DE2854219A1 - Faserverstaerkter kunststoff-bauteil und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents
Faserverstaerkter kunststoff-bauteil und verfahren zu seiner herstellungInfo
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Description
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so/ba/fr - i
MOTOREN- UND TURBINEN-UNION
MÜNCHEN GMBH
MÜNCHEN GMBH
München, 12. Dezember 1978
Faserverstärkter Kunststoff-Bauteil und . Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung bezieht sich auf ein faserverstärktes Kunststoff-Bauteil,
welches wenigstens einen hochbelasteten Bauteilbereich mit relativ einfacher Gestalt, insbesondere
ohne schroffe Querschnittsänderungen, sowie wenigstens einen geringer belasteten Bauteilbereich, insbesondere mit
relativ komplizierter Gestalt, aufweist. Sie betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen faserverstärkten
Kunststoff -Bauteils.
In der Technik, beispielsweise im Triebwerksbau, weisen
häufig aus faserverstärkten Kunststoffen herzustellende Bauteile, wie Gehäuse oder Rotorteile, einerseits Bereiche
mit einer relativ einfachen, zumeist flächigen Gestalt ohne schroffe Querschnittsänderungen auf, die hoch be-
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lastet sind (beispielsweise die Nabe eines integralen Verdichterrades). Andererseits weist jeweils derselbe
Bauteil auch Bereiche mit einer besonders komplizierten Gestalt mit großen Querschnittssprüngen auf, wobei diese
Bauteilbereiche jedoch relativ niedrig belastet sind (beispielsweise der Schaufelkranz eines integralen Verdichterrades)
.
Es ist zwar bekannt, hochbelastete Bauteile dadurch herzustellen, daß man hochfeste Fasern in einer Kunststoff-Matrix
mit Vorzugsrichtung in Richtung der Hauptbeanspruchung anordnet. Solche Teile sind beispielsweise Raketentanks,
Rohre oder Tragflächenbeplankungen von Flugzeugen. Hierfür werden unter anderem Wickeltechniken mit harzgetränkten
Faserbündeln oder Preßprozesse mit vorimprägniertem (Prepreg) Gewebe oder Matten aus Verstärkungsfasern
verwendet. Diese weisen jedoch beim Verarbeiten durch Pressen eine vergleichsweise geringe Fließfähigkeit auf, so
daß kompliziert geformte Hohlräume (entsprechend der Bauteilkontur) in der Form nicht gefüllt werden können. Mit den
vorstehend beschriebenen Verfahren lassen sich daher in erster Linie nur eine relativ einfache Gestalt aufweisende
hochfeste Bauteile ohne schroffe Querschnittssprünge herstellen.
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Andererseits sind Verfahren bekannt, bei denen ungerichtete, zumeist kurze Fasern mit einer Kunststoff-Matrix
verspritzt oder verpreßt werden, so daß ein weitgehend isotoper und somit mehrachsig belastbarer Werkstoff entsteht,
dessen Festigkeitswerte jedoch verständlicherwexse deutlich tiefer liegen als die des gerichtet faserverstärkten
Kunststoffs. Durch diese Verfahren können aufgrund der guten "Fließfähigkeit" des Werkstoffs bei der Verarbeitung
auch äußerst kompliziert geformte Bauteile mit extremen Querschnittsprüngen schnell und reprodzierbar
hergestellt werden.
Liegt nun jedoch die Aufgabe vor, ein faserverstärktes
Kunststoff-Bauteil der eingangs beschriebenen Gattung, welches sowohl hochbelastete Bauteilbereiche mit relativ
einfacher Gestalt als auch geringer belastete Bauteilbereiche mit relativ komplizierter Gestalt aufweist, herzustellen,
so ist diese Aufgabe durch keines der bekannten Herstellverfahren zufriedenstellend lösbar. Würde
man nämlich dieses die verschiedenen unterschiedlichen Bauteilbereiche aufweisenden Bauteil aus gerichtet
faserverstärktem Kunststoff herstellen, so hätte es · insgesamt zwar eine besonders hohe Festigkeit. Diese
hohe Festigkeit würde damit jedoch auch in den weniger
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belasteten Bauteilbereichen vorliegen, was eine unnötige
Verteuerung des Bauteils ergeben würde, zumal gerichtet faserverstärkter Kunststoff verständlicherweise merklich
teurer ist als ungerichtet faserverstärkter Kunststoff. Ein besonders wesentlicher Nachteil läge jedoch darin,
daß bei Anwendung dieses Verfahrens zumindest nicht mit Sicherheit gewährleistet wäre, daß der gerichtet faserverstärkte
Kunststoff, welcher j-a eine geringere "Fließfähigkeit" hat, auch die den komplizierter geformten Bauteilbereichen
entsprechenden Formhohlräume immer genau ausfüllt. Geschieht dies nicht, so ergeben sich fehlerhafte
Bauteile, was schwerwiegende nachteilige Folgen haben kann.
Würde man hingegen ein derartiges verschiedene unterschiedliche Bauteilbereiche aufweisendes Bauteil nach
dem anderen bekannten Verfahren, nämlich vollkommen aus ungerichtet faserverstärktem Kunststoff herstellen,
so ergäbe sich zwar auch in den komplizierter geformten Bauteilbereichen eine gute Konturgenauigkeit. Jedoch ergäbe
sich bei Anwendung dieses Verfahrens andererseits der schwerwiegende Nachteil, daß der Bauteil in den hochbelasteten
Bauteilbereichen eine zu geringe Festigkeit besitzen würde» Somit widersprechen die Forderungen der
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verschiedenen unterschiedlichen Bauteilbereiche innerhalb ein und desselben Bauteils den Realisierungsmöglichkeiten
der beiden Gattungen von bekannten Herstellverfahren.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen faserverstärkten Kunststoff-Bauteil der eingangs
beschriebenen Gattung sowie ein einfaches und wirksames Verfahren zu seiner Herstellung zu schaffen,
welches unter Beibehaltung der Vorzüge der bekannten Verfahren deren Nachteile vermeidet und es insbesondere
ermöglicht, in den einfacher geformten hochbelasteten Bauteilbereichen eine entsprechend hohe Festigkeit
und auch in den komplizierter geformten geringer
belasteten Bauteilbereichen eine ausreichende Konturgenauigkeit sicherzustellen.
Diese Aufgabe wird bei einem faserverstärkten Kunststoff-Bauteil
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der hochbelastete Bauteilbereich aus gerichtet faserverstärktem
Kunststoffmaterial und der geringer belastete Bauteilbereich aus ungerichtat faserverstärktem Kunststoff
material besteht. Das Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kunststoff-Bauteils ist erfindungsgemäß
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dadurch gekennzeichnet, daß man den Bauteilbereich mit
!angerichtet faserverstärktem Kunststoffmaterial in eine
Form einbringt und miteinander verbindet. Für das erfindungsgemäße Herstellverfahren ergeben sich verschiedene,
weiter unten im Einzelnen aufgeführte Realisierungsmöglichkeiten .
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe auf einfache Weise durch eine Kombination der beiden bisher bekannten
Herstellverfahren, Dabei wird erfindungsgemäß in die einzelnen unterschiedlichen Bauteilbereiche jeweils die
Sorte von faserverstärktem Kunststoff eingebracht, die hinsichtlich der dort jeweils geforderten Beanspruchbarkeit
und Formbarkeit erforderlich und ausreichend ist. Das erfindungsgemäße Herstellverfahren vereinigt somit
auf besonders vorteilhafte Weise die Vorteile der bisher bekannten Verfahren, wobei deren Nachteile vermieden werden.
Insbesondere werden durch die Erfindung auch die Werkstoff- und Herstellkosten bei der Herstellung eines
erfindungsgemäßen Kunststoff-Bauteils so gering wie möglich gehalten. Insgesamt ergibt die Erfindung mit einfachen
Mitteln den jeweils auftretenden Belastungen vollkommen entsprechende faserverstärkte Kunststoffbauteile mit guter
Konturgenauigkeit, Funktionssicherheit und Lebensdauer.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Verfahrens bringt man gleichzeitig Prepreglagen und ungerichtet faserverstärktes Kunststoffmaterial
entsprechend dem jeweiligen Bauteilbereich in eine Preßform ein und verpreßt diese in einem Arbeitsgang. Dabei
läßt sich der ungerichtet faserverstärkte Kunststoff vor dem Preßvorgang vorzugsweise auf zwei verschiedene Arten
gegenüber den Prepreglagen anordnen: bei einem rotationssymmetrisehen
Bauteil (beispielsweise integrales Verdichterrad) kann das ungerichtet faserverstärkte Kunststoffmaterial
konzentrisch am Umfang der Prepreglagen angeordnet sein. Bei relativ flächigen Bauteilen (beispielsweise
Verdichtergehäuse) kann das ungerichtet faserverstärkte Kunststoffmaterial an der späteren Bauteiloberfläche angeordnet
sein.
Gemäß einer anderen Verfahrensvariante ordnet man das ungerichtet faserverstärkte Kunststoffmaterial zwischen
wenigstens zwei Gruppen von Prepreglagen an, wobei beim Preßvorgang die ungerichtet faserverstärkte Kunststoffmasse
aufgrund ihrer besseren Verformbakriet die Formhohlräume gut ausfüllen kann und sich eine gute Verbindung
zwischen den beiden Bauteilbereichen ergibt.
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Bei einer anderen ebenfalls vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Bauteilbereich aus
ungerichtet faserverstärktem Kunststoffmaterial durch separates Pressen oder Spritzen vorgefertigt und zusammen
mit den'Prepreglagen in eine Preßform eingelegt, wonach
die Prepreglagen mit dem separat vorgefertigten Bauteilbereich unter gleichzeitiger Verklebung an den Kontaktflächen
verpreßt werden. Hierbei ergibt sich eine besonders gute Verbindung zwischen den beiden verschiedenen
Bauteilbereichen.
Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß man den Bauteilbereich aus gerichtet faserverstärktem
Kunststoffmaterial aus Prepreglagen durch separates Pressen vorfertigt, zusammen mit dem ungerichtet faserverstärkten
Kunststoffmaterial in eine Preßform einbringt und dieses mit dem separat vorgefertigten Bauteilbereich
verpreßt. Bei einer Abwandlung dieses Verfahrens kann man jedoch erfindungsgemäß den separat vorgefertigten
Bauteilbereich auch in eine Spritzform einlegen und mit dem ungerichteten faserverstärkten Kunststoffmaterial umspr.itzen.
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Bei einer nochmals weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens - fertigt man den Bauteilbereich
aus gerichtet faserverstärktem Kunststoffmaterial in
wenigstens zwei Teilstücken und den Bauteilbereich aus ungerichtet faserverstärktem Kunststoffmaterial jeweils
separat vor, bringt die separat vorgefertigten Bauteilbereiche zusammen mit zwischen den beiden. Teilstücken
angeordnetem ungerichtet faserverstärktem Kunststoffmaterial in eine Preßform ein und verpreßt diese unter
Verklebung durch dieses Kunststoffmaterial miteinander. Auch bei dieser Verfahrensausbildung ergibt sich eine
besonders feste Verbindung zwischen den einzelnen Bauteilbereichen.
Ein weiteres besonders vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen faserverstärkten Kunststoff-Bauteils
ist dadurch gekennzeichnet, daß man den Bauteilbereich aus gerichtet faserverstärktem Kunststoffmaterial
und den Bauteilbereich aus ungerichtet faserverstärktem Kunststoffmaterial jeweils separat vorfertigt
und, vorzugsweise unter Anwendung von Druck und Wärme, in einem Arbeitsgang verklebt. Bei diesem Herstellverfahren
ergibt sich eine weitere Vereinfachung dadurch, daß eine gemeinsame Preßform zum endgültigen Verbinden
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der einzelnen Bauteilbereiche miteinander grundsätzlich nicht erforderlich ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand verschiedener in der Zeichnung schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele
näher erläutert. In den Zeichnungsfiguren ist jeweils ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen
faserverstärkten Kunststoff-Bauteils, insbesondere eines integralen Axialverdichterrades einer Kleingasturbine,
veranschaulicht. Im Einzelnen zeigen:
Fig. 1 die Herstellung aus Prepreglagen und ungerichtet
faserverstärktem Kunststoffmaterial in einer Preßform,
Fig. 2 eine Abwandlung des Herstellverfahrens gemäß Fig. 1, bei welcher man das ungerichtet
faserverstärkte Kunststoffmaterial zwischen
zwei Gruppen von Prepreglagen anordnet,
Fig. 3 die Herstellung aus einem separat vorgefertigten Bauteilbereich aus ungerichtet faserverstärktem
Kunststoffmaterial und Prepreglagen in einer Preßform,
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Fig. 4 die Herstellung aus einem aus Prepreglagen separat vorgefertigten Bauteilbereich
und ungerichtet faserverstärktem Kunststoffmaterial in einer Preßform,
Fig. 5 die Herstellung aus jeweils separat vorgefertigten
Bauteilbereichen aus gerichtet bzw. ungerichtet faserverstärktem Kunststoffmaterial
in einer Preßform und
Fig. 6 die Herstellung aus jeweils separat vorgefertigten
Bauteilbereichen aus gerichtet bzw. ungerichtet faserverstärktem Kunststoff material
durch Verkleben dieser.
Gemäß den Zeichnungsfiguren 1 bis 5 ist die Preßform jeweils
durch ein Gelenk 1 und einen Stempel 2 gebildet, welcher zur HerStellung des jeweils gewünschten faserverstärkten
Kunststoff-Bauteils, wie durch Pfeile .angedeutet,
in das Gesenk 1 einpreßbar ist.
Im Einzelnen wird bei dem Herstellverfahren gemäß Fig. 1 ein integrales Axialverdichterrad dadurch erzeugt, daß
man gleichzeitig kaum fließfähige Prepreglagen 3 aus ge-
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richtet faserverstärktem Kunststoffmaterial (für die einfach
geformte hochfeste Nabe des Verdichterrades) und ungerichtet faserverstärktes Kunststoffmaterial 4 mit
guter Fließfähigkeit (für den relativ kompliziert geformten nicht hochfesten Schaufelkranz des Verdichterrades)
in die Preßform 1,2 einbringt. Danach werden die in die Preßform 1,2 eingebrachten Materialien in einem
Arbeitsgang verpreßt. Es ergibt sich somit ein praktisch fertiges Axialverdichterrad aus faserverstärktem Kunststoff
material , bei welchem einerseits die Nabe und andererseits der Schaufelkranz aus entsprechend den Erfordernissen
unterschiedlich festem und unterschiedlich verformbarem Material besteht, wobei diese unterschiedlichen Bauteilbereiche
fest miteinander verbunden sind.
In Fig. 2 ist eine Variante des in Fig. 1 veranschaulichten Verfahrens dargestellt. Bei dieser Verfahrensvariante
ordnet man das ungerichtet faserverstärkte Kunststoffmaterial 5 zwischen zwei Gruppen von Prepreglagen 6, 7 in
der Preßform 1, 2 an. Beim Preßvorgang füllt die ungerichtet
faserverstärkte Kunststoffmasse 5 infolge ihrer besseren Fließfähigkeit die dem Schaufelkranz entsprechenden
Formhohlräume gut aus. Bei dieser Verfahrensvariante ergibt sich eine gegenüber der Fig. 1 noch weiter ver-
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besserte Verbindung zwischen den Bauteilbereichen, welche einerseits die Nabe und andererseits den Schaufelkranz
des Verdichterrades bilden.
Bei der in Fig. 3 veranschaulichten Verfahrensausführung
wird zunächst der den Schaufelkranz bildende Bauteilbereich 8 aus ungerichtet faserverstärktem Kunststoffmaterial
durch separates Pressen oder Spritzen in einer anderen Form vorgefertigt. Der vorgefertigte Bauteilbereich wird
zusammen mit den die Nabe des Verdichterrades bildenden Prepreglagen 9 aus gerichtet faserverstärktem Kunststoffmaterial
in die Preßform 1,2 eingelegt, und die Prepreglagen 9 werden mit dem separat vorgefertigten Bauteilbereich
8 unter gleichzeitiger Verklebung an den Kontaktflächen verpreßt. Auch bei diesem Herstellverfahren ergibt
sich ein konturgenaues Verdichterrad mit verschiedenen Bauteilbereichen mit jeweils den bereits beschriebenen
Eigenschaften, wobei diese Bauteilbereiche gut miteinander
verbunden sind.
In Fig. 4 ist ein anderes ebenfalls vorteilhaftes Herstellverfahren
veranschaulicht, bei welchem man zunächst den Bauteilbereich 10 aus gerichtet faserverstärktem Kunststoffmaterial
aus Prepreglagen durch separates Pressen in
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einer anderen Form vorfertigt. Der derart vorgefertigte Bauteilbereich 10 wird in die Preßform 1,2 zusammen mit
dem ungerichtet faserverstärkten Kunststoffmaterial 11
eingebracht, wonach letzteres mit dem vorgefertigten Bauteilbereich 10 verpreßt wird. Gemäß einer Abwandlung
des Herstellverfahrens nach Fig. 4 kann der vorgefertigte Bauteilbereich 10 anstatt in eine Preßform auch in eine
(nicht dargestellte) Spritzform eingelegt werden und mit dem ungerichtet faserverstärkten Kunststoffmaterial 11
umspritzt werden. In beiden Fällen ergibt sich ein den auftretenden Beanspruchungen gerecht werdendes konturgetreues
Verdichterrad.
Bei dem in Fig. 5 dargestellten Verfahren fertigt man den Bauteilbereich aus gerichtet faserverstärktem Kunststoffmaterial
in zwei Teilstücken 12, 13 sowie den Bauteilbereich 14 aus ungerichtet faserverstärkten Kunststoffmaterial
zunächst jeweils in anderen Formen separat vor. Die vorgefertigten Bauteilbereiche 12, 13, 1'4 werden anschliessend
zusammen mit zwischen den Teilstücken 12 und 13 angeordnetem ungerichtet faserverstärktem Kunststoffmaterial
15 in die Preßform 1, 2 eingebracht, wonach unter Verklebung durch die Kunststoffmasse 15 sämtliche Bauteilbereiche
12, 13, 14 miteinander verpreßt werden. Dieses Herstellverfahren ermöglicht somit die Herstellung eines Verdich-
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terrades mit den gewünschten Eigenschaften vollkommen aus
vorgefertigten verschiedenen Bauteilbereichen, welche in einer Preßform gut miteinander verbunden werden.
Schließlich ist bei dem in Fig. 6 veranschaulichten Herstellverfahren
eine Preßform zur Verbindung der jeweils separat vorgefertigten Bauteilbereiche 12a, 13a, 14a entbehrlich.
Bei diesem Verfahren werden die vorgefertigten Bauteilbereiche 12a, 13a, 14a unter Anwendung von Druck und
Wärme mittels Klebstoff 16 in einem Arbeitsgang miteinander
verklebt. Das sich bei diesem Herstellverfahren ergebende Verdichterrad weist im gleichen Maße die vorteilhaften
Eigenschaften auf wie die nach den vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellten Verdichterräder.
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MÜNCHEN GMBHMünchen, 12. Dezember 1978Patentansprüche1. - Faserverstärkter Kunststoff-Bauteil, welcher wenigstens einen hochbelasteten Bauteilbereich mit relativ einfacher Gestalt, insbesondere ohne schroffe Querschnittsänderungen, sowie wenigstens einen geringer belasteten Bauteilbereich, insbesondere mit relativ komplizierter Gestalt, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der hochbelastete Bauteilbereich (3, 6, 7, 9, 10, 12, 13, 12,a, 13a) aus gerichtet faserverstärktem Kunststoffmaterial und der geringer belastete Bauteilbereich (4, 5, 8, 11, 14, 14a) aus ungerichtet faserverstärktem Kunststoffmaterial besteht.(2 J Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoff-Bauteils nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Bauteilbereich mit gerichtet faserverstärktem030026/0217Kunststoffmaterial, vorzugsweise als Prepregs, sowie den Bauteilbereich mit ungerichtet faserverstärktem Kunststoffmaterial in eine Form einbringt und miteinander verbindet.3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man gleichzeitig Prepreglagen und ungerichtet faserverstärktes Kunststoffmaterial entsprechend dem jeweiligen Bauteilbereich in eine Preßform einbringt und in einem Arbeitsgang verpreßt.4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man das ungerichtet faserverstärkte Kunststoffmaterial zwischen wenigstens zwei Gruppen von Prepreglagen anordnet .5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man den Bauteilbereich aus ungerichtet faserverstärktem Kunststoffmaterial durch separates Pressen oder Spritzen vorfertigt, diesen zusammen mit den Prepreglagen in eine Preßform einlegt und die Prepreglagen mit dem separat vorgefertigten Bauteilbereich unter gleichzeitiger Verklebung an den Kontaktflächen verpreßt.T-585
12.12.1978030026/02176. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man den Bauteilbereich aus gerichtet faserverstärktem Kunststoffmaterial aus Prepreglagen durch separates Pressen vorfertigt, zusammen mit dem ungerichtet faserverstärkten Kunststoffmaterial in eine Preßform einbringt und dieses mit dem separat vorgefertigten Bauteilbereich verpreßt.7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man den Bauteilbereich aus gerichtet faserverstärktem Kunststoffmaterial aus Prepreglagen durch separates Pressen vorfertigt, in eine Spritzform einlegt und mit dem ungerichtet faserverstärkten Kunststoffmaterial umspritzt.8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man den Bauteilbereich aus gerichtet faserverstärktem Kunststoffmaterial in wenigstens zwei Teilstücken und den Bauteilbereich aus ungerichtet faserverstärktem Kunststoffmaterial jeweils separat vorfertigt, zusammen mit zwischen den beiden Teilstücken angeordnetem ungerichtet faserverstärktem Kunststoffmaterial in eine Preßform einbringt und unter Verklebung durch dieses Kunststoffmaterial miteinander verpreßt.T-585
12.12.1978030026/02179. Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoff bauteils nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Bauteilbereich aus gerichtet faserverstärktem Kunststoffmaterial und den Bauteilbereich aus ungerichtet faserverstärktem Kunststoffmaterial jeweils separat vorfertigt und, vorzugsweise unter Anwendung von Druck und Wärme, in einem Arbeitsgang verklebt.T-585
12.12.1978030026/0217
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