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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Bauteil.
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Die
Faserverstärkung
eines Bauteils wird zur Verbesserung der Festigkeit und Steifigkeit
eingesetzt. Es können
Fasern mit niedrigem Gewicht wie beispielsweise Kohlefasern verwendet
werden. Kohlenstofffasern weisen sehr gute Werkstoffeigenschaften
auf. Durch die Faserverstärkung
lässt sich
das Bauteil gezielt an eine Anwendung anpassen und optimieren.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
genannten Art bereitzustellen, mit dem sich ein faserverstärktes Bauteil
auf einfache Weise mit optimierten Eigenschaften herstellen lässt.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass mindestens eine Faserverstärkungsstruktur
in ihrer Endgestalt durch mindestens ein Fasergebilde und einen
Imprägnierwerkstoff
hergestellt wird, wobei die Formstabilität des mindestens einen Fasergebildes
durch den Imprägnierwerkstoff bewirkt
wird, und das Bauteil mittels eines polymerisierbaren Trägerwerkstoffs
hergestellt wird, in welchem die mindestens eine Faserverstärkungsstruktur eingebettet
wird, wobei der Imprägnierungswerkstoff und
der Trägerwerkstoff
der gleiche Werkstoff sind.
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Erfindungsgemäß wird zunächst eine
formstabile Faserverstärkungsstruktur
hergestellt, welche ihre endgültige
räumlich-geometrische
Gestalt aufweist. Die Faserverstärkungsstruktur
umfasst einen Matrixwerkstoff, nämlich
den Imprägnierungswerkstoff,
welcher die Formstabilität
bewirkt.
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Anschließend wird
das Bauteil mittels eines polymerisierbaren Trägerwerkstoffs wie beispielsweise
eines thermoplastischen Trägerwerkstoffs
hergestellt. Der Imprägnierungswerkstoff
und der Trägerwerkstoff
sind der gleiche Werkstoff. Dadurch lässt sich die Matrix der Faserverstärkungsstruktur
mit dem Trägerwerkstoff
(als Matrix für
die mindestens eine Faserverstärkungsstruktur)
verbinden. Dadurch erhält
man eine gute Anbindung der Faserverstärkungsstruktur an den Rest
des Bauteils.
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Bei
dem mindestens einen Fasergebilde kann es sich um einen Faserstrang
oder Fasergewebe oder Fasergewirke oder Faservlies handeln. Die Fasern
in dem mindestens einen Fasergebilde der Faserverstärkungsstruktur
sind dabei so angeordnet, dass das hergestellte Bauteil angepasst
an die entsprechende Anwendung eine optimierte Steifigkeit und Festigkeit
aufweist.
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Beispielsweise
umfasst das mindestens eine Fasergebilde Carbonfasern. Carbonfasern
weisen bei geringem Gewicht gute Werkstoffeigenschaften auf.
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Insbesondere
sind Fasern in dem mindestens einen Fasergebilde unidirektional
orientiert. Dadurch kann eine Kraftableitung optimiert werden, um eine
hohe Steifigkeit und Festigkeit für das Bauteil zu erhalten.
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Günstig ist
es, wenn die mindestens eine Faserverstärkungsstruktur durch Vorkonsolidierung
des Imprägnierungswerkstoffs
unterhalb dessen Polymerisationstemperatur hergestellt wird. Es
soll eine Teilvernetzung des Imprägnierungswerkstoffs aber noch keine
vollständige
Vernetzung erfolgen. Beispielsweise wird als Imprägnierungswerkstoff
CBT eingesetzt und als ausgehärteter
Trägerwerkstoff
pCBT. Dadurch erhält
man eine formstabile Faserverstärkungsstruktur,
welche ihre räumlich-geometrische Endgestalt
hat. Das Matrixmaterial (der Imprägnierungswerkstoff) lässt sich
gemeinsam mit dem Trägerwerkstoff
verflüssigen
und Aushärten.
Dadurch wiederum lässt
sich die Matrix der Faserverstärkungsstruktur
mit dem Trägerwerkstoff
des Bauteils verbinden und insbesondere einstückig verbinden.
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Bei
einer Ausführungsform
will die mindestens eine Faserverstärkungsstruktur in einer Fasergebilde-Vorstruktur
mit aufgeschmolzenem Imprägnierungswerkstoff
zur Herstellung der endgültigen Faserverstärkungsstruktur
beaufschlagt. Die Beaufschlagung erfolgt dabei vorzugsweise, wenn
die räumlich geometrische
Endgestalt erreicht ist. Es lässt
sich dadurch eine Matrixstruktur an dem oder den Fasergebilden ausbilden,
welche für
die Formstabilität
sorgt. Es wird dabei jedoch darauf geachtet, dass keine Polymerisation
stattfindet, um später
eine Verbindung mit dem Trägerwerkstoff
herstellen zu können.
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Insbesondere
wird die mindestens eine Faserverstärkungsstruktur als formstabile
handhabbare Einheit hergestellt. Sie kann dann anschließend beispielsweise
in einer Form positioniert werden.
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Günstig ist
es, wenn das Bauteil mittels einer Form hergestellt wird. Bei dem
Trägerwerkstoff
handelt es sich insbesondere um einen thermoplastischen Kohlenstoff.
Es lässt
sich dadurch die endgültige
Form des Bauteils herstellen, wobei keine Nachbearbeitung notwendig
ist oder die notwendige Nachbearbeitung minimierbar ist.
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Insbesondere
wird die mindestens eine Faserverstärkungsstruktur in die Form
eingelegt. Diese lässt
sich dann mit Trägerwerkstoff
umgeben, um die mindestens eine Faserverstärkungsstruktur in den Trägerwerkstoff
einzubetten.
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Bei
einer Ausführungsform
wird das Bauteil über
Spritzgießen
des Trägerwerkstoffs
hergestellt. Dadurch lässt
sich das Bauteil auf einfache Weise herstellen, wobei sich eine
Vielzahl an Bauteilen mit minimiertem Zeitaufwand herstellen lässt.
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Insbesondere
wird das Bauteil mittels Erwärmung
des Trägerwerkstoffs
und Imprägnierungswerkstoffs
hergestellt. Die Erwärmung
des Imprägnierungswerkstoffs
kann dabei durch Kontakt mit heißem Trägerwerkstoff erfolgen. Durch
die Erwärmung des
Trägerwerkstoffs
kann ein Polymerisationsvorgang initiiert werden.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn die Erwärmung derart durchgeführt wird,
dass dünnflüssiger Trägerwerkstoff
die mindestens eine Faserverstärkungsstruktur
umfließen
kann. Dadurch kann die mindestens eine Faserverstärkungsstruktur
in den Trägerwerkstoff
eingebettet werden. Weiterhin kann heißer dünnflüssiger Trägerwerkstoff das Matrixmaterial
der mindestens einen Faserverstärkungsstruktur
erhitzen, so dass dieses ebenfalls flüssig wird.
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Es
ist dann günstig,
wenn die Erwärmung derart
durchgeführt
wird, dass der Imprägnierungswerkstoff
sich verflüssigen
kann. Dadurch ist es möglich,
eine Verbindung zwischen dem Matrixmaterial der mindestens einen
Faserverstärkungsstruktur
und dem Trägerwerkstoff
zu erzielen.
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Weiterhin
ist es günstig,
wenn die Erwärmung
so durchgeführt
wird, dass der Trägerwerkstoff und
der Imprägnierungswerkstoff
polymerisieren können.
Dadurch erhält
man ein Bauteil mit einem ausgehärteten
Matrixmaterial, welches eine insbesondere einstückige Verbindung zwischen dem
Matrixmaterial der mindestens einen Faserverstärkungsstruktur und dem Imprägnierungswerkstoff
ist.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
ist der Imprägnierungswerkstoff
CBT (Cyclo-Butylen-Therephthalat)
und der Trägerwerkstoff
pCBT. Dieser Werkstoff lässt
sich ohne Polymerisation vorkonsolidieren, um einen Imprägnierungswerkstoff
zur Realisierung einer formstabilen Faserverstärkungsstruktur. Ferner lässt sich
dieser Werkstoff durch Spritzgießen verarbeiten. Ein weiterer
möglicher
Werkstoff ist Gusspolyamid.
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Insbesondere
wird der Trägerwerkstoff
auf eine Temperatur im Bereich zwischen ca. 175°C und 195°C erhitzt. Dadurch lässt sich
der Trägerwerkstoff verflüssigen,
damit die Faserverstärkungsstruktur umflossen
werden kann, und er lässt
sich polymerisieren.
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Der
Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil bereitzustellen,
welches faserverstärkt
ist und bei welchem die Faseranbindung für den Rest des Bauteils optimiert
ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass das Bauteil einen polymerisierten Trägerwerkstoff umfasst, in welchen
mindestens eine Faserverstärkungsstruktur
eingebettet ist, wobei die Faserverstärkungsstruktur mindestens ein
Fasergebilde aufweist und Fasern des mindestens einen Fasergebildes
in einer Matrix aus polymerisiertem Trägerwerkstoff eingebettet sind.
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Das
erfindungsgemäße Bauteil
weist eine Matrix aus einem Kunststoff und insbesondere thermoplastischen
Kunststoff auf, welche auch eine Fasermatrix ist.
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Dadurch
erhält
man eine optimierte Anbindung der Fasern an den Rest des Bauteils,
wobei der Rest des Bauteils den polymerisierten Trägerwerkstoff
umfasst.
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Bei
dem Imprägnierungswerkstoff
handelt es sich beispielsweise um CBT und bei dem Trägerwerkstoff
handelt es sich beispielsweise um CBT oder pCBT.
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Günstig ist
es, wenn die Fasern Carbonfasern sind. Diese weisen bei geringem
Gewicht vorteilhafte Werkstoffeigenschaften auf.
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Es
ist ferner günstig,
wenn die Fasern unidirektional sind. Dadurch lassen sich auf das
Bauteil wirkende Kräfte
optimiert ableiten. Die Fasern sind dabei insbesondere straff in
dem Bauteil angeordnet.
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Die
nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang
mit der Zeichnung der näheren
Erläuterung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
und des erfindungsgemäßen Bauteils.
Es zeigen:
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1(a), (b), (c) schematisch verschiedene Verfahrensschritte
zur Herstellung eines erfindungsgemäßen faserverstärkten Bauteils;
und
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2 eine
schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten Bauteils.
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Mittels
des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich
ein Bauteil herstellen, welches faserverstärkt ist.
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Es
wird dabei zunächst
(mindestens) eine Faserverstärkungsstruktur 10 hergestellt
(1(b)), welche ein oder mehrere Fasergebilde
umfasst und ihre endgültige
Gestalt aufweist. Die Endgestalt der Faserverstärkungsstruktur 10 ist
insbesondere in ihrer räumlich-geometrischen
Struktur festgelegt.
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Es
wird dabei zunächst
mittels eines oder mehreren Fasergebilden 12 eine Fasergebilde-Vorstruktur 14 (1(a)) hergestellt.
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Bei
einem Fasergebilde 12 handelt es sich beispielsweise um
einen Faserstrang (Faserbündel oder
Roving), welcher ein Bündel
von insbesondere endlosen, gestreckten Fasern (Filamenten) ist.
Es kann sich beispielsweise auch um ein Fasergewebe, Fasergewirke
oder Faservlies handeln.
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Die
Fasergebilde-Vorstruktur 14 wird entsprechend dem Kräfteverlauf
an dem hergestellten Bauteil ausgebildet, um eine optimierte Verstärkung bezüglich den
an dem fertigen Bauteil erwarteten Kräften zu erhalten.
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Ein
Fasergebilde 12 umfasst insbesondere unidirektionale Fasern
wie beispielsweise Kohlenstofffasern.
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Die
Fasergebilde-Vorstruktur 14 wird beispielsweise mittels
einer Vorrichtung hergestellt, welche eine Fasergebilde-Ablegungseinrichtung
umfasst. Ein Beispiel einer solchen Vorrichtung ist in der deutschen
Patentanmeldung mit dem Titel "Vorrichtung
und Verfahren zur Herstellung einer Faserstruktur" des gleichen Anmelders
mit gleichem Anmeldetag beschrieben.
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Beispielsweise
wird das Fasergebilde 12 oder werden die Fasergebilde 12 gespannt
abgelegt.
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Die
Faserverstärkungsstruktur 10 wird
aus der Fasergebilde-Vorstruktur 14 dadurch erzeugt, dass
die Fasergebilde-Vorstruktur 14 mittels eines Matrixmaterials
konsolidiert wird, um sie in ihrer Endgestalt zu halten. Die Konsolidierung
erfolgt durch einen Imprägnierungswerkstoff
als Matrixmaterial, beispielsweise wird ein thermoplastisches Matrixmaterial
verwendet. In 1(b) ist die Beaufschlagung
der Fasergebilde-Vorstruktur 14 mit Imprägnierungswerkstoff
durch Besprühen
mittels einer oder mehreren Düsen 18 mit
dem Imprägnierungswerkstoff schematisch
gezeigt.
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Die
Verfahrensdurchführung
erfolgt dabei derart, dass der Imprägnierungswerkstoff nicht polymerisiert,
d. h. unterhalb der Polymerisationstemperatur des Imprägnierungswerkstoffs.
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Es
ist dabei grundsätzlich
auch möglich, dass
die Fasergebilde-Vorstruktur 14 bereits mit dem Imprägnierungswerkstoff
vorbehandelt ist und durch Erhitzen (unterhalb der Polymerisationstemperatur) eine
Konsolidierung durchgeführt
wird.
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Das
Ergebnis dieses Verfahrensschritts ist – nach Konsolidierung des Imprägnierungswerkstoffes – die formstabile
Faserverstärkungsstruktur 10,
welche ihre räumlich-geometrische
Endgestalt aufweist und als Ganzes handhabbar ist. Der Imprägnierungswerkstoff
fixiert das oder die Fasergebilde 12 in der Faserverstärkungsstruktur 10 und
sorgt für
die Formstabilität
der Faserverstärkungsstruktur 10.
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Das
Bauteil wird anschließend
durch Einbetten der mindestens einen Faserverstärkungsstruktur 10 in
einen Trägerwerkstoff 20 hergestellt.
Bei dem Trägerwerkstoff 20 handelt
es sich um ein polymerisierbares Material und insbesondere um ein
thermoplastisches Material.
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Es
wird (mindestens) eine Faserverstärkungsstruktur 10 in
eine Form 22 eingelegt, bei der es sich insbesondere um
eine Spritzgussform handelt. Der Trägerwerkstoff 20 wird
so erhitzt und so in die Form 22 eingebracht, dass er die
Faserverstärkungsstruktur 10 umfließen kann,
um diese einzubetten. Es erfolgt dabei eine Erhitzung über die
Polymerisationstemperatur, so dass der Trägerwerkstoff 20 polymerisieren
kann.
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Die
Verfahrensführung
ist dabei derart, dass das Matrixmaterial der Faserverstärkungsstruktur 10 ebenfalls
aufschmilzt und sich verflüssigt.
Weiterhin kann dann dieses Matrixmaterial polymerisieren.
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Das
Matrixmaterial (d. h. der Imprägnierungswerkstoff)
der Faserverstärkungsstruktur 10 und
der Trägerwerkstoff 20 sind
das gleiche Material. Bei der Herstellung des Bauteils in der Form 22,
bei welcher der Imprägnierungswerkstoff
und der Trägerwerkstoff 20 durch
Polymerisation aushärten,
wird dadurch eine "einstückige" Verbindung zwischen dem
Matrixmaterial der Faserverstärkungsstruktur 10 und
dem Trägerwerkstoff 20 erreicht.
Dadurch erhält man
eine gute Anbindung von Fasern des oder der Fasergebilde 12,
da der Imprägnierungswerkstoff und
der Trägerwerkstoff 20 der
gleiche Werkstoff sind.
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Beispielsweise
wird als Trägerwerkstoff 20 CBT
oder pCBT und Imprägnierungswerkstoff
CBT (Cyclo-Butylen-Therephthalat) eingesetzt. Die Erhitzung zur
Einbettung der Faserverstärkungsstruktur 10 in
der Form 22 wird dabei vorzugsweise in einem Temperaturbereich
zwischen ca. 175°C
und 195°C und
insbesondere zwischen 180°C
und 190°C
durchgeführt.
Beispielsweise wird heißer
Trägerwerkstoff 20 mit
einer Temperatur in dem genannten Temperaturbereich in die Form 22 eingeführt. Der
dünnflüssige Trägerwerkstoff
kann dann die Verstärkungsstruktur 10 umfließen; diese
wird dann in den Trägerwerkstoff 20 eingebettet.
Gleichzeitig wird das Matrixmaterial (der Imprägnierungswerkstoff) der Faserverstärkungsstruktur 10 verflüssigt und
verbindet sich mit dem eingespritzten Trägerwerkstoff 20.
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Der
Trägerwerkstoff 20 und
der Imprägnierungswerkstoff
polymerisieren.
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Das
fertige Bauteil mit integrierter Faserverstärkung durch die Faserverstärkungsstruktur 10 kann
dann aus der Form 22 entnommen werden.
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Eventuell
werden noch nachträgliche
Bearbeitungsschritte an dem Bauteil durchgeführt.
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Das
Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist ein Bauteil, welches eine Faserverstärkungsstruktur 10 umfasst,
wobei die Faserverstärkungsstruktur 10 beispielsweise
eine dreidimensionale Gestalt hat. Das Matrixmaterial der Faserverstärkungsstruktur 10 ist
mit dem Trägerwerkstoff 20 des
Bauteils, in welchem die Faserverstärkungsstruktur 10 eingebettet
ist, "einstückig" verbunden.
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Das
Bauteil weist eine einheitliche Matrix auf, welche mittels des Trägerwerkstoffs 20 gebildet
ist.
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Die
Vorimprägnierung
der Fasergebilde-Vorstruktur 14 zur Herstellung der Faserverstärkungsstruktur 10 bewirkt
durch die Konsolidierung des Imprägnierungswerkstoffs als Matrixwerkstoff
die Formstabilität
der Faserverstärkungsstruktur 10.
Die Auspolymerisation der Matrix der Faserverstärkungsstruktur 10 erfolgt
in der Form 22 gemeinsam mit der Auspolymerisation des
Trägerwerkstoffs 20.
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Ein
alternativer Werkstoff für
den Trägerwerkstoff 20 und
den Imprägnierungswerkstoff
ist Gusspolyamid.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich
beispielsweise ein Federbeindom 24 (2) für ein Fahrzeug
herstellen. Der Federbeindom 24 ist aus dem Trägerwerkstoff 20 hergestellt,
in welchen (mindestens) eine Faserverstärkungsstruktur 26 eingebettet
ist. Die Faserverstärkungsstruktur 26 umfasst
eine Matrix aus einem thermoplastischen Material, wobei dieses thermoplastische
Material das gleiche Material ist wie der Trägerwerkstoff 20. Bei dem
gezeigten Ausführungsbeispiel
umfasst die Faserverstärkungsstruktur 26 einen
oder mehrere Faserstränge 28 an
Zugfasern 30, welche straff und insbesondere gespannt angeordnet
sind und dabei so in dem Federbeindom 24 positioniert sind,
dass sich bei den auftretenden Kräften eine hohe Steifigkeit
ergibt.
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Die
(Zug-)Fasern der Faserstränge 28 sind beispielsweise
unidirektionale Carbonfasern.
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Es
kann dabei vorgesehen sein, dass ein oder mehrere Bereiche des Federbeindoms 24,
auf den größere Kräfte wirken,
mit einem Verstärkungsblech
versehen sind, um die Fasern der Faserverstärkungsstruktur 26 vor
Querkräften
zu schützen. Beispielsweise
ist im Auflagenbereich einer Feder an dem Federbeindom 24 ein
entsprechendes Verstärkungsblech 92 angeordnet.
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Der
Federbeindom 24 ist an einem Längsträger 34 fixiert. Er
umfasst ferner einen Federteller 36, an welchem sich eine
Federbeinfeder, welche in 2 mit dem
Bezugszeichen 38 angedeutet ist, innen abstützt. Die
Federbeinfeder 38 ist insbesondere als Schraubenfeder ausgebildet.
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Die
Faserverstärkungsstruktur 26 verbindet den
Federteller 36 und den Längsträger 34 kräftemäßig derart,
dass Zugkräfte
aufnehmbar sind; diese Zugkräfte
werden insbesondere durch die Federbeinfeder 38 auf den
Federteller ausgeübt.
Die Faserverstärkungsstruktur 26 ist
dazu in den Federbeindom 24 integriert und zwischen dem
Längsträger 34 und dem
Federteller 36 angeordnet.
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In
dem gezeigten Ausführungsbeispiel
ist die Faserverstärkungsstruktur 26 durch
den Federteller 36 geführt.
Es ist auch möglich,
dass sie nur bis in den Federteller 36 geführt ist
und nicht durch diesen hindurch.
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Die
Faserstränge 28 mit
den Zugfasern 30 sind in Schlaufen 40, 42 geführt. Beispielsweise
liegen Schlaufen 40, 42 in dem Bereich des Federbeindoms 24,
an dem dieser an dem Längsträger 34 fixiert
ist.
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Es
kann auch vorgesehen sein, dass die Faserstränge 28 Schlaufen in
dem Bereich aufweisen, in welchem sie bis zu dem Federteller 36 geführt sind (in 2 nicht
gezeigt).