgende Konsolidierung in einer Kunststoffmatrix.
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Vorteilhaft erfolgt die Formgebung und Konsolidierung durch Nasspressen. Auch dies ist ein kostengünstiger und in einem kurzen Zeitfenster ablaufender Prozess.
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In Weiterbildung der Erfindung wird das Geflecht als Geflechtschlauch auf einem Kern erzeugt, nach dessen Entfernen durch Falten zwei flache Lagen ausgebildet werden können. Die Stehfäden werden beim Flechten so in dem Geflechtschlauch positioniert, dass nach dem Falten des Geflechtschlauchs die Stehfäden aus beiden Lagen derart aneinander zum Liegen kommen, dass sie gemeinsam jeweils Seilverstärkungen ausbilden.
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Auf diese Weise ergeben sich aus dem Geflechtschlauch sofort 2 Geflechtlagen, die jeweils zwei Stehfadenbündel zu einer Seilverstärkung zusammenführen.
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Wird gemäß einer weiteren Modifikation der Geflechtschlauch zur Erzeugung von zwei getrennten gleichen Lagen in seiner Längsrichtung aufgeschnitten, werden Spannungen im Bereich der gefalteten Kanten unterdrückt. Außerdem kann auf diese Weise der Kern leichter entfernt und wiederverwendet werden.
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Gemäß der Erfindung können auch mehrere koaxiale Geflechtschläuche erzeugt und in flache Lagen gelegt werden, die so übereinander angeordnet werden, dass die Stehfäden aus allen Geflechtschläuchen beziehungsweise Geflechtlagen derart aneinander zum Liegen kommen, dass sie gemeinsam jeweils Seilverstärkungen ausbilden.
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Durch diese Anordnung lassen sich die in einer gemeinsamen Seilverstärkung angeordneten Querschnitte so expandieren, dass sich eine höhere Tragfähigkeit der Gesamtstruktur ergibt.
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Die Erzeugung von mehreren Geflechtschläuchen ist dann nicht mit einem zusätzlichen Verfahrensschritt verbunden, wenn sie im gleichen Prozess durch nacheinander angeordnete Flechteinrichtungen kontinuierlich auf dem gleichen Kern erzeugt werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Kern mit einer gekrümmten Form verwendet wird, dessen Krümmung der Form des Strukturbauteils angepasst ist. Dabei werden bereits während des Flechtvorgangs die Fäden so von den Flechtspulen abgezogen, dass sie beim späteren Drapieren der Raumform nahezu keinen Spannungsunterschieden unterliegen. Das Ergebnis ist eine verzugsarme Gesamtstruktur.
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Alternativ wird das Geflecht als flache Litze erzeugt. Dafür ist abweichend von den längs aufgeschnittenen Geflechtschläuchen keine Kantenverfestigung notwendig. Überdies ist ein Kern nicht erforderlich.
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Die Faserauswahl gemäß Anspruch 12 gewährleistet relativ niedrige Kosten, da nur im Bereich der Lastpfade deutlich teurere Karbonfäden benutzt werden, während die Gitterstruktur im Zwischenbereich, die wesentlich geringeren Kräfte aufnehmen muss, aus kostengünstigen Glasfasern hergestellt wird. Anstelle oder ergänzend Karbonfasern wären auch andere hochwertige und hochfeste Fasern wie zum Beispiel Aramidfasern denkbar.
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Wie gemäß Anspruch 13 vorgesehen ist, wird Zuführeinrichtungen für die Stehfäden an der Flechtmaschine gemeinsam mit den unidirektionalen Fadenscharen ein infusionsförderndes Material den Fadenscharen zugeführt.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In den Zeichnungen zeigen:
- - 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Strukturbauteils,
- - 2 einen Ausschnitt x aus 1 in Draufsicht,
- - 3 einen Schnitt durch das Strukturbauteil,
- - 4 einen Ausschnitt y aus 3,
- - 5 Teilansicht einer Radialflechtmaschine und
- - 6 Zuführeinrichtung für Karbonfäden.
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Bei der in 1 gezeigten vereinfachten Ansicht eines erfindungsgemäßen Strukturbauteils 1 könnte es sich beispielsweise um einen Dachspriegel eines PKW handeln. Eine vereinfachte Darstellung wurde vor allem gewählt, da sich die Erfindung nicht auf ein spezielles Bauteil beschränken soll. Im Übrigen wurde aus Übersichtsgründen auf die Darstellung der das Geflecht durchdringenden und diese umgebenden Harzmatrix verzichtet.
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In jedem Fall besitzt das Strukturbauteil 1 eine Art Skelettstruktur, wobei die linienförmigen tragenden Elemente der Skelettstruktur, die hier als Seilverstärkungen 2 bezeichnet wurden und entlang von Lastpfaden 2.1 verlaufen, nicht durch eine rippenartige Anordnung, sondern durch eine gitterartige Geflechtstruktur beabstandet und in ihrer Position festgelegt sind. Ganz wesentlich für die Erfindung ist es, dass diese Seilverstärkungen 2 integraler Bestandteil eines Geflechts 3 sind und im Flechtprozess als unidirektional angeordnete Stehfäden eingebunden wurden. Die Geflechtfäden 8 verlaufen bevorzugt im Winkel von +/- 45°. Jedoch sind in Abhängigkeit von der späteren Beanspruchung auch andere Ablagewinkel denkbar, die insbesondere durch die Vorschubgeschwindigkeit des Geflechts 3 beziehungsweise des Flechtkerns 9 bei der Herstellung eines Geflechtschlauchs beeinflusst werden können. Außerdem ist es möglich, in das Geflecht 3 außerhalb der Seilverstärkungen 2 weitere meist einzelne Stehfäden, die hier nicht gesondert dargestellt sind, einzubinden, wenn dies gemäß der späteren Verwendung sinnvoll erscheint. Dies ändert jedoch nichts daran, dass die Tragfähigkeit des Strukturbauteils 1 sich deutlich überwiegend auf die in eine Kunststoffmatrix eingebundenen und ausgehärteten Seilverstärkungen 2 stützt. Um dies zu gewährleisten, bestehen die unidirektional angeordneten Faserbündel der Seilverstärkungen 2 aus hochtragfähigen Karbonfasern, während die Geflechtstruktur aus Glasfasern besteht, deren Tragfähigkeit für ihren Zweck im Strukturbauteil ausreichend und die vor allem deutlich kostengünstiger sind. Denkbar hierfür wären auch andere kostengünstige Fasern wie Recycling- oder Naturfasern. Die Materialauswahl erfolgt insbesondere abhängig vom Verwendungszweck und Dimension sowie Form des Strukturbauteils.
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Die Einbindung einer Seilverstärkung 2 in das Geflecht 3 ist in 2 als Ausschnitt x der 1 dargestellt. Wie daraus zu erkennen ist, sind die unidirektional angeordneten Karbonfäden 4 durch die Flechtfäden 10 so abgebunden, dass sie in ihrer Position sicher festgelegt werden. Diese Position wird im späteren Prozess der Formgebung und Aushärtung auch räumlich fixiert, so dass sie dann dem räumlichen, gegebenenfalls auch gekrümmten Verlauf der Lastpfade 2.1 entspricht.
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Zur Sicherung der Tragfähigkeit der Gesamtstruktur, vor allem der Zusammenführung von zum Beispiel 40.000 bis 60.000 Karbonfilamenten jeweils zu einer Seilverstärkung 2 und auch der Unterdrückung von Ondulationen der unidirektional angeordneten Karbonfäden 4, ist es sinnvoll, mehrere Geflechtlagen übereinander anzuordnen, wobei mehrere Geflechtlagen im gleichen Prozess erzeugt werden können. Zum einen entstehen nach der Herstellung eines Geflechtschlauchs bereits 2 Lagen, wenn nach dem Entfernen des Flechtkerns der Schlauch zusammengelegt wird. Des Weiteren können 2 koaxiale Geflechtschläuche auf zwei aufeinanderfolgend angeordneten Flechteinrichtungen 6 einer Radialflechteinrichtung auf demselben Flechtkern 9 erzeugt werden. Die dann nach dem Entfernen des Flechtkerns übereinanderliegenden vier Geflechtlagen sind in 3 dargestellt. 4 zeigt in dem Ausschnitt y aus 3, dass die vier Lagen mit unidirektional angeordneten Faserbündeln aus Karbonfasern 4 so übereinander angeordnet werden können, dass sich eine gemeinsame Seilverstärkung 2 ausbildet. Dies setzt natürlich voraus, dass Zuführeinrichtungen 7 der Fadenbündel aus Karbonfasern 4 auf dem Umfang der Radialflechteinrichtung 6 entsprechend angeordnet sein müssen. So müssen sie jeweils gleiche Winkelabstände zu einer Längsfalt- oder Längsschnittlinie aufweisen.
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In 5 ist ein Teil einer Flechteinrichtung 6 mit Tragring 6.1 für umlaufende Klöppel 6.2 und Flechtring 6.3 dargestellt. Die von den Klöppeln 6.2 kommenden Flechtfäden 8, werden auf dem Flechtring 6.2 umgelenkt und erzeugen auf dem Flechtkern 9 einen nicht dargestellten Geflechtschlauch. Auf der Außenseite des Tragrings 6.1 sind acht Zuführeinrichtungen 7 für die bündelweise zugeführten Karbonfäden 4 angeordnet. Eine der Zuführeinrichtungen 7 ist in 6 detaillierter dargestellt. Wie dort zu sehen ist, werden die Karbonfäden 4 in einer kreisförmigen Anordnung zugeführt. In deren Mitte erfolgt in diesem Beispiel die zusätzliche Zuführung eine Drainageelements 5, hier eines saugfähigen Vliesstreifens, der dafür sorgt, dass das Karbonfadenbündel 4 mit dem Ziel der verbesserten Harzaufnahme offener gestaltet ist, wobei auch die Saugfähigkeit des Vliesstreifens der verbesserten Harzaufnahme zuträglich ist.
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Es ist auch möglich, die Karbonfäden 4 bei der Zuführung um den Vliesstreifen oder ein anderes Drainageelement mit geringer Rotationsgeschwindigkeit rotieren zu lassen, wie durch einen Pfeil angedeutet ist. Dadurch könnte das Bündel der Karbonfäden 4 10 bis 20 Drehungen pro Meter erhalten. Daraus würde sich keine störende Kompaktierung ergeben, die das Eindringen des Harzes reduzieren würde. Für die Drehungserteilung müssten Spulen, auf die die Karbonfäden aufgespult sind, zum Beispiel auf einem Drehteller angeordnet werden, der um seinen Mittelpunkt rotiert. Es können auch mehrere Drainageelemente zugeführt werden, deren Anordnung so gewählt wird, dass sie die Harzinfusion in Abhängigkeit von der Dimension der Seilverstärkung optimal unterstützen.
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Die Seilverstärkungen 2 bilden nach dem Aushärten des Harzes stabile Karbonfaserstäbe aus, die mit dem überbrückenden, gemeinsam mit den Seilverstärkungen 2 harzgebundenen Glasfasergeflecht die gewünschte Skelettstruktur ergeben.
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Der Flechtkern 9 kann Längsnuten 9a, 9b aufweisen, die für ein späteres Aufschneiden der Geflechtschläuche genutzt werden könnten, wenn die weitere Verarbeitung nicht in Form der geschlossenen Geflechtschläuche erfolgen soll.
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Alternativ zur Herstellung eines Geflechtschlauches kann das Geflecht als flache Litze auch auf einer Radialflechtmaschine erzeugt werden, indem kein Kern zugeführt wird und die Klöppelspulen keinen vollständigen Umlauf durchführen, sondern in bekannter Weise jeweils an 2 Umkehrpunkten Ihre Bewegungsrichtung ändern. Dadurch erhält man verfestigte Ränder und benötigt keinen Flechtkern. Allerdings besteht dann die Möglichkeit der räumlichen Vorformung als Halbzeug mittels des Flechtkerns nicht.
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So hat die Verwendung eines Flechtkerns in Verbindung mit der Erzeugung von Geflechtschläuchen den Vorteil, dass der Flechtkern bereits der Krümmung der späteren Raumform angepasst sein kann. Dadurch und durch Beeinflussung des Flechtwinkels im Flechtprozess wird erreicht, dass der Flechtwinkel nach dem Drapieren weitgehend gleichbleibend ist und die Fadenspannung keinen größeren Schwankungen unterworfen ist. Bei der Herstellung des Geflechtschlauches mit dem gekrümmten Flechtkern bilden die von den Klöppelspulen abgezogenen Fadenlängen bereits die Raumform ab.
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Das Geflecht 3 mit den Seilverstärkungen 2 ist lediglich ein Halbzeug und wird anschließend mit Harz getränkt. Nach dem Eindringen des Harzes wird vorteilhaft durch Nasspressen mittels eines formgebenden Werkzeugs die Raumform und die räumlich exakte Anordnung der Seilverstärkungen 2 auf den Lastpfaden 2.1 des Strukturbauteils beim Aushärten des Harzes erzielt. Dieses Verfahren ist besonders kostengünstig und wird deshalb dem Resin Transfer Moulding RTM vorgezogen, obwohl dieses im Rahmen der Erfindung auch möglich wäre.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014000302 B4 [0006]
- DE 102013219820 A1 [0007]
- DE 102011003747 A1 [0008]
