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Die Erfindung betrifft ein Faserverbundbauteil sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils, insbesondere ein Fahrzeugkarosserieteil.
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Faserverbundbauteile werden für vielfältige Einsatzzwecke in Fahrzeugen genutzt, so beispielsweise im Bereich der Innenverkleidung, aber auch für eine Spritzwand, die eine Fahrgastzelle vom Motorraum trennt. Es gibt auch erste Fahrzeuge mit tragenden Karosserieteilen aus Kohlefaserbauteilen.
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Gleichzeitig werden immer mehr elektrische und elektronische Komponenten im Fahrzeug verbaut. Diese werden bisher über einen mit einer zentralen Batterie verbundenen Kabelbaum elektrisch kontaktiert. Der Kabelbaum wird bei der Montage als einer der ersten Arbeitsschritte in die Rohkarosse eingebaut. Die positionsgenaue Verlegung der einzelnen Kabel des Kabelbaums ist aufwendig und erfordert diverse Kabelkanäle und eine Vielzahl von Clipsen und Kabelbindern.
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Aufgabe der Erfindung ist es, das Verlegen elektrischer Leitungen im Fahrzeug zu vereinfachen und den Zeitaufwand zu reduzieren.
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Erfindungsgemäß wird dies mit einem Faserverbundbauteil erreicht, mit einem Körper aus einer Kunststoffmatrix, in die verstärkende Fasern eingebettet sind, sowie zumindest einem elektrisch leitenden Element, das eine durchgängige elektrische Verbindung von zumindest einem elektrischen Eingangsende zu zumindest einem elektrischen Ausgangsende ermöglicht, die beide außerhalb des Körpers liegen, wobei das zumindest eine elektrisch leitende Element in das Faserverbundbauteil integriert ist. Durch die Integration von elektrisch leitenden Strukturen in ein Faserverbundbauteil direkt bei der Herstellung des Faserverbundbauteils lassen sich die Notwendigkeit für das separate Verlegen elektrischer Leitungen im Fahrzeug deutlich reduzieren und Montagearbeit einsparen.
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Das Faserverbundbauteil kann beispielsweise Teil einer Innenverkleidung, eines tragenden Karosserieteils oder einer Spritzwand sein.
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Als verstärkende Fasern kommen z. B. Kohlefasern, Glasfasern, Kunststoffasern oder Basaltfasern infrage, aber auch Naturfasern wie etwa Hanffasern. Die Kunststoffmatrix kann durch ein beliebiges geeignetes Material, etwa ein Kunstharz, gebildet sein.
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Die Fasern sind gleichmäßig oder ungleichmäßig im Kunststoff verteilt, letzteres z. B. beim LFI-Verfahren. Das oder die elektrisch leitenden Elemente müssen natürlich elektrisch gegenüber dem restlichen Faserverbundbauteil isoliert werden, um Kurzschlüsse zu vermeiden, falls elektrisch leitende Fasern eingesetzt werden.
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Das elektrisch leitende Element bildet vorzugsweise zumindest einen Teil eines Kabelbaums für ein Fahrzeug. Gegebenenfalls lässt sich der gesamte Kabelbaum durch ein oder mehrere elektrisch leitende Elemente, die in die Faserverbundbauteile des Fahrzeugs integriert sind, ersetzen. Es ist aber auch möglich, nur einen Teil der elektrischen Verbindungen in den Faserverbundbauteilen vorzusehen und den Kabelbaum zu vereinfachen, was dessen Montagezeit ebenfalls verringert.
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Damit das elektrisch leitende Element einer dreidimensionalen Kontur des Faserverbundbauteils gut folgen kann, ist es vorzugsweise flexibel gestaltet.
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Beispielsweise weist das elektrisch leitende Element einen insbesondere flexiblen Träger und mehrere am Träger vorgesehene Leiterbahnen auf. Die Leiterbahnen verlaufen vorzugsweise parallel zueinander. Sämtliche Leiterbahnen sind vorteilhaft separat verschaltbar, sodass das elektrisch leitende Element eine Vielzahl an elektrischen Verbindungen ermöglicht. Damit kann es in unterschiedlichen Bereichen des Fahrzeugs für unterschiedliche elektrische Kontaktierungen eingesetzt werden.
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Das elektrisch leitende Element kann sowohl für die Stromversorgung eines elektrischen oder elektronischen Bauteils eingesetzt werden, als auch für eine Datenübertragung von und zu elektronischen Bauteilen. Parallele Leiterbahnen eines elektrisch leitenden Elements können dabei als Busstruktur zur parallelen Datenübertragung eingesetzt werden, indem mehrere Leiterbahnen des elektrisch leitenden Elements mit demselben elektronischen Bauteil verbunden werden. Bei der Verwendung zur Stromversorgung können beispielsweise mehrere Leiterbahnen elektrisch zusammengeschaltet werden, um auch Bauteile mit einem höheren Strombedarf versorgen zu können, ohne unterschiedlich dicke Leiterbahnen bzw. Leiterbahnen mit unterschiedlich hohem Querschnitt bzw. unterschiedlichen Widerständen vorsehen zu müssen. Auf diese Weise kann ein universell einsetzbares elektrisch leitendes Element geschaffen werden, das z. B. als Bandmaterial vorfertigbar ist und nur in der gewünschten Länge zugeschnitten und in das Faserverbundbauteil integriert werden muss.
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Hierzu eignet sich beispielsweise ein textiles Flächengebilde als Träger, wobei die Leiterbahnen durch an oder in dem textilen Flächengebilde angeordnete Metalldrähte gebildet sind.
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In einer möglichen Variante sind in ein Gewebe viele parallel verlaufende, dünne Metalllitzen eingewebt.
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In einer anderen Variante wird als Träger ein Vlies- oder Filzstoff verwendet, auf den metallische Leiterbahnen in Form von einem Bündel dünner Litzen oder von einzelnen isolierten Drähten aufgestickt oder aufgeklebt sind. Auch hier ist eine parallele Anordnung der Leiterbahnen bevorzugt. Es wäre auch möglich, ein textiles Flächengebilde wie ein Gewebe oder ein Vlies mit geeigneten Leiterbahnen zu bedrucken, beispielsweise mit einer metallischen Tinte. Derartige Designs können für Spannungen von etwa 2 V bis etwa 230 V ausgelegt sein.
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Insbesondere bei der Verwendung eines Gewebes mit eingewebten Metalllitzen sind die einzelnen Leiterbahnen des elektrischen Elements vorzugsweise jeweils durch Faserbündel aus elektrisch leitenden Litzen gebildet. Die Dicke der Faserbündel ist vorzugsweise für jede der Leiterbahnen gleich gewählt und ist so bestimmt, dass die gewünschten elektrischen Stromstärken problemlos übertragbar sind und/oder der elektrische Widerstand unterhalb eines vorgegebenen Werts liegt.
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Die elektrischen Elemente können auch Kupferlackdrähte aufweisen. Die Kupferlackdrähte können dabei sowohl für die einzelnen Litzen, die die Faserbündel bilden, vorgesehen sein, als auch jeweils eine eigene Leiterbahn bilden. Es wäre auch möglich, das elektrisch leitende Element ganz oder teilweise komplett aus Kupferlackdrähten zu gestalten.
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Im Faserverbundbauteil kann das elektrisch leitende Element entlang einer Außenseite und/oder im Inneren des Körpers des Faserverbundbauteils verlaufen. Selbstverständlich kann das elektrisch leitende Element auch abschnittsweise an der Oberfläche verlaufen und abschnittsweise im Inneren.
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Oft sind die Faserverbundbauteile im Wesentlichen plattenförmige Bauteile, die zwei entgegengesetzte Außenseiten aufweisen. Es ist möglich, dass zumindest ein Eingangsende sowie zumindest ein Ausgangsende des elektrisch leitenden Elements auf unterschiedlichen Außenseiten liegen, sodass eine elektrische Durchführung durch das Faserverbundbauteil realisiert ist. Hierdurch kann auch ein Schallschutz durch eine Verdämmung entfallen, die bisher notwendig war, wenn ein Kabel durch eine Öffnung in einem Karosserieteil oder einem Verkleidungsteil hindurchgeführt wurde. Außerdem kann diese Verbindung auf einfache Weise wasser- und sogar luftdicht ausgeführt sein.
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Selbstverständlich kann ein einzelnes elektrisch leitendes Element mehrere Eingangs- und/oder mehrere Ausgangsenden aufweisen, die an unterschiedlicher Stelle des Faserverbundbauteils an dessen Außenseiten sowie an dessen Rand enden können, um beliebige elektrische Verbindungen zu ermöglichen.
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Die oben genannte Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils gelöst. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Faserverbundbauteil handeln, wie es oben beschrieben wurde. Fasern sowie ein Kunststoffmaterial, das eine die Fasern umgebende Kunststoffmatrix bildet, werden bereitgestellt. Wenigstens ein vorgefertigten elektrisch leitendes Element mit wenigstens einem Eingangsende und wenigstens einem Ausgangsende, die miteinander elektrisch verbunden sind, wird mit den Fasern und dem Kunststoffmaterial so in Kontakt gebracht, dass das elektrisch leitende Element im fertigen Faserverbundbauteil fest mit dem Kunststoffmaterial verbunden ist und dass das Eingangsende und das Ausgangsende aus einem von dem Kunststoffmaterial gebildeten Körper des fertigen Faserverbundbauteils herausragen.
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Die Fasern und das Kunststoffmaterial können in eine Werkzeugform eingebracht werden, in die auch das oder die elektrisch leitenden Elemente eingelegt werden. Das Kunststoffmaterial wird dann unter Druck- und/oder Temperatureinwirkung ausgehärtet, um das fertige Faserverbundbauteil herzustellen.
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Die genannten Verfahrensschritte werden in einer beliebigen geeigneten Reihenfolge durchgeführt.
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Die verstärkenden Fasern können in Form von Prepregs vorliegen, bei denen das Kunststoffmaterial z. B. in Form eines nicht ausgehärteten Harzes bereits auf die Fasern aufgebracht ist. Das vorgefertigte elektrisch leitende Element kann auf eine Prepreg-Schicht aufgelegt werden, wenn das elektrisch leitende Element an der Oberfläche des fertigen Faserverbundbauteils liegen soll, oder es können auf das eingelegte elektrisch leitende Element eine oder mehrere weitere Prepreg-Schichten aufgebracht werden, um das elektrisch leitende Element wenigstens abschnittsweise in das fertige Faserverbundbauteils einzubetten.
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Es ist jedoch auch möglich, das oder die elektrisch leitenden Elemente an geeigneter Stelle in der Werkzeugform anzuordnen und dann eine Mischung aus dem Kunststoffmaterial und den verstärkenden Fasern, z. B. kurz geschnittenen Fasern, in die Werkzeugform einzubringen.
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Geeignete Fertigungsverfahren sind beispielsweise Nasspressen, RTM (Resin Transfer Molding) oder LFI (Long Fibre Injection). Auch ansonsten für Wickelplatinen genutzte Herstellungsverfahren können eingesetzt werden. Anstelle einer Werkzeugform kann auch ein bekannter Wickelkörper vorgesehen sein, und das elektrisch leitende Element zu einem geeigneten Zeitpunkt während der Fertigung durch die Fasern umwickelt und so in das fertige Faserverbundbauteil eingebettet werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Faserverbundbauteils mit zwei elektrisch leitenden Elementen;
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2 eine schematische Darstellung eines möglichen elektrisch leitenden Elements für ein erfindungsgemäßes Faserverbundbauteil; und
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3 bis 5 verschiedene Ausführungen eines erfindungsgemäßen Faserverbundbauteils, jeweils hergestellt nach einem erfindungsgemäßen Verfahren.
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1 zeigt ein Faserverbundbauteil 10 mit einem Körper 11, der eine Kunststoffmatrix 12 mit darin eingebetteten verstärkenden Fasern 14 aufweist, wobei in das Faserverbundbauteil 10 zwei elektrisch leitende Elemente 16 integriert sind (siehe z. B. 3).
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Das Faserverbundbauteil 10 wird auf an sich bekannte Weise hergestellt, indem eine Kombination aus einem Kunststoffmaterial und verstärkenden Fasern 14, beispielsweise einem Kunstharz und Kohle- oder Glasfasern in einer gewünschten dreidimensionalen Form ausgehärtet wird. Geeignete Herstellungsverfahren sind beispielsweise Nasspressen, RTM (Resin Transfer Molding), andere geeignete Spritzgussprozesse oder auch Wickelverfahren.
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Während des Fertigungsprozesses und vor dem Aushärten der Kunststoffmatrix werden ein oder mehrere vorgefertigte, flexible, elektrisch leitende Elemente 16 in Kontakt mit der Kunststoffmatrix 12 und den verstärkenden Fasern 14 gebracht, sodass im fertigen Faserverbundbauteil 10 das oder die elektrisch leitenden Elemente 16 fest mit dem Faserverbundbauteil 10 verbunden sind und nicht zerstörungsfrei von diesem gelöst werden können.
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Jedes der elektrisch leitenden Elemente 16 besteht in den hier gezeigten Ausführungsformen aus einem Träger 18 und mehreren, fest mit dem Träger 18 verbundenen Leiterbahnen 20. 2 zeigt ein mögliches Beispiel für ein derartiges elektrisch leitendes Element 16. In diesem Fall ist der Träger 18 durch ein Gewebe gebildet, und die Leiterbahnen 20 sind durch eingewebte Metalllitzen realisiert.
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Die Metalllitzen sind durch einzelne, dünne Drähte 22 gebildet, die jeweils einzeln elektrisch isoliert sein können. Die Metalllitzen sind entweder einzeln oder in kleinen Bündeln mit dem Gewebe des Trägers 18 verwebt. Jeweils ein ganzes Bündel von Metalllitzen wird zu einer Leiterbahn 20 zusammengefasst. Die Leiterbahnen 20 sind mit ausreichendem Abstand auf dem Träger 18 angeordnet, um keine Kurzschlüsse oder Störfelder zu erzeugen.
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Sind nicht die einzelnen Drähte 22 der jeweiligen Leiterbahnen 20 elektrisch isoliert, so muss eine passende, möglichst flexible, elektrische Isolierung um das elektrisch leitende Element 16 herum angebracht werden, um den Kontakt zum restlichen Faserverbundbauteil 10 auszuschließen. Für den Fall, dass nur elektrisch nicht leitende Verstärkungsfasern im Faserverbundbauteil 10 vorgesehen sind, kann gegebenenfalls auf eine elektrische Isolierung des elektrisch leitenden Elements 16 und der Leiterbahnen 20 im Inneren des Faserverbundbauteils 10 verzichtet werden. Sind jedoch die Verstärkungsfasern beispielsweise Kohlefasern, so muss eine elektrische Isolierung vorgesehen werden.
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Jede der Leiterbahnen 20 eines elektrisch leitenden Elements 16 kann separat elektrisch verschaltet werden, es ist aber auch möglich, mehrere Leiterbahnen 20 elektrisch parallel zu schalten und so beispielsweise einen Stromfluss aufzuteilen.
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Die Leiterbahnen 20 können sowohl als Stromleitungen als auch als Datenleitungen eingesetzt werden. Bei der Verwendung als Datenleitung können beispielsweise die parallel verlaufenden Leiterbahnen 20 eines einzelnen elektrisch leitenden Elements 16 als Datenbus zur Kontaktierung eines elektronischen Bauteils verwendet werden.
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Es ist möglich, die Leiterbahnen 20 aus Kupferlackdraht zu fertigen und jeden einzelnen Draht 22 des Faserbündels separat zu isolieren.
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Derartige elektrisch leitende Elemente 16 sind sehr flach und entsprechend biegsam, da ihre Dicke im Wesentlichen durch die Dicke des Trägers 18, also die Dicke einer Gewebelage oder eines Vlieses, bestimmt wird. Sie lassen sich einfach in geeigneten Längen und Breiten in langen Bahnen durch bekannte Verfahren fertigen. Durch die Verbindung der Leiterbahnen 20 mit dem Träger 18 sind die Leiterbahnen 20, auch wenn sie in Form von dünnen Drähten ausgebildet sind, gegen mechanische Einwirkung gut geschützt. Die einzelnen elektrisch leitenden Elemente 16 lassen sich etwa von einer Vorratsrolle auf die gewünschte Länge zuschneiden. Die Herstellung von Verzweigungen ist einfach möglich, indem der Träger 18 zwischen den jeweiligen Leiterbahnen 20 durchtrennt wird.
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Es ist auch möglich, das elektrisch leitende Element 16 so auszubilden, dass der Träger 18 mit den darauf angeordneten Leiterbahnen 20 zusätzlich von einem Schutzmantel 24 aus einem Gewebe oder einem Vlies, also einem textilen Gebilde, umgeben ist (angedeutet in 3). Diese Gestaltung ist vor allem dann empfehlenswert, wenn das elektrisch leitende Element 16 abschnittsweise auch außerhalb des Faserverbundbauteils 10 und ohne direkten Kontakt mit diesem verläuft. Der Schutzmantel 24 kann auch als elektrische Isolierung dienen.
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Die 3 bis 5 zeigen verschiedene Möglichkeiten der Anordnung eines elektrisch leitenden Elements 16 am Faserverbundbauteil 10. Bei der in 3 dargestellten Variante verläuft das elektrisch leitende Element 16 vollständig an der Außenoberfläche des Körpers 11 des Faserverbundbauteils 10 und ist mit diesem durch die Kunststoffmatrix 12 fest verklebt.
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Die 4 zeigt eine Variante, bei der das elektrisch leitende Element 16 über einen wesentlichen Teil im Inneren des Körpers 11 des Faserverbundbauteils 10 verläuft.
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5 schließlich zeigt eine Variante, bei der das elektrisch leitende Element 16 auf einer ersten Außenseite 26 (in 5 oben) des Körpers 11 des Faserverbundbauteils 10 in diesen eintritt und auf einer entgegengesetzten Außenseite 28 wieder aus diesem austritt. Auch hier verläuft das elektrisch leitende Element 16 über einen wesentlichen Teil seiner Länge im Inneren des Faserverbundbauteils 10.
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Verläuft das elektrisch leitende Element 16 im Inneren des Faserverbundbauteils 10, so muss dies nicht zwangsläufig in der Mitte zwischen den Außenseiten 26, 28 sein, sondern es kann auch nahe einer der Außenseiten 26, 28 verlegt sein. Bei einem Herstellungsprozess aus Prepregs können beispielsweise einige oder wenige Lagen vom Prepregs über das eingelegte elektrisch leitende Element 16 gelegt werden, um dieses in das Faserverbundbauteil 10 einzubetten.
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Das elektrisch leitende Element 16 hat dabei in diesem Fall jeweils ein einziges Eingangsende 30 und ein einziges Ausgangsende 32. Eingangs- und Ausgangsende 30, 32 sind natürlich willkürlich bezeichnet und können in ihrer Funktion jeweils getauscht werden.
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Das Eingangs- und das Ausgangsende 30, 32 ragen aus dem Körper 11 des Faserverbundbauteils 10 heraus und sind zur elektrischen Kontaktierung von außerhalb des fertigen Faserverbundbauteils 10 zugänglich.
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Das Eingangs- und das Ausgangsende 30, 32 können, wie in den 3 bis 5 schematisch dargestellt, durch einzelne Anschlussdrähte gebildet sein, oder es kann ein geeigneter Stecker 34 am Eingangs- bzw. Ausgangsende 30, 32 vorgesehen sein, wie dies in 1 angedeutet ist.
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Das Faserverbundbauteil 10 ist in diesen Beispielen als plattenförmiges, ebenes Bauteil dargestellt, wobei die Außenseiten 26, 28 die Vorder- und die Rückseite bilden.
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Das Faserverbundbauteil 10 kann jedoch eine im Wesentlichen beliebige dreidimensionale Kontur einnehmen, wobei in vielen Fällen, beispielsweise bei der Verwendung als Fahrzeuginnenraumverkleidung oder als Karosserieteil sowie auch als Stirnwand, die eine Fahrgastzelle von einem Motorraum trennt, eine gegebenenfalls gewölbte Plattenform günstig ist.
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Das elektrisch leitende Element 16 ist hier als lineares Bauteil dargestellt, mit jeweils einem Eingangsende 30 und einem Ausgangsende 32. Es wäre auch möglich, das elektrisch leitende Element 16 beispielsweise in Form eines Netzes oder mit Verzweigungen entlang seiner Längserstreckung auszubilden und mehrere Eingangsenden 30 und/oder Ausgangsenden 32 daran auszubilden, die an unterschiedlichen Stellen des Faserverbundbauteils 10 auf dessen Außenseiten 26, 28 oder an dessen die Außenseiten 26, 28 umgebenden Rand austreten. Die Form des elektrisch leitenden Elements 16 lässt sich hierzu flexibel im Ermessen des Fachmanns an die geforderten Aufgaben anpassen.
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In einer möglichen Anwendungsform ersetzen das oder die elektrisch leitenden Elemente 16 den herkömmlichen Kabelbaum eines Fahrzeugs ganz oder teilweise. Es ist möglich, einen Großteil der benötigten elektrischen Leitungen des Fahrzeugs in Faserverbundbauteile 10 zu integrieren, die beispielsweise Teil der Karosserie oder Teil der Innenverkleidung bilden. Eine Kombination ist natürlich auch denkbar, bei der ein Teil des herkömmlichen Kabelbaums bestehen bleibt und Abschnitte davon durch Faserverbundbauteile 10 mit integrierten elektrisch leitenden Elementen 16 gebildet werden.
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Die in 5 gezeigte Variante stellt eine einfache Art dar, elektrische Durchführungen durch ein Karosserie- oder Verkleidungsteil zu bilden, indem das Eingangsende 30 und das Ausgangsende 32 des elektrisch leitenden Elements 16 auf verschiedenen Außenseiten 26, 28 des Faserverbundbauteils 10 austreten.
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Auf diese Weise können Durchbrüche, die nachträglich zur Schallisolierung verdämmt werden müssen, vollständig entfallen.
