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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen geformten, wie bspw. formgepressten, Naturfaserträger und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Trägers. Ein solcher geformter Naturfaserträger ist insbesondere als strukturelles Innenraumbauteil für ein Fahrzeug, wie z.B. eine Türverkleidung oder ein Instrumententräger, geeignet.
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2. Technischer Hintergrund
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Bauteile aus geformten Naturfasern sind in der Industrie bekannt und werden z.B. im Automobilbereich als Innenraumkomponenten für Fahrzeuge eingesetzt. In vielen Anwendungen werden die Naturfasern in Form eines Verbundwerkstoffs zusammen mit künstlichen Materialien, wie z.B. Polymeren, eingesetzt. Die Naturfasern ersetzen zumindest einen Teil der künstlichen Materialien, so dass das Gesamtprodukt umweltfreundlicher ist. Typischerweise werden die Naturfasern, vielleicht zusammen mit zusätzlichen künstlichen Materialien, zu einer flachen, mattenähnlichen Struktur geformt und mit einem Klebstoff, wie z. B. einem Harz, imprägniert. Die imprägnierte Matte wird dann in eine Form gelegt, und unter Anwendung von Wärme und Druck wird der Klebstoff ausgehärtet. Das so entstandene Bauteil ist relativ steif und kann je nach Formgebung eine beliebige dreidimensionale Gestalt annehmen. Dieses 3D-Bauteil kann dann zum Beispiel als Türverkleidung oder als Instrumententräger in einem Fahrzeug verwendet werden.
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Ein Nachteil solcher geformten Naturfaserträger ist, dass der Träger oft zusätzliche Verstärkungsstrukturen und/oder Befestigungspunkte benötigt, die die Befestigung des Trägers an einer anderen Struktur, wie z.B. der Karosserie des Fahrzeugs, ermöglichen. In der Vergangenheit wurden zusätzliche Verstärkungselemente, wie z.B. Verstärkungsstrukturen und/oder Befestigungspunkte oder ähnliches, typischerweise auf das 3D-Bauteil aufgeklebt. Das Verfahren funktioniert typischerweise wie folgt. Verstärkungselemente, wie z.B. Verstärkungsstrukturen oder Befestigungselemente, werden durch einen Spritzgussprozess hergestellt. Die Elemente werden dann auf den geformten Naturfaserträger geklebt oder geschweißt. Bei der Verklebung der Elemente mit dem Träger sorgt der Klebstoff nicht nur für eine Fixierung zwischen den Materialien, sondern kann auch Fertigungstoleranzen zwischen den beiden aneinander grenzenden Partnern, also dem Träger und dem Verstärkungselement, ausgleichen.
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Eine weitere Möglichkeit ist der Hinterspritzguss, der j edoch vor allem bei großen Bauteilen relativ große und damit teure Spritzgussformen erfordert. Beide Methoden haben gewisse Nachteile, denn sie erfordern einen gewissen Druck, um die Verstärkungselemente mit dem Träger zu verbinden. Da das Trägermaterial relativ dünn ist, kann dies zu Beschädigungen oder Markierungen auf dem Träger führen.
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Die vorliegende Erfindung schlägt einen neuen Ansatz vor, der die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und eine kostengünstige Möglichkeit bietet, einen geformten Naturfaserträger mit Verstärkungselementen, wie Verstärkungsstrukturen oder Befestigungselementen, zu versehen.
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Diese und weitere Aufgaben, die sich aus der nachfolgenden Beschreibung ergeben, werden durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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3. Zusammenfassung der Erfindung
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft einen geformten Naturfaserträger, umfassend eine Matte aus Naturfasern, die mit einer Matrixkomponente versehen ist, wobei die Matte mit diskreten Verstärkungselementen versehen ist, die mittels 3D-Druck auf die Matte aufgebracht sind.
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Der Ausdruck geformter Naturfaserträger, wie er hier verwendet wird, beschreibt das Produkt, bei dem sich die Matrixkomponente, wie z. B. ein Klebstoff oder ein Harz, in ihrem ausgehärteten Zustand befindet. Der Träger kann eine gewünschte 3D-Form haben, kann aber auch in Form einer im Wesentlichen flachen 2D-Form vorliegen, je nach Anwendungszweck. Der Träger kann neben Naturfasern auch künstliche Bestandteile umfassen, wie Polymere, insbesondere Polypropylen (PP).
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Die Matte umfasst Naturfasern, die typischerweise in Form eines nicht gewebten Textils bereitgestellt werden, das mit einer (z. B. flüssigen) Matrixkomponente imprägniert ist. Diese imprägnierte Fasermatte wird dann in einer Form angeordnet, die eine dreidimensionale Gestalt haben kann, die der gewünschten Endform des Trägers entspricht. Nach dem Schließen der Form werden Wärme und Druck auf die imprägnierte Matte ausgeübt und die Matrixkomponente wird ausgehärtet, wodurch die Matte in der durch die Form definierten dreidimensionalen Form fixiert wird.
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Der Ausdruck „diskrete“ Verstärkungselemente ist so zu verstehen, dass es sich um einzelne Elemente handelt, im Gegensatz zu einer vollflächigen Bedeckung der Oberfläche der Matte. Mit anderen Worten, die Verstärkungselemente sind nicht etwa eine Beschichtung. Als Verstärkungselemente werden alle Arten von Strukturelementen verstanden, die auf die Matte aufgebracht werden können, um deren Funktionalität zu erhöhen. Meist dienen die Elemente zur lokalen Versteifung der Fasermatte bzw. zur Erhöhung der Funktionalität durch spezielle Befestigungs- oder Montageelemente. Da solche Befestigungs- oder Montageelemente typischerweise robuster sind als das Mattenmaterial, können sie auch als Verstärkungselemente im weitesten Sinne des Begriffs verstanden werden.
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Durch den Einsatz des 3D-Drucks zum Aufbringen der Verstärkungselemente ist es möglich, die Fasermatte bzw. den Träger lokal zu versteifen, ohne dass ein Spritzgießwerkzeug benötigt wird. Weiterhin ist es möglich, Verstärkungselemente ohne die Verwendung von Klebstoff aufzubringen. Dies macht es beispielsweise möglich, dass eine dünnere Naturfasermatte verwendet werden kann, die nur an den Stellen verstärkt wird, an denen Steifigkeit benötigt wird. Dadurch kann die Materialmenge reduziert werden, was Kosten spart und das Produkt umweltfreundlicher macht, während gleichzeitig Gewicht eingespart wird. Der 3D-Druck ermöglicht eine sehr flexible Anordnung der Verstärkungselemente, ohne die Einschränkungen eines Spritzgussverfahrens oder die Verwendung von Klebstoff und entsprechendem Druck zur Befestigung der Elemente auf der Matte bzw. dem Träger.
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In einem Beispiel ist der Faserträger ein Innenraumbauteil für ein Fahrzeug. Die Vorteile der vorliegenden Erfindung kommen insbesondere im Zusammenhang mit Fahrzeugbauteilen zum Tragen. Im Innenraum moderner Fahrzeuge werden eine Reihe von Innenraumkomponenten, wie Türverkleidungen, Instrumententräger und dergleichen, als Trägerelemente für verschiedene technische Ausstattungen und/oder Dekorflächen benötigt. Die Türverkleidung beispielsweise deckt nicht nur den metallischen Innenraum des Türkörpers ab, sondern dient auch als Träger für HiFi-Lautsprecheranlagen, Türöffner, Fensterheber und diverse andere Geräte. Der Träger dient auch zur Befestigung der verschiedenen Innenflächen-, Polster- und Schalldämmmaterialien. Es ist daher für den Fachmann klar, dass solche Träger komplexe 3-dimensionale Formen haben können und eine Reihe von verschiedenen Befestigungs- oder Montageelementen sowie eine erhebliche strukturelle Festigkeit in bestimmten Bereichen davon benötigen. Durch die Verwendung eines 3D-Druckverfahrens ist die Anbringung solcher Elemente sehr flexibel, ohne dass in große Maschinen investiert werden muss.
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In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Naturfasern aus Hanf, Holz, Kenaf, Leinen oder Mischungen davon ausgewählt. Diese Materialien sind weithin verfügbar und umweltfreundlich, da es sich um erneuerbare Stoffe handelt. Darüber hinaus ermöglichen sie die Herstellung sehr starker Fasermatten und verbinden sich sehr gut mit der Matrixkomponente, d. h. dem Klebstoff oder Harz, das die strukturelle Integrität des Produkts gewährleistet.
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In einer anderen bevorzugten Variante ist die Matte eine Verbundmatte, die auch nicht natürliche Fasern, wie z. B. Polypropylenfasern, umfasst. Wie bereits erwähnt, schließt der Begriff Naturfaserträger das Vorhandensein anderer, nicht natürlicher Materialien nicht aus. Die Zugabe geeigneter Polymere erhöht dagegen die Festigkeit des Endprodukts und erleichtert die Umwandlung der flachen, bahnförmigen Matte in ein dreidimensionales Produkt durch den Formgebungsprozess. Daher kann der geformte Naturfaserträger der vorliegenden Erfindung auch als naturfaserverstärkter Kunststoff bezeichnet werden.
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Vorzugsweise basiert die Matrixkomponente auf thermoplastischen oder duroplastischen Werkstoffen. Diese Werkstoffe haben den Vorteil, dass sie typischerweise gut für thermoplastische Pressverfahren geeignet sind, wie sie für die vorliegende Erfindung benötigt werden. Besonders geeignete thermoplastische Werkstoffe sind Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polyvinylchlorid (PVC) oder Polystyrol (PS).
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In einem weiteren Aspekt werden die Verstärkungselemente direkt auf die Matte gedruckt, vorzugsweise mittels Fused Deposition Molding (FDM). Direkt gedruckt bedeutet in diesem Zusammenhang, dass zwischen den gedruckten Materialien und der Oberfläche des Trägers keine zusätzliche Oberflächenbeschichtung oder Klebstoff vorhanden ist. Besonders vorteilhaft ist das Fused Deposition Molding, bei dem die Schichten des 3D-Drucks mit einer Düse oder einem Extruder gedruckt werden. Der Druckkopf bewegt sich entlang einer vorgegebenen Bahn relativ zum Bauteil, in diesem Fall dem Träger, und trägt so Schicht für Schicht Material auf. Natürlich ist es auch möglich, den Träger zu bewegen, während der Druckkopf stationär bleibt, allerdings ist dies bei größeren Trägern weniger vorteilhaft. Bei modernen Druckmaschinen kann der Druckkopf sehr flexibel bewegt werden, so dass es möglich ist, Verstärkungselemente auf praktisch jede Position des Trägers zu drucken.
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Generell kann der Einsatz eines erfindungsgemäßen 3D-Druckverfahrens auch zum Ausgleich von Toleranzen genutzt werden, die im Formträger auftreten. Zu diesem Zweck wird der Formträger gescannt und seine Ist-Form mit der Soll-Form verglichen. Ergibt das Scannen, dass der Formträger beispielsweise um wenige Millimeter von den Designvorgaben abweicht, ist es möglich, den 3D-Druckprozess automatisch anzupassen und das Verstärkungselement entsprechend aufzubringen. So ist es beispielsweise möglich, beim 3D-Druck einige Schichten hinzuzufügen, wenn das Scannen ergibt, dass der geformte Träger an einer bestimmten Stelle unterhalb der Designvorgaben liegt, oder weniger Schichten zu verwenden, wenn das Scannen ergibt, dass der Träger an einer bestimmten Stelle oberhalb der Designvorgaben liegt. Insbesondere bei der letztgenannten Option muss natürlich die Funktion des jeweiligen Verstärkungselements an der gegebenen Stelle berücksichtigt werden, um sicherzustellen, dass die fehlenden Schichten das Element nicht übermäßig schwächen.
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Vorzugsweise sind zumindest einige der Verstärkungselemente mit Befestigungsstrukturen versehen, um den Faserträger an einem anderen Bauteil, wie z.B. der Struktur eines Fahrzeugs, zu befestigen oder um andere Strukturen an dem Träger zu befestigen. Der Begriff Verstärkungselemente umfasst alle Arten von Strukturelementen, die zur Versteifung des Trägers beitragen oder ihn mit Funktionskomponenten versehen, die eine gewisse Robustheit erfordern. Insbesondere bei der Verwendung in Verbindung mit Automobilanwendungen, wie z.B. bei Innenraumkomponenten, ist es notwendig, den geformten Träger mit Befestigungsstrukturen zu versehen, die eine Befestigung oder Montage zwischen dem Träger und anderen Strukturen ermöglichen. Die Befestigungsstrukturen können beispielsweise in Form von Haltern vorliegen, die eine Clipverbindung ermöglichen oder die mit einem Innengewinde versehen sind, um eine Schraubverbindung mit einem anderen Bauteil zu ermöglichen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind zumindest einige der Verstärkungselemente Verstärkungsrippen. Durch das Aufdrucken von Verstärkungsrippen nur an den Stellen, die eine lokale Verstärkung erfordern, können Kosten und Gewicht eingespart werden. Es hat sich gezeigt, dass das Aufbringen von nur wenigen, relativ dünnen Verstärkungsrippen zu einer wesentlichen Erhöhung der Steifigkeit des Trägers in den Bereichen führen kann, die dies erfordern. Dies können z.B. Bereiche sein, in denen technische Geräte am Träger montiert sind, während Bereiche des Trägers, an denen keine technischen Geräte montiert sind, im Wesentlichen ohne solche Verstärkungselemente auskommen.
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In einem Aspekt ist kein Klebstoff zwischen der Oberfläche der Matte und dem Verstärkungselement vorhanden. Durch die Verwendung eines 3D-Druckverfahrens ist es möglich, direkt auf die Oberfläche des geformten Trägers zu drucken. So ist es nicht notwendig, die Oberfläche des Trägers zu beschichten oder zusätzliche Kleber auf der Oberfläche anzubringen.
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Dies spart Kosten und erleichtert die Wiederverwertbarkeit des verstärkten Trägers.
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In bevorzugten Ausführungsformen hat die Matte eine Dicke von 2 bis 15 mm, vorzugsweise 3 bis 10 mm und besonders bevorzugt 3 bis 8 mm. Eine solche Dicke ist für viele Anwendungen, insbesondere in der Automobilindustrie, gut geeignet. Die Dicke bietet eine ausreichende strukturelle Integrität und Steifigkeit, während gleichzeitig das Gewicht des Trägers vorteilhaft gering ist.
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Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines geformten Naturfaserträgers, umfassend die Schritte: Bereitstellen einer Matte aus Naturfasern, Versehen der Matte mit einer Matrixkomponente, und nach dem Versehen mit der Matrixkomponente: Verpressen der Matte zu einem Strukturelement, wie einem Innenraumbauteil für ein Fahrzeug. In einem weiteren Schritt werden mittels eines 3D-Druckverfahrens diskrete Verstärkungselemente auf die Oberfläche der Matte bzw. des Trägers gedruckt.
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Das 3D-Druckverfahren basiert vorzugsweise auf dem Fused Deposition Molding (FDM), bei dem die 3D-Druckschichten durch eine Düse oder einen Extruder aufgebracht werden. Vorzugsweise ist die Düse oder der Extruder beweglich angeordnet und wird über die Oberfläche des Trägers bewegt, wobei Schicht für Schicht diskrete Verstärkungselemente auf bestimmte Positionen des Trägers aufgebracht werden.
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Generell können als 3D-Druckmaterial sowohl Thermoplaste als auch reaktive Duroplaste verwendet werden. Es ist aber auch möglich, den 3D-Druck mit biobasierten oder mit Naturfasern verstärkten Materialien durchzuführen.
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Ein besonderer Vorteil des 3D-Druckverfahrens ist, dass es dazu genutzt werden kann, Toleranzen aktiv auszugleichen, wenn z.B. die tatsächlichen Abmessungen des Trägers nicht perfekt mit den Designvorgaben übereinstimmen. Dazu wird die Oberfläche des Trägers auf Abweichungen von den Designtoleranzen gescannt und das 3D-gedruckte Verstärkungselement durch Auftragen von mehr oder weniger Schichten automatisch angepasst, soweit dies ohne Beeinträchtigung der Funktion des Verstärkungselements möglich ist. Die Abtastung bzw. Vermessung des Trägers kann entweder ganzflächig, abschnittsweise oder nur an bestimmten Stellen vor oder während des Drucks erfolgen. Die Einstellung des Druckprozesses erfolgt dann über einen Computer. Eine aktive Steuerung kann auch beim Druck der ersten Schichten erfolgen. Ein Sensor regelt aktiv den Abstand zwischen Druckkopf und Bedruckstoff.
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Beim Druckvorgang ist es auch möglich, einen festen Druckkopf zu verwenden, während der Träger bewegt wird. Diese Alternative ist jedoch nur bei relativ kleinen Trägern praktikabel, während bei größeren Trägern, wie z. B. bei einem Instrumententräger eines Fahrzeugs, der Träger fest und der Druckkopf beweglich angeordnet sein sollte.
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Wie bereits erwähnt, ist das Fused Deposition Molding ein besonders vorteilhaftes 3D-Druckverfahren.
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Wie oben im Zusammenhang mit dem Träger selbst beschrieben wurde, sind vorteilhafterweise zumindest einige der Verstärkungselemente mit Befestigungsstrukturen versehen oder sind Befestigungsstrukturen. Solche Befestigungsstrukturen ermöglichen die Fixierung oder Montage des Trägers an einer anderen Struktur oder umgekehrt, wie zum Beispiel der Karosserie oder Karosserieteilen eines Fahrzeugs. Solche Befestigungsstrukturen können beispielsweise Halterungen sein, die mit einem Innen- oder Außengewinde für eine schraubenartige Befestigung versehen sind.
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Die Erfindung betrifft auch ein Fahrzeug, das einen erfindungsgemäßen Naturfaserträger, wie er hierin offenbart ist, als Innenbauteil umfasst. Ein solches Innenraumbauteil kann beispielsweise eine Türverkleidung, ein Instrumententräger, die Verkleidung einer A-, B- oder C-Säule eines Fahrzeugs sein.
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4. Kurzbeschreibung der Figuren
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Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.
- 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Träger, der an einem Innenteil einer Tür eines Personenkraftwagens montiert ist;
- 2 zeigt ein Detail eines Verstärkungselements der Ausführungsform der 1;
- 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Trägers mit Verstärkungsrippen; und
- 4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Trägers mit Verstärkungsrippen.
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen geformten Naturfaserträgers 10, der an der Innenstruktur 11 einer Tür eines Personenkraftwagens befestigt ist. Der Träger 10 umfasst weitere Unterträger 10' und 10", die ebenfalls aus geformten Naturfasern bestehen und am Träger 10 befestigt sind. An der Unterkante sind mehrere Verstärkungselemente 14 auf die Oberfläche des Trägers 10 aufgedruckt.
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Der Träger 10 und auch die Unterträger sind mit Durchgangslöchern 16 versehen, die zur Aufnahme von Befestigungsclips geeignet sind, die an der Innenstruktur 11 vorgesehen sind. Dadurch kann der Träger 10 durch Aufklipsen der Löcher 16 auf die Befestigungsclips an der Innenstruktur 11 befestigt werden. Bei dieser Verbindung ist es zum Beispiel vorteilhaft, den Rand der Löcher 16 umlaufend mit aufgedruckten Verstärkungsringen (nicht dargestellt) zu versehen.
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Auf der rechten unteren Seite des Trägers 10 ist eine Abdeckung 16 eines HiFi-Lautsprechers angeordnet. Auch eine solche Abdeckung 16 kann mittels 3D-Druck auf den Träger gedruckt werden. Alternativ kann es sich bei der Abdeckung 16 um ein Spritzgussteil handeln, das auf reguläre Weise am Träger 10 befestigt wird. Um eine sichere Fixierung der Abdeckung 16 zu gewährleisten, ist es in dieser Variante vorteilhaft, eine entsprechende Verstärkungsstruktur im Bereich der Montage der Abdeckung 16 auf den Träger 10 zu drucken.
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2 zeigt ein Detail eines Verstärkungselements 14 aus 1. Das Verstärkungselement 14 wird mittels eines 3D-Druckverfahrens auf die Oberfläche des Trägers 10 gedruckt. Es umfasst ein Innengewinde 15 für eine Verbindung mittels einer Schraube.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines geformten Naturfaserträgers 30. Der Träger 30 ist mit einer Mehrzahl von Verstärkungselementen 34 versehen, die in der gezeigten Ausführungsform in Form von Verstärkungsrippen ausgebildet sind. Wie man der Figur entnehmen kann, sind diese Rippen nur in den Bereichen auf den Träger 30 aufgedruckt, in denen eine besondere Verstärkung erforderlich ist. Darüber hinaus sind auf dem Träger eine Reihe von Verstärkungselementen in Form von Befestigungsstrukturen 34' aufgedruckt. Der Träger 30 wird ebenfalls an der Innenstruktur 31 einer Tür eines Personenkraftwagens befestigt.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines geformten Naturfaserträgers 40. In 4 ist eine Anzahl von Verstärkungsrippen 44 zu sehen, die als Verstärkungselemente auf die Innenfläche des Trägers 40 aufgedruckt sind. Darüber hinaus ist eine Befestigungsstruktur 44' ebenfalls auf den Rand des Trägers 40 aufgedruckt. Die Befestigungsstruktur 44' ist als Bajonettverschluss ausgebildet und dient der Befestigung von weiteren Strukturen oder Bauteilen am Träger 40.
