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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils.
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Die Verwendung von faserverstärkten Bauteilen, auch als Faserverbundbauteile bezeichnet, ist vor allem wegen ihrer hohen spezifischen Festigkeit (Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht) in vielen Anwendungsbereichen interessant. Ein Faserverbundwerkstoff ist ein Mischwerkstoff, der im Allgemeinen aus zwei Komponenten besteht, nämlich einer Matrix und darin eingebetteten Fasern. Durch gegenseitige Wechselwirkungen dieser Komponenten erhält der Werkstoff höherwertigere Eigenschaften als jede der beiden einzeln beteiligten Komponenten.
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Zur Herstellung relativ dickwandiger Faserverbundbauteile ist es bekannt, mehrere jeweils flächige Fasermateriallagen, die z. B. jeweils als ein Faserhalbzeug wie z. B. ein Gewebe oder ein Gelege bereitgestellt werden, Flachseite an Flachseite übereinander zu stapeln und in eine Matrix einzubetten (durch Infiltration mit einem Harz und nachfolgender Aushärtung).
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Neben plattenförmig-ebenen Bauteilstrukturen lassen sich damit relativ problemlos auch plattenförmig-gekrümmte Bauteilstrukturen herstellen.
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Für eine Vielzahl anderer gewünschter Geometrien ergibt sich in der Praxis jedoch das Problem, dass die Fasermateriallagen sich nicht vollflächig aneinander anfügen lassen. Lediglich beispielhaft sei hierzu etwa ein Bauteilprofil mit T-förmigem Profilquerschnitt genannt. In diesem Fall kann beim flächigen Zusammenfügen der Fasermateriallagen ”in der Ecke des T” ein nachteiliger Hohlraum bzw. ”Zwickelbereich” verbleiben, der je nach konkreter Herstellungsmethode am fertigen Bauteil als Hohlraum verbleibt oder vollständig mit der Matrixkomponente gefüllt ist.
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Das Dokument
WO 96/18494 A1 beschreibt einen Füllkörper zum Auffüllen von Leerstellen zwischen zusammengefügten T-förmigen Fasermateriallagen. Der Füllkörper ist aus zerstückelten Fasern hergestellt, geformt und ausgehärtet oder als vor imprägniertes unidirektionales Faserband gebildet, das gefaltet in ein Formwerkzeug gepresst wird. Das Dokument
US 4,789,594 A beschreibt das Abtrennen eines dreiecksförmigen Körpers von einer zuvor hergestellten Faserverbundplatte und nachträgliches verformen in ein Formwerkzeug.
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Gemäß einer auf internen betrieblichen Kenntnissen der Anmelderin beruhenden Technik wurden derartige Zwischenräume bereits mit Schaumkunststoffkernen aufgefüllt, was jedoch in erster Linie der Gewährleistung einer gewissen Formstabilität des zusammengefügten Konstrukts vor dem Aushärten dient. Hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften des fertigen Bauteils spielt der eingesetzte Schaumkunststoffkern keine wesentliche Rolle. Auch Versuche, derartige Zwischenräume durch Fasermaterial aufzufüllen, waren insofern nicht befriedigend, als es in der Praxis bislang an ”passenden” und kostengünstigen textilen Strukturen mangelt.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben beschriebenen Nachteile zu beseitigen und ein einfaches Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteiles anzugeben, wobei das Verfahren auch für kompliziertere Bauteilgeometrien geeignet sein soll.
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Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils vorgesehen, welches folgende Schritte umfasst:
- – Zusammenfügen von mehreren jeweils flächigen Fasermateriallagen, wobei ein Filz in wenigstens einen Zwischenraum eingefügt wird, der von wenigstens einem gekrümmten Oberflächenabschnitt einer der Fasermateriallagen begrenzt wird,
- – Infiltrieren der Fasermateriallagen und des Filzes mit einem Matrixmaterial, und
- – Aushärten der zusammengefügten und infiltrierten Fasermateriallagen samt Filz (14).
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Die Verwendung von Filz als Material zur Auffüllung eines oder mehrerer beim Zusammenfügen der Fasermateriallagen verbleibender Zwischenräume ermöglicht in einfacher und kostengünstiger Weise die Herstellung des betreffenden Faserverbundbauteils in gleich bleibender und hoher Qualität.
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Der Begriff ”Filz” bezeichnet hierbei ein Material aus lose zusammengelegten Fasern, dessen Festigkeit im Wesentlichen auf der fasereigenen Haftung beruht. Die Fasern liegen wirr im Filz.
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Wenngleich die Verwendung eines Filzes mit einer oder mehreren Vorzugsrichtungen der Faserorientierung denkbar ist (anisotroper Filz), so ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass der Filz im Wesentlichen isotrop ist. In diesem Fall sind die Fasern gänzlich stochastisch orientiert, wie z. B. bei einem Wirrlagenvliesstoff. In vielen Anwendungsfällen bzw. für viele Bauteilgeometrien ist die Verwendung eines derartigen Füllkörpers, bei welchem die enthaltenen Fasern keine bevorzugte Faserrichtung aufweisen, besonders vorteilhaft. Dies nicht nur wegen der damit resultierenden, oftmals besonders günstigen mechanischen Bauteileigenschaften, sondern auch im Hinblick auf die Herstellung des Füllkörpers und dessen Einbringung in den betreffenden Zwischenraum. Bei diesen Prozessschritten muss dann nämlich aufgrund der Isotropie die Materialorientierung nicht beachtet werden.
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Die Verarbeitung bzw. Konfektionierung des Filzes zu einem geeigneten Füllkörper kann erheblich vereinfacht werden. Insbesondere ist jede Art von Filz umfasst. Beim Filz wurden die Fasern durch eine zumeist mechanische Verarbeitung wie z. B. ”Nassfilzen” oder ”Trockenfilzen” in eine verfestigte Form gebracht.
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Prinzipiell ist das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für beliebige Faserwerkstoffe und Matrixwerkstoffe geeignet. Besonders vorteilhaft ist das Verfahren für die Herstellung von Bauteilen mit relativ stark gekrümmten Bauteilabschnitten. Bei den für die Fasermateriallagen verwendeten Fasern kommen beispielsweise Glasfasern, Kohlenstofffasern, synthetische Kunststofffasern, Stahlfasern oder Naturfasern in Betracht. Als Matrixmaterial sind insbesondere Kunststoffe wie z. B. duroplastische Kunststoffe (Kunstharze) interessant. Diese Aufzählungen sind jedoch lediglich beispielhaft zu verstehen. Außerdem können gegebenenfalls in an sich bekannter Weise Füllstoffe oder Additive zugegeben werden.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass für den Filz dieselbe Faserart wie für die zusammenzufügenden Fasermateriallagen vorgesehen ist. Der Filz kann insbesondere z. B. aus Wollfasern und/oder anderen textilen Fasern einschließlich Kunstfasern gebildet sein.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der zu verwendende Filz zuvor aus einem flächigen Filzgebilde abgetrennt wurde. Der Filz kann besonders vorteilhaft z. B. in Form einer Filzplatte oder, bei hinreichender Biegsamkeit, aufgerollt in Form eines Filzwickels vorgehalten werden. Bei der Fertigung von Faserverbundbauteilen gemäß der Erfindung kann sodann ein benötigter Füllkörper in passender Form vom Filz abgetrennt, z. B. mittels eines Messers abgeschnitten, und gegebenenfalls in eine gewünschte Endkontur gebracht werden.
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Insbesondere bei relativ großer Festigkeit eines als Vorrat vorgehaltenen Filzes kann dieses insbesondere mittels einer automatisierten Trennapparatur, insbesondere Schneidapparatur, sehr genau, sogar mittels CAD-Daten konturgenau aus dem Füllmaterial herausgearbeitet werden. Dadurch ergibt sich ein erheblicher Zeit-, Kosten- und Qualitätsvorteil, insbesondere bei einer Serienproduktion von Faserverbundbauteilen.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der in den wenigstens einen Zwischenraum einzufügende Füllkörper einstückig aus verfestigtem Filz gebildet ist. Bei Abtrennung bzw. Heraustrennung des Füllkörpers aus einem als Vorrat vorgehaltenen flächigen Filzgebildes sollte dieses hinsichtlich benötigter Füllkörperabmessungen daher ausreichend (groß) dimensioniert sein.
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Für viele Anwendungsbereiche ist es daher z. B. vorteilhaft, den als Vorrat vorgehaltene flächigen Filz mit einer Dicke von wenigstens 1 cm vorzusehen. Die benötigte Materialdicke hängt selbstverständlich von den Abmessungen des herzustellenden Faserverbundbauteils bzw. der darin enthaltenen Zwischenräume ab, so dass bei größeren Faserverbundbauteilen eine Dimensionierung von bereitgehaltenen Filzmaterialien in vielen Fällen mit elner Dicke von wenigstens 0,1 m zweckmäßig sein kann.
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Wenn bei der Herstellung der Faserverbundbauteile Füllkörper in stark variierender Größe und/oder Geometrie benötigt werden, so kann vorteilhaft auch ein Sortiment an verschieden dimensionierten, als Vorrat vorgehaltenen Filz vorgesehen sein. In diesem Fall lässt sich in der Praxis der Materialverschnitt erheblich reduzieren.
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Die Infiltration der Fasermateriallagen wie auch des Filzes kann bei der Erfindung ganz allgemein vor oder nach dem Zusammenfügen der Fasermateriallagen erfolgen. In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass zunächst trockene Faserhalbzeuge wie z. B. Gewebe, Geflechte, Gelege, Fasermatten etc. zusammengefügt und anschließend mit einem Harz infiltriert werden. Hinsichtlich der Gestaltung von Faserhalbzeugen, deren Zusammenfügung und Infiltration, wie auch hinsichtlich des abschließenden Aushärtungsprozesses (z. B. thermisch), kann vorteilhaft auf die aus dem Bereich der Faserverbundtechnologie wohlbekannten Kenntnisse und Methoden zurückgegriffen werden. Es erübrigt sich daher an dieser Stelle eine Erläuterung dieser im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorteilhaft einzusetzenden Fertigungsdetails (z. B. Infiltration mittels eines Standardinfusionsverfahrens wie VAP, VARI etc., Aushärtung in einem Autoklaven usw.).
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Vorteilhaft ist die Erfindung auch kompatibel zur Herstellung von Faserverbundbauteilen mittels textiler Preform-Technik und Vakuuminfusionsverfahren (”open mould”). Auch können so genannte Prepregs (vorimprägnierte Faserhalbzeuge) als die benötigten flächigen Fasermateriallagen verarbeitet werden.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass wenigstens eine der Fasermateriallagen ein abgewinkeltes Profil darstellt und der Abwinkelungsbereich den am Zwischenraum angrenzenden gekrümmten Oberflächenabschnitt ausbildet. Ein einfaches Beispiel für ein derartiges Profil ist z. B. ein T-Profil oder Doppel-T-Profil.
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Ein bevorzugter Anwendungsbereich des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Herstellung von Strukturbauteilen, insbesondere für Fahrzeuge, beispielsweise Luftfahrzeuge. Ein vorteilhafter Anwendungsfall ist z. B. die Herstellung von Kraftübertragungs- oder Krafteinleitungselementen oder Beschlägen, insbesondere mit T-förmigem Querschnitt oder doppelt T-förmigem Querschnitt. Derartige Elemente bzw. Beschläge sind insbesondere als Strukturbauteile im Flugzeugbau interessant (z. B. mit Abmessungen in der Größenordnung von einigen 10 cm bis einigen m).
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können insbesondere Bauteile mit reproduzierbarer Qualität gefertigt werden, bei denen ein oder mehrere Abwinkelungsbereiche der flächigen Fasermateriallagen bei der Zusammenfügung der Fasermateriallagen zwangsläufig wenigstens einen keilartig sich verjüngenden Zwischenraum (Zwickel) entstehen lassen.
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Insbesondere wenn ein resultierender Zwischenraum im Wesentlichen vollständig aufgefüllt werden soll, so ergibt sich in der Praxis oftmals die Notwenigkeit eines im Wesentlichen keilförmigen Füllkörpers (”Zwickelfüller”), der bei der Erfindung in einfacher und hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften des fertigen Bauteils vorteilhafter Weise bereitgestellt wird.
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Mit der Erfindung können bauartbedingte Hohlräume bzw. Zwischenräume in textilen Preforms zur Herstellung von Faserverbundbauteilen in einfacher, kostengünstiger und hinsichtlich der Qualität vorteilhafter Weise gefüllt werden. In einer Ausführungsform wird ein Filz mit einem geeigneten Fasermaterial (z. B. gleiche Fasern wie bei den Fasermateriallagen) in ausreichender Dicke gefertigt. Die Dichte des Filzes und der sich daraus ergebende Fasergehalt kann der Anwendung angepasst variabel eingestellt werden. Eine vorgefertigte Filzplatte bzw. Filzbahn kann z. B. mit Hilfe von Messern konfektioniert und in jede für den Füllkörper gewünschte Form gebracht werden.
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Ein und dieselbe Platte Filz kann für viele Füllkörpergeometrien verwendet werden. Mittels einer CNC-gesteuerten Schneidapparatur kann ein besonders reproduzierbares Ergebnis bei der Herstellung des Füllkörpers erzielt werden. Es werden vielfältige Geometrien möglich. Das Fertigen des Füllkörpers, z. B. das Ausschneiden eines Zwickels, kann vorteilhaft erst unmittelbar vor dem Bedarf erfolgen. Oftmals besonders vorteilhafte mechanische Eigenschaften des Bauteils wie auch eine Vereinfachung der Verarbeitung des Vlies- bzw. Filzmaterials ergibt sich bei Verwendung von Material mit Fasern ohne Vorzugsrichtung.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
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1 die Positionierung eines Füllkörpers auf einer flächigen Struktur aus textilen Halbzeugen,
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2 die Zusammenlegung von zwei Verstärkungsprofilen aus textilen Halbzeugen unter Einschluss des Füllkörpers,
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3 eine Ansicht entsprechend 2, nach Infiltration und Aushärtung,
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4 eine Darstellung zur Veranschaulichung der Bereitstellung eines Füllkörpers durch Abtrennung von einer Filzbahn,
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5 einen von der Bahn in 4 abgetrennten Filzkörper,
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6 eine der 2 entsprechende Ansicht für eine weitere Bauteilgeometrie, und
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7 eine der 2 entsprechende Ansicht für eine noch weitere Bauteilgeometrie.
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Die 1 bis 3 veranschaulichen ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils 10' (3) umfassend drei nacheinander durchgeführte Schritte:
- a) Zusammenfügen von drei jeweils flächigen Fasermateriallagen 12-1, 12-2 und 12-3, wobei ein Filzzwickel 14 in einen Zwischenraum eingefügt wird, der von zwei gekrümmten Oberflächenabschnitten 16-1 und 16-2 der Fasermateriallagen 12-1 und 12-2 begrenzt wird.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird hierfür, wie es in 1 dargestellt ist, zunächst der passend formgestaltete Filzzwickel 14 mit einer ebenen Grundfläche auf die Oberseite der Fasermateriallage 12-3 aufgelegt. Sodann werden, wie es in 2 dargestellt ist, die beiden weiteren Fasermateriallagen 12-1 und 12-2 angefügt, so dass der Filzzwickel 14 im Zwischenraum zwischen den mehreren (hier: 3) Fasermateriallagen eingefügt wird. Es resultiert ein Konstrukt 10.
- b) Infiltrieren der Fasermateriallagen 12-1 bis 12-3 und des Filzzwickels 14 mit einem (nicht dargestellten) Matrixmaterial (z. B. Expoxidharz), und nachfolgendes
- c) Aushärten der zusammengefügten und infiltrierten Fasermateriallagen 12-1 bis 12-3 samt Filzzwickel 14.
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Die ausgehärteten und fest miteinander verbundenen Fasermateriallagen samt zwischengefügtem Filzzwickel sind in 3 mit 12'-1, 12'-2, 12'-3 und 14' bezeichnet.
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Das Bauteil 10 ist bei diesem Ausführungsbeispiel, wie aus 3 ersichtlich, ein Profilbauteil mit T-förmigem Querschnitt und besitzt aufgrund der Integration des angebundenen und ausgehärteten Filzzwickels 14' trotz einfacher Herstellung eine hohe mechanische Belastbarkeit.
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In 3 ist die Länge des Profilbauteils 10' der Einfachheit der Darstellung halber relativ kurz (im Vergleich zu den Abmessungen des Pofilquerschnitts) gezeichnet.
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In der Praxis eignet sich das Verfahren insbesondere auch zur Herstellung länglicher, gerade oder gekrümmt verlaufender Profilbauteile.
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Bei der nachfolgenden Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen werden für gleichwirkende Komponenten die gleichen Bezugszahlen verwendet, jeweils ergänzt durch einen kleinen Buchstaben zur Unterscheidung der Ausführungsform. Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bzw. den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen eingegangen und im Übrigen hiermit ausdrücklich auf die Beschreibung vorangegangener Ausführungsbeispiele verwiesen.
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Was die Herstellung eines ganz allgemein aus Filz gebildeten Füllkörpers wie des oben beschriebenen Filzzwickels 14 angelangt, so kann dies in vielfältiger Weise bewerkstelligt werden.
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Die 4 und 5 veranschaulichen eine in der Praxis besonders vorteilhafte Art und Weise der Herstellung eines Füllkörpers 14a (5).
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4 zeigt eine als Vorrat gehaltene Filzplatte (z. B. Nadelfilz) 20a. Die Filzplatte 20a besteht aus einem isotropen Filz mit einer Dicke d, die ausreichend dazu bemessen ist, um benötigte Füllkörper davon abtrennen zu können.
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In 4 sind Schnittlinien für die Abtrennung von Füllkörpern der Form des Füllkörpers 14a gestrichelt eingezeichnet. Die entsprechende Bearbeitung der Filzplatte 20a erfolgt bevorzugt automatisiert, z. B. mittels einer rechnergesteuerten Schneidapparatur.
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Es versteht sich, dass die in 5 dargestellte, keilförmige, prismatische Form des Füllkörpers 14a lediglich beispielhaft zu verstehen ist und mit der beschriebenen Methode auch Füllkörper einer anderen Geometrie aus der Filzplatte 20a abgetrennt bzw. herausgetrennt werden können (z. B. der in 1 dargestellte Filzzwickel 14).
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Die 6 und 7 veranschaulichen weitere Beispiele von zusammengefügten Fasermaterialkonstrukten 10b und 10c zur Herstellung von Faserverbundbauteilen.
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Bei dem Beispiel gemäß 6 wurden vier Fasermateriallagen 12b-1 bis 12b-4, die jeweils als abgewinkelte Profile gestaltet sind, zur Bildung des Konstrukts 10b zusammengefügt. Nach Infiltration und Aushärtung des Konstrukts 10b (samt Vlies-Füllkörper 14b) ergibt sich ein Profilbauteil mit X-förmigem Profilquerschnitt.
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Bei dem Beispiel gemäß 7 wurde im Unterschied zu der mit Bezug auf die 1 bis 3 beschriebene Ausführungsform die dritte Fasermateriallage 12c-3 mit einem ausgebauchten Profilbereich vorgesehen, so dass der zwischengefügte Füllkörper 14c an drei gekrümmte Oberflächenabschnitte 16c-1 bis 16c-3 angrenzt.
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Es versteht sich, dass die bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen dargestellten Details und insbesondere geometrischen Formgestaltungen und Abmessungen in der Praxis weitreichend modifiziert werden können. Wesentlich ist die Verwendung eines Filzs als Füllkörper für wenigstens einen Zwischenraum, der von wenigstens einem gekrümmten Oberflächenabschnitt einer von mehreren Fasermateriallagen begrenzt wird. Der Begriff ”Fasermateriallage” soll hierbei insbesondere so genannte textile Halbzeuge umfassen wie sie in der Faserverbundtechnologie wohlbekannt sind. Hierbei ist es keineswegs ausgeschlossen und insbesondere für vergleichsweise dickwandige Fasermateriallagen sogar zweckmäßig, dass diese jeweils durch ein Übereinanderschichten mehrerer Einzellagen gebildet werden. Eine solche mehrlagige Fasermateriallage kann z. B. während des oben beschriebenen Zusammenfügungsschritts aufgebaut werden. Alternativ ist es z. B. möglich, mehrlagige Fasermateriallagen vorzufertigen, insbesondere als vorimprägnierte und bereits teilausgehärtete Faserverbundwerkstoffe.