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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff sowie ein Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff.
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STAND DER TECHNIK
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Faserverbundwerkstoffe sind mehrphasige Werkstoffe, welche im Allgemeinen aus zwei Hauptkomponenten bestehen, welche durch zugfeste Fasern sowie eine die Fasern einbettende Matrix gebildet werden. Für technische Anwendungen zeichnen sich Faserverbundwerkstoffe durch hervorragende mechanische Eigenschaften aus, insbesondere sehr hohe Zug- und Biegefestigkeit. Im Sinne der vorliegenden Anmeldung umfasst der Begriff des Faserverbundwerkstoffs sowohl Faser-Kunststoff-Verbunde mit Matrizen aus Polymeren, beispielsweise Glasfaser- oder Kohlenstofffaser-verstärkte Kunststoffe wie „bulk moulding compounds“, als auch Verbundwerkstoffe mit anderen Matrixwerkstoffen, insbesondere faserverstärkte Betone, bei welchen beispielsweise Stahlfasern in den Mineralguss eingebracht werden.
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Unverstärkte Betone können nur sehr begrenzt Zugspannungen aufnehmen, daher sind im Stand der Technik vorgenannte faserverstärkte Betone bekannt, insbesondere ultrahochfeste Betone, welche durch Zugabe von Faserelementen, insbesondere aus Stahl, eine erhöhte Zugfestigkeit erreichen. Die Zugabe der Faserelemente führt allerdings zu einer Veränderung der rheologischen Eigenschaften, was sich in einer Verschlechterung der Fließfähigkeit und somit der Verarbeitbarkeit des entsprechenden Frischbetons niederschlägt. Ursächlich ist dabei eine Agglomeration der Faserelemente, die sogenannte Igelbildung, wodurch die Gießeigenschaften des Frischbetons signifikant verschlechtert werden. Zudem resultiert aus der Igelbildung auch eine stark inhomogene Verteilung der Faserelemente in der Zementmatrix, was zur Folge hat, dass die angestrebte Zugfestigkeit des resultierenden Bauteils nicht erreicht wird, da es in Abschnitten geringer Faserkonzentration keine zuglastabtragenden Elemente gibt.
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Zur Verhinderung derartiger Agglomerationen der Faserelemente lehrt die
DE 10 2018 107 926 A1 die Verwendung von Faserelementen aus einer Formgedächtnislegierung. In dem dort offenbarten Verfahren werden die Faserelemente in einer plastisch verformten, kompaktierten Zwischenform in den Mineralguss eingebracht, wobei in dieser Zwischenform ein Verhaken der Faserelemente untereinander verhindert ist, und somit die Vergießbarkeit des Frischbetons gewährleistet bleibt. Nach dem Vergießen erfolgt eine Erwärmung des Frischbetons und oberhalb einer Übergangstemperatur nehmen die Faserelemente aufgrund des Formgedächtniseffekts eine zuvor antrainierte Faserform mit länglicher Erstreckung an, wodurch die gewünschte Steigerung der Zugfestigkeit des ausgehärteten Betons erreicht wird. Nachteilig an diesem Verfahren aus dem Stand der Technik sind die hohen Materialkosten für Faserelemente aus Formgedächtnislegierungen, sowie die im Allgemeinen schlechte Korrosionsbeständigkeit von Formgedächtnislegierungen.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff vorzuschlagen, wobei insbesondere eine gute Verarbeitbarkeit des auszubringenden Faser-Matrix-Gemenges gewährleistet ist.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen gegeben.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass das Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff wenigstens die folgenden Schritte umfasst:
- - Bereitstellen einer Matrix des Faserverbundwerkstoffs,
- - Bereitstellen von Faserelementen, wobei sich die Faserelemente jeweils in einer geometrischen Grundform befinden,
- - elastisches Verformen von wenigstens einem Teil der Faserelemente in eine Zwischenform, in welcher ein Verhaken der Faserelemente miteinander verhindert ist und/oder in welcher die Faserelemente eine kompaktere Gestalt als in der Grundform aufweisen,
- - Fixieren der Faserelemente in der Zwischenform mittels eines Verschlussmittels,
- - Einbringen der Faserelemente in die Matrix zur Bildung eines Faser-Matrix-Gemenges,
- - Ausbringen des Faser-Matrix-Gemenges in eine Form des Bauteils, und
- - Erhalt des Bauteils aus dem Faserverbundwerkstoff nach Ablauf einer Reaktionsdauer, während welcher die Fixierwirkung des Verschlussmittels aufgrund einer chemisch-physikalischen Wechselwirkung des Verschlussmittels mit der Matrix und/oder aufgrund einer Erwärmung des Verschlussmittels aufgehoben wird, so dass die verformten Faserelemente unter Entlastung von der Zwischenform in die Grundform zurückgeführt werden.
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Die Erfindung geht dabei von dem Gedanken aus, dass die Fixierung der Faserelemente in der rheologisch bevorzugten Zwischenform mittels eines separaten Verschlussmittels gewährleistet wird, wodurch die zur Bildung der Faserelemente geeigneten Werkstoffe nicht auf die im Stand der Technik verwendeten Formgedächtnislegierungen beschränkt sind, sondern vielmehr eine große Vielzahl unterschiedlicher Werkstoffe in Frage kommt. Die einzige technische Randbedingung besteht dabei im Vorhandensein einer ausreichenden elastischen Verformbarkeit des Werkstoffs, d.h. es muss gewährleistet sein, dass ein entsprechend hoher Verformungsgrad zur Bildung einer ausreichend kompaktierten Zwischenform gegeben ist und zudem muss die in den verformten Faserelementen gespeicherte elastische Energie ausreichend groß sein, um die Faserelemente unter Entlastung wieder in die unverformte Grundform zurückzuführen oder zumindest einen signifikanten Rückverformungsgrad zu bewirken, beispielsweise um mehr als 50%. Unter dieser Voraussetzung ist es erfindungsgemäß möglich, die Wahl des für die Faserelemente verwendeten Werkstoffes an die spezifischen Anforderungen der jeweiligen technischen Anwendung und des verwendeten Matrixwerkstoffes anzupassen. Dabei können beispielsweise das spezifische Gewicht der Faserelemente, die Korrosionsbeständigkeit, die mechanischen Eigenschaften oder die Material- und Herstellungskosten von Belang sein. In dieser signifikanten Erweiterung der für die Faserelemente einsetzbaren Werkstofftypen unter Beibehaltung der Verarbeitbarkeit des entsprechenden Faser-Matrix-Gemenges besteht ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich zu Verfahren aus dem Stand der Technik.
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In Abhängigkeit von der Werkstoffauswahl können zudem die erfindungsgemäß genutzten elastischen Rückstellkräfte der Faserelemente wesentlich stärker sein als die auf dem Formgedächtniseffekt basierenden Rückstellkräfte von Faserelementen aus dem Stand der Technik. Daher kann die Viskosität der Matrix im erfindungsgemäßen Faser-Matrix-Gemenge größer sein als bei Gemengen aus dem Stand der Technik, ohne dass die Rückführung der verformten Faserelemente in die Grundform dadurch beeinträchtigt wird. Daher besteht erfindungsgemäß auch eine größere Freiheit in der Wahl geeigneter Matrixwerkstoffe bzw. es kann bei der Verwendung eines Mineralgusses zur Bildung eines faserverstärkten Betons ein geringerer Wasseranteil eingestellt werden.
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Entscheidend für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Wahl des Verschlussmittels, welches während des Einbringens der verformten Faserelemente in die Matrix und während des Ausbringens des Faser-Matrix-Gemenges in eine Bauteilform eine ausreichende Fixierwirkung entfalten muss, um die Faserelemente in der Zwischenform zu halten. Anschließend muss gewährleistet sein, dass diese Fixierwirkung während einer ausreichend kurzen Reaktionsdauer aufgehoben wird, sodass die verformten Faserelemente in ihre Grundform zurückkehren, bevor der Verfestigungsprozess des ausgebrachten Faser-Matrix-Gemenges abgeschlossen ist.
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In vorteilhafter Ausführungsform werden die einzelnen Faserelemente zur Bildung der Zwischenform in eine kompaktierte Form, eine Kringelform, eine Spiralform, eine Knäulform oder eine Wickelform verformt. Maßgeblich ist, dass die Zwischenform derart gestaltet ist, dass ein Verhaken der Faserelemente miteinander und somit eine Agglomeration effektiv verhindert wird. Insbesondere sollte die Zwischenform keine frei abstehenden Enden der Faserelemente aufweisen, welche potenziell als Haken fungieren könnten. In der Grundform weisen die Faserelemente beispielsweise eine im Wesentlichen uniaxiale Längserstreckung auf, beispielsweise eine Stabform, zudem können auch komplexere Grundformen verwendet werden, welche zur Aufnahme von multidirektionalen Zugbelastungen geeignet sind. Der Querschnitt der Faserelemente kann beliebig aus einer geeigneten Gestalt gewählt sein, beispielsweise rund, oval oder eckig. Die Wahl des Querschnitts kann beispielsweise aufgrund von funktional-mechanischen Eigenschaften oder der Verformbarkeit oder einem Herstellungsprozess getroffen werden. Gestalt und Durchmesser des Querschnitts können dabei auch entlang der Faserelemente variieren.
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Insbesondere wird das Fixieren der Faserelemente in der Zwischenform mittels des Verschlussmittels unter Bildung einer Klebeverbindung oder eines Formschlusses vollzogen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird das Verschlussmittel mit einem Klebstoff gebildet. Klebstoffe sind organische oder anorganische Substanzen, welche zur Bildung einer Klebeverbindung eine ausgeprägte Adhäsion zu den Fügepartnern aufweisen und zur Ausbildung einer hohen Kohäsion einen Verfestigungsprozess aufgrund einer chemischen Reaktion oder eines physikalischen Vorgangs vollziehen. Der Klebstoff kann beispielsweise zur abschnittsweisen Fixierung der Faserelemente in der Zwischenform, insbesondere unter Bildung einer Klebestelle, verwendet werden oder eine vollumfängliche Umhüllung der verformten Faserelemente bilden. Aus der Vielzahl von verfügbaren Klebstoffen können geeignete Typen ausgewählt werden, welche an die jeweilige Matrix derart angepasst sind, dass sich die beabsichtigte chemisch-physikalische Wechselwirkung zur Aufhebung der Fixierwirkung des Verschlussmittels vollzieht. Beispielsweise kann das Verschlussmittel mit einem Klebstoff gebildet werden, welcher während der Reaktionsdauer aufgrund einer Solvatisierung oder einer Säure-Basen-Reaktion mit der Matrix aufgelöst wird. Des Weiteren gibt es Klebstoffe, welche unter Erwärmung ihre Fixierwirkung verlieren, sodass beispielsweise durch eine gezielte Erwärmung des ausgebrachten Faser-Matrix-Gemenges die Verschlussmittel gelöst werden können. Zudem kann während der Verfestigung des Faser-Matrix-Gemenges eine exotherme Reaktion ablaufen, beispielsweise bei der Hydratation eines Zements, und die dabei freiwerdende Reaktionswärme ist beispielsweise ausreichend, um den Klebstoff aufzulösen bzw. in hinreichendem Maße zu schwächen. Die Bildung einer kleinräumigen Klebestelle mit einem ausreichend starken Klebstoff zur Fixierung der verformten Faserelemente bietet den Vorteil eines verhältnismäßig geringen Klebstoffbedarfs, so dass nach Auflösen des Klebstoffs im letztlich gebildeten Faserverbundwerkstoff nur ein geringer Anteil an entsprechenden Rückständen vorliegt.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Verschlussmittel mit einem Kunststoff, einem Papier, einem Klebeband, einem Wachs oder einem Harz gebildet. Derartige Verschlussmittel sind insbesondere zur Fixierung der verformten Faserelemente unter Bildung eines Formschlusses geeignet. Beispielsweise können polymerbasierte Folien oder Papier zur Umhüllung der Faserelemente in der Zwischenform verwendet werden, beispielsweise nach Art der Umwicklung von Münzgeldrollen. Beispielsweise können mittels 3D-Druckverfahren maßgeschneiderte Verschlussringe nach Art von Uhrenfederverschlüssen gefertigt werden, etwa aus wasserlöslichem Polyvinylalkohol. Die chemisch-physikalische Wechselwirkung mit der Matrix besteht beispielsweise im Falle der Verwendung von Papier in einem Aufquellen, welches mit einer Schwächung der Festigkeit des Papiers einhergeht, bis die Rückstellkraft der elastisch verformten Faserelemente ausreichend groß ist, um die Faserelemente in die Grundform zurückzuführen. Alternativ können die verformten Faserelemente auch in verfestigten Tropfen von niedrigschmelzenden Kunststoffen, Harzen oder Wachs eingeschlossen sein, wobei eine Erwärmung des zugehörigen Faser-Matrix-Gemenges zu einem Erweichen oder Schmelzen des Verschlussmittels und folglich zu einer Entformung der Faserelemente in die Grundform führt.
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Beispielsweise können die Faserelemente nach Art von Sicherheitsnadeln geformt sein, deren Verschluss etwa aus einem aus einem Kunststoff gebildeten Verschlussmittel besteht, welches unter chemisch-pysikalischer Wechselwirkung mit der Matrix oder durch Wärme geöffnet wird.
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Vorzugsweise werden die Faserelemente zur Fixierung in der Zwischenform abschnittsweise oder vollumfänglich von dem Verschlussmittel umhüllt. Eine abschnittsweise Umhüllung kann beispielsweise ausreichend sein, wenn die Faserelemente in der Zwischenform eine im Wesentlichen planare Gestalt aufweisen, beispielsweise in Form eines Kringels oder einer Spirale, welche dann umfänglich durch ein Verschlussmittel nach Art eines Uhrenfederbandes zusammengehalten wird.
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In weiterer vorteilhafter Ausführungsform können mehrere Faserelemente zu Gruppen angeordnet werden, wobei die Gruppen zur Fixierung der Faserelemente in der Zwischenform abschnittsweise oder vollumfänglich von dem Verschlussmittel umhüllt werden. Beispielsweise können in den Gruppen jeweils Faserelemente in der Zwischenform und Faserelemente in der Grundform angeordnet werden. Eine derartige Gruppierung von Faserelementen bietet insbesondere herstellungsseitige Vorteile. Bei einer Mischung von Faserelementen in der Zwischenform und solcher in der Grundform in den Gruppen führt die elastische Rückführung der verformten Faserelemente in die Grundform vorzugsweise auch zu einem Dispergieren der unverformten Faserelemente innerhalb der Matrix.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff, hergestellt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in einer der vorgenannten Ausführungsformen, wobei die Faserelemente einen Federstahl oder einen Kunststoff aufweisen, oder Glasfasern, Kohlenstofffasern oder Naturfasern umfassen. Naturfasern können beispielsweise Bambus oder Flachs umfassen. Die detaillierte Wahl des Werkstoffs der Faserelemente hängt sowohl von dem für die Matrix verwendeten Werkstoff ab, als auch von der beabsichtigten technischen Anwendung des Bauteils. Gegebenenfalls können auch geeignete Kombinationen von Faserelementen aus unterschiedlichen Werkstoffen zum Einsatz kommen.
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Vorzugsweise weist die Matrix des das Bauteil bildenden Faserverbundwerkstoffs einen Mineralguss, einen Zement, einen Kunststoff, eine Keramik, ein Metall oder Lehm auf. Das erfindungsgemäße Bauteil kann somit beispielsweise ein tragendes Bauteil aus einem Beton darstellen oder aber eine spritzgegossene Komponente oder ein Extrusionsprofil beispielsweise aus einem „bulk molding compound“. Exotischere Faserverbundwerkstoffe sind beispielsweise aus Wolfram- oder Edelstahlfasern in Aluminium-Magnesium-Legierungen gebildet, oder als ökologischer Baustoff etwa mit Bambusfasern in Lehm.
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Figurenliste
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 2a, 2b Ansichten einer Gruppe von fixierten Faserelementen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens 100.
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Darin bestehen die ersten Verfahrensschritte im Bereitstellen 101 einer Matrix 11 und im Bereitstellen 102 von Faserelementen 12, welche sich in der geometrischen Grundform 12a befinden, im vorliegenden Fall in einer Stäbchenform. Die Matrix 11 wird hier beispielhaft durch einen Mineralguss gebildet, d.h. durch eine Mischung aus einem Zement mit einer Gesteinskörnung sowie beispielsweise noch weiteren Zuschlagsstoffen. Die Faserelemente 12 weisen vorzugsweise einen elastischen Federstahl auf und haben beispielsweise eine Längserstreckung von einigen Millimetern.
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Der nächste Verfahrensschritt besteht im elastischen Verformen 103 von wenigstens einem Teil der Faserelemente 12 in eine Zwischenform 12b, welche hier beispielhaft als eine Kringelform ausgebildet ist. Im Gegensatz zu den Faserelementen 12 in der Grundform 12a ist in dieser Zwischenform 12b ein Verhaken der Faserelemente 12 untereinander verhindert, sodass eine Igelbildung unter Agglomeration einer Vielzahl von Faserelementen 12 effektiv verhindert ist.
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Zum anschließenden Fixieren 104 der Faserelemente 12 in der Zwischenform 12b kommt das Verschlussmittel 2 zum Einsatz, welches im vorliegenden Beispiel als ein Klebstoff 21 ausgebildet ist, welcher die Faserelemente 12 randseitig entlang des Außenumfangs umhüllt und somit in der Zwischenform 12b fixiert wird. Alternativ könnte das Verschlussmittel unter Verwendung eines Klebstoffs auch durch eine Klebestelle zwischen den zueinander gebogenen Enden der Faserelemente 12 ausgebildet sein, oder ein Einschluss der Faserelemente 12 in einem verfestigten Tropfen aus einem Kunststoff, einem Harz oder Wachs.
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Der nächste Verfahrensschritt besteht im Einbringen 105 der fixierten Faserelemente 12 in die Matrix 11 unter Bildung des Faser-Matrix-Gemenges 10. Dieses Faser-Matrix-Gemenge 10 ist aufgrund der kompakten Zwischenform 12b der Faserelemente 12 mit für die weitere Verarbeitung geeigneten rheologischen Eigenschaften versehen, insbesondere weist der daraus unter Wasserzugabe gebildete Frischbeton eine gute Vergießbarkeit auf.
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Das Ausbringen 106 des Faser-Matrix-Gemenges 10, d.h. des Frischbetons, in eine Form des Bauteils erfolgt somit ohne störende Igelbildung durch Agglomeration der Faserelemente 12. Unter chemischer Wechselwirkung mit der Matrix 11, beispielsweise Solvatisierung oder einer Säure-Base-Reaktion, kommt es während der Reaktionsdauer t zu einer Zersetzung des Klebstoffs 21 und somit zu einer Schwächung bzw. vollständigen Aufhebung der auf die verformten Faserelemente 12 ausgeübten Fixierwirkung. Dieser Zersetzungsvorgang wird zusätzlich oder alternativ noch durch die Erwärmung Q beeinflusst, welche beispielsweise aus der bei der Hydratation des Zements freiwerdenden Reaktionswärme stammen kann oder aber gegebenenfalls auch durch eine gezielte Erwärmung des Bauteils mittels technischer Hilfsmittel. In Folge der Abschwächung bzw. der Aufhebung der Fixierwirkung des sich zersetzenden Verschlussmittels 2 kehren die Faserelemente 12 unter Entlastung, d.h. unter Freisetzung der gespeicherten elastischen Verformungsenergie, von der Zwischenform 12b in die ursprüngliche Grundform 12a zurück.
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Es folgt somit der Erhalt 107 des Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff 1, in welchem die Faserelemente 12 in der funktionalen Grundform 12a, d.h. in länglicher Erstreckung zur Aufnahme von Zugbelastungen, in der Matrix 11 homogen verteilt vorliegen.
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Die 2a und 2b zeigen Ansichten einer Gruppe 13 von Faserelementen 12, welche durch ein gemeinsames Verschlussmittel 2 fixiert sind. Die 2a zeigt eine Draufsicht und die 2b eine Seitenansicht als perspektivische Schnittdarstellung.
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Die Gruppe 13 umfasst einen Stapel von mehreren Faserelementen 12 in der Zwischenform 12b, in welcher die Faserelemente 12 die Form einer ebenen Spirale aufweisen. Darin sind weitere Faserelemente 12 in der stabförmigen Grundform 12a angeordnet. Die Gruppe 13 wird fixiert durch das Verschlussmittel 2 in Form eines Papiers 22, welches die Gruppe 13 vollumfänglich umhüllt. Alternativ könnte hier beispielsweise eine polymerbasierte Folie als ein die Gruppe 13 umhüllendes Verschlussmittel angewendet werden.
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Nach dem Einbringen der Gruppe 13 in eine Matrix besteht die chemisch-physikalische Wechselwirkung insbesondere darin, dass das Papier 22 unter Aufnahme von Flüssigkeit, beispielsweise von Wasser aus einem Frischbeton, aufquillt und nach Ablauf der Reaktionszeit seine Fixierwirkung verliert. Dann gehen die übereinander gestapelten Faserelemente 12 aus der Zwischenform 12b unter Entlastung in die stabförmige Grundform 12a über. Dabei werden die in dem Stapel angeordneten Faserelemente 12, welche in der Gruppe 13 bereits in der Grundform 12a vorlagen, von den sich entlastenden Faserelementen 12 mitgeführt und in der umgebenden Matrix verteilt, so dass der Faserverbundwerkstoff nach Ablauf der Reaktionszeit ein Gefüge mit dispergierten Faserelementen 12 in der Grundform 12a aufweist.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Verfahren
- 1
- Faserverbundwerkstoff
- 10
- Faser-Matrix-Gemenge
- 11
- Matrix
- 12
- Faserelement
- 12a
- Grundform
- 12b
- Zwischenform
- 13
- Gruppe
- 2
- Verschlussmittel
- 21
- Klebstoff
- 22
- Papier
- 101
- Bereitstellen der Matrix
- 102
- Bereitstellen der Faserelemente
- 103
- Verformen der Faserelemente
- 104
- Fixieren der Faserelemente
- 105
- Einbringen der Faserelemente
- 106
- Ausbringen des Faser-Matrix-Gemenges
- 107
- Erhalt des Faserverbundwerkstoffs
- t
- Reaktionsdauer
- Q
- Erwärmung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018107926 A1 [0004]
