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Diese Erfindung betrifft eine verbesserte Gewebebindung von der Art einer verbundenen,
mehrschichtigen Textur, die in der Herstellung von Werkstücken aus Verbundmaterialien, die
starken Belastungen und/oder Stößen ausgesetzt werden, verwendet werden kann. Als
Beispiele für Werkstücke, die aus Texturen gemäß dieser Erfindung hergestellt werden können,
können die Gebläseschaufeln mit großer Weite in Triebwerken von Zivil- oder Militärflugzeugen,
die Arme am Aufbau von Gehäusen von Triebwerken von Zivil- oder Militärflugzeugen, die
Schaufelvorderkanten oder selbstversteifte Bleche von Luftfahrzeugen genannt werden.
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Gegenstand dieser Erfindung ist daher eine faserartige Textur, die einen Gewebevorformling
für die Herstellung solcher Werkstücke bildet, der auf flüssigem Wege, z. B. durch das
"RTM"-Spritzverfahren (Resin Transfer Moulding), oder auf gasförmigem Wege vorgetränkt
oder getränkt werden kann. Dazu muss der Gewebevorformling eine bestimmte Anzahl von
Kriterien oder Bedingungen erfüllen:
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- Verwendung von Fasern mit sehr hoher mechanischer Festigkeit, jedoch a priori brüchig beim
Weben, z. B. Kohlenstofffasern mit hohem Modul.
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- Verwendung von Fasern mit ungewöhnlicher und hoher Kohlenstoff-Titrierung von
beispielsweise 48 oder 96 Kilofilament oder sogar darüber.
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- Größtmöglicher Verbindungsgrad in der Richtung der Dicke der Textur.
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- Möglichkeiten der Herstellung von Verbundmaterialien mit einem hohen Raumerfüllungsgrad
der Fasern, insbesondere einem Grad von mehr als 57% bei den Konstruktions-
Verbundmaterialien.
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- Linearität der Schussfäden der Textur.
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- Kleiner Verbindungswinkel (insbesondere weniger als 15º) zwischen den Kettfäden und den
Schussfäden, und Möglichkeit, das Weben ungleichgewichtig zu machen, um die Nicht-
Linearität der Kettfäden zu kompensieren und die Eigenschaften im Gewebe einzustellen
(beispielsweise mit einem Verhältnis von 70% Kettfäden und 30% Schussfäden).
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- Möglichkeit, das ungleichgewichtige Weben umzukehren (durch Drehen der Bindung um
90º), um die Linearität zu verbessern.
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- Herstellung einer verbundenen Textur mit einer großen Verformbarkeit.
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Die sogenannten "1D"- und "2D"-Gewebestrukturen, deren Fasern in einer einzigen Richtung
bzw. in zwei verschiedenen Richtungen verlaufen, genügen den oben angegebenen Ansprüchen
ganz offensichtlich nicht. Die mehrschichtigen, sogenannten "3D"- Strukturen (bei denen die
Fasern in drei Richtungen im Raum verlaufen), können sich zum Teil den auf dem
Anwendungsgebiet dieser Erfindung angestrebten Zielen annähern. Was die mehrschichtigen
Strukturen mit mehr als drei Faserrichtungen ("4D", "SD", "9D", "11D") betrifft, können diese,
insbesondere auf Grund der extremen Kompliziertheit ihrer Herstellung in automatisierbaren
Verfahren, nicht industriell genutzt werden.
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Wir kommen hier detaillierter auf die mehrschichtigen Strukturen des Typs "3D" zurück.
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Bei diesen Strukturen sind die durch Nähte verbundenen, mehrschichtigen "3D"-Teuren
bekannt, bei denen die Linearität der Kettfäden vollkommen eingehalten wird und die von
Interesse dafür sind, Verstärkungsfäden in anderen Winkeln zu enthalten. Diese Art der Bindung
ermöglicht es jedoch nicht, den erzielten Verbundmaterialien eine gute Stoßfestigkeit zu
verleihen.
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Ferner sind die durch Weben verbundenen mehrschichtigen "3D"-Texturen bekannt,
insbesondere die "3D-orthogonal"-Textur, die die Bindung mit der besten Linearität der Kettfäden und
Schussfäden ist und eine gute Druckfestigkeit besitzt. Urn hier jedoch den gewünschten Faser-
Volumenanteil zu erhalten, wird die "3D"-Textur dermaßen zusammengedrückt, dass die in
der dritten Richtung angeordneten Fäden, die nicht linear, sondern eher gewellt sind, nicht an
den Kraftübertragungen teilhaben.
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Die mehrschichtigen, "3D-nicht-orthogonal"-Texturen sind zwar besser geeignet, jedoch haben
sie den Nachteil, dass sie zu große Verbindungswinkel aufweisen, was bei den einfachen
Bindungen wie der mehrschichtigen Leinwandbindung, der mehrschichtigen Satinbindung oder der
mehrschichtigen Köperbindung und auch bei den komplizierteren Bindungen wie der unter der
Bezeichnung "3K" bekannten Bindungen der Fall ist.
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Die besondere "3D-nicht-orthogonal"-Textur, auch "",SD" genannt, die in der Schrift FR-A-2
610 951 beschrieben wird, ist die beste bis heute bekannte Bindung, die eine geringe Volumenzunahme
durch Quellen und einen hohen Prozentsatz eingesetzter Oberfläche aufweist, aber
auch eine geringe Linearität. Die einschränkende Definition dieser Textur verleiht ihr jedoch
Winkelunregelmäßigkeiten, die die Stoßfestigkeit nachteilig beeinflussen, und beschränkt die
(durch Drehung der Bindung um 90º) umkehrbaren Gewebedefinitionen auf schwache
Gewebedichten, außer es wird eine hohe Anzahl von zusätzlichen Schichten hinzugefügt, was für die
industrielle Automatisierung nachteilig ist.
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Diese Erfindung hat zur Aufgabe, diese Nachteile zu beseitigen und also eine neue Textur zu
schaffen, die alle zuvor betrachteten wünschenswerten Eigenschaften besitzt, und dabei
gleichzeitig die Kräfteübertragungen und die Druckfestigkeit zu optimieren, wobei diese Textur
durch dem Fachmann bekannte und/oder leicht von ihm zu adaptierende industrielle
Webtechniken herstellbar bleibt.
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Zu diesem Zweck und gemäß dem Anspruch ist Gegenstand dieser Erfindung eine verbundene,
mehrschichtige Textur für Verbundmaterialien, deren Grundbindung einerseits mindestens
achtundzwanzig Schussfäden aufweist, die in mindestens acht Säulen verteilt sind, die sich
jeweils in der Richtung der Dicke der Textur erstrecken, wobei die Schussfäden im Zickzack
unter Abwechseln der Säulen mit mindestens drei übereinander liegenden und durch einen
bestimmten Schritt voneinander beabstandeten Schussfäden und der Säulen mit mindestens vier
übereinander liegenden und durch den gleichen Schritt voneinander beabstandeten Schussfäden
angeordnet sind, wobei auf diese Weise die Schussfäden in mindestens sieben Niveaus
angeordnet sind, und andererseits mindestens zwölf Kettfäden aufweist, die in mindestens vier
parallelen Ebenen angeordnet sind, wobei jede Ebene mindestens drei parallel übereinander
liegende Kettfäden aufweist, wobei
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- ein erster Kettfaden den äußeren oberen Schussfäden einer Säule mit mindestens vier
Schussfäden mit einem zwischenliegenden oberen Schussfaden einer Säule mit mindestens vier
Schussfäden verbindet, die von der vorigen Säule um mindestens zwei Schritte beabstandet
ist, und dann zu einem äußeren oberen Schussfaden einer Säule mit mindestens vier
Schussfäden zurückkehrt, die von der ersten Säule um mindestens vier Schritte beabstandet ist,
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- mindestens ein weiterer Kettfaden einen zwischenliegenden oberen Schussfaden einer Säule
mit mindestens vier Schussfäden mit einem zwischenliegenden unteren Schussfaden einer
Säule mit mindestens vier Schussfäden verbindet, die von der vorigen Säule um mindestens
zwei Schritte beabstandet ist, und dann zu einem zwischenliegenden oberen Schussfaden einer
Säule mit mindestens vier Schussfäden zurückkehrt, die von der ersten Säule um
mindestens vier Schritte beabstandet ist,
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- ein dritter oder letzter Kettfaden einen zwischenliegenden unteren Schussfaden einer Säule
mit mindestens vier Schussfäden mit dem äußeren unteren Schussfaden einer Säule mit
mindestens vier Schussfäden verbindet, die von der vorigen Säule um mindestens zwei Schritte
beabstandet ist, und dann zu einem zwischenliegenden unteren Schussfaden einer Säule mit
mindestens vier Schussfäden zurückkehrt, die von der ersten Säule um mindestens vier
Schritte beabstandet ist,
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wobei die Positionen der parallelen Kettfäden von einer Ebene zur nächsten in Längsrichtung
um einen Schritt verschoben sind.
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Gemäß dieser Definition erhält man eine mehrschichtige Struktur mit einem hohen
Verbindungsgrad, der eine überraschende Verbesserung der Festigkeit gegen Schichtspaltung und
damit insbesondere eine große Stoßfestigkeit bewirkt, wobei die Struktur gleichzeitig eine
ausreichende Verformbarkeit für die betrachteten Anwendungen bewahrt, wobei durch die
Verzahnung der Schussfäden im Zickzack bei einem gegebenen Gewebebild der
Verbindungswinkel der Kettfäden verkleinert werden kann und Winkelunregelmäßigkeiten an diesen Fäden
vermieden werden können.
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Die Erfindung geht näher aus der folgenden Beschreibung hervor, die Bezug auf dis
beigefügten Zeichnungen nimmt, die als Beispiel eine Ausführungsform dieser verbundenen,
mehrschichtigen Textur für Verbundmaterialien zeigen, wobei
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Fig. 1 eine sehr schematische Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen verbundenen,
mehrschichtigen Textur im Schnitt zeigt,
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Fig. 2 im Schnitt und detaillierter die Kettfäden zeigt, die in einer Ebene liegen,
die Fig. 3, 4 und 5 analog zu Fig. 2 Kettfäden zeigen, die in einer zweiten Ebene, einer
dritten Ebene bzw. einer vierten Ebene liegen.
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Die Figuren zeigen die Grundbindung einer erfindungsgemäßen Struktur. Diese Grundbindung
umfasst achtundzwanzig Schussfäden, die im Zickzack in sieben aufeinander folgenden
Niveaus N1 bis N7 angeordnet sind und auf acht Säulen C1 bis C8 verteilt sind, und zwar:
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- eine erste Säule C1 von vier übereinander liegenden Schussfäden 1, 2, 3, 4, die sich in den
Niveaus N1, N3, N5 bzw. N7 befinden;
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- eine zweite Säule C2 von drei übereinander liegenden Schussfäden 5, 6, 7, die sich in den
Niveaus N2, N4 bzw. N6 befinden;
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- eine dritte Säule C3 von vier übereinander liegenden Schussfäden 8, 9, 10, 11, die sich in den
Niveaus N1, N3, N5 bzw. N7 befinden;
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- eine vierte Säule C4 von drei übereinander liegenden Schussfäden 12, 13, 14, die sich in den
Niveaus N2, N4 bzw. N6 befinden;
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- eine fünfte Säule C5 von vier übereinander liegenden Schussfäden 15, 16, 17, 18, die sich in
den Niveaus N1, N3, N5 bzw. N7 befinden;
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- eine sechste Säule C6 von drei übereinander liegenden Schussfäden 19, 20, 21, die sich in den
Niveaus N2, N4 bzw. N6 befinden;
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- eine siebte Säule C7 von vier übereinander liegenden Schussfäden 22, 23, 24, 25, die sich in
den Niveaus N1, N3, N5 bzw. N7 befinden;
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- eine achte Säule C8 von drei übereinander liegenden Schussfäden 26, 27, 28, die sich in den
Niveaus N2, N4 bzw. N6 befinden.
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Die Säulen C1, C3, C5, C7, die aus vier übereinander liegenden Schussfäden bestehen, sind
durch gleichbleibende Zwischenräume voneinander getrennt, die einem bestimmten Schritt P
entsprechen. Der gleiche Schritt P trennt die von drei übereinander liegenden Schussfäden
gebildeten Säulen C2, C4, C6, C8 voneinander, die zwischen den vorigen angeordnet sind. Das
oben beschriebene Grundmuster wiederholt sich selbstverständlich in der Längsrichtung
(Richtung der Kettfäden).
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Die Schussfäden 1 bis 28 sind miteinander durch Kettfäden verbunden, deren es in der
Grundbindung zwölf an der Zahl sind, und die auf vier parallele Ebenen P1, P2, P3, P4 verteilt sind.
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Fig. 1 zeigt sehr schematisch die Gesamtheit der Kettfäden, während die Fig. 2 bis 5 - um
der Klarheit willen getrennt - die Kettfäden der einzelnen Ebenen P1 bis P4 zeigen. Jede dieser
Ebenen weist drei parallele, übereinander liegende Kettfäden auf, wobei die Anordnung im
Detail folgende ist:
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In der Ebene P1 (Fig. 2) verbindet ein erster Kettfaden 29 den äußeren oberen Schussfaden 1
der Säule C1 mit dem zwischenliegenden oberen Schussfaden 16 der Säule C5, und kehrt dann
zu dem äußeren oberen Schussfaden zurück, der dem Faden 1 in dem folgenden Grundmuster
entspricht. Ein zweiter Kettfaden 30 verbindet den zwischenliegenden oberen Schussfaden 2
der Säule C1 mit dem zwischenliegenden unteren Schussfaden 17 der Säule C5, und kehrt dann
zu dem zwischenliegenden oberen Schussfaden zurück, der dem Faden 2 in dem folgenden
Grundmuster entspricht. Ein dritter Kettfaden 31 verbindet den zwischenliegenden unteren
Schussfaden 3 der Säule C1 mit dem äußeren unteren Schussfaden 18 der Säule C5, und kehrt
dann zu dem zwischenliegenden unteren Schussfaden zurück, der dem Faden 3 in dem
folgenden Grundmuster entspricht.
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In der Ebene P2 (Fig. 3) verbindet ein erster Kettfaden 32 den äußeren oberen Schussfaden 8
der Säule C3 mit dem zwischenliegenden oberen Schussfaden 23 der Säule C7, und kehrt dann
zu dem äußeren oberen Schussfaden zurück, der dem Faden 8 in dem folgenden Grundmuster
entspricht. Ein zweiter Kettfaden 33 verbindet den zwischenliegenden oberen Schussfaden 9
der Säule C3 mit dem zwischenliegenden unteren Schussfaden 24 der Säule C7, und kehrt dann
zu dem zwischenliegenden oberen Schussfaden zurück, der dem Faden 9 in dem folgenden
Grundmuster entspricht. Ein dritter Kettfaden 34 verbindet den zwischenliegenden unteren
Schussfaden 10 der Säule C3 mit dem äußeren unteren Schussfaden 25 der Säule C7, und
kehrt dann zu dem zwischenliegenden unteren Schussfaden zurück, der dem Faden 10 in dem
folgenden Grundmuster entspricht.
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In der Ebene P3 (Fig. 4) verbindet ein erster Kettfaden 35 den äußeren oberen Schussfaden 15
der Säule C5 mit dem zwischenliegenden oberen Schussfaden 2 der Säule C1 in dem folgenden
Grundmuster, und kehrt dann zu dem äußeren oberen Schussfaden zurück, der dem Faden 15
in dem folgenden Grundmuster entspricht. Ein zweiter Kettfaden 36 verbindet den
zwischenliegenden oberen Schussfaden 16 der Säule C5 mit dem zwischenliegenden unteren
Schussfaden 3 der Säule C 1 in dem folgenden Grundmuster, und kehrt dann zu dem zwischenliegenden
oberen Schussfaden zurück, der dem Faden 15 in dem folgenden Grundmuster entspricht. Ein
dritter Kettfaden 37 verbindet den zwischenliegenden unteren Schussfaden 17 der Säule C5 mit
dem äußeren unteren Schussfaden 4 der Säule C1 in dem folgenden Grundmuster, und kehrt
dann zu dem zwischenliegenden unteren Schussfaden zurück, der dem Faden 17 in dem
folgenden Grundmuster entspricht.
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In der Ebene P4 (Fig. 5) schließlich verbindet ein erster Kettfaden 38 den äußeren oberen
Schussfaden 22 der Säule C7 mit dem zwischenliegenden oberen Schussfaden 9 der Säule C3
in dem folgenden Grundmuster, und kehrt dann zu dem äußeren oberen Schussfaden zurück,
der dem Faden 22 in dem folgenden Grundmuster entspricht. Ein zweiter Kettfaden 39
verbindet den zwischenliegenden oberen Schussfaden 23 der Säule C7 mit dem zwischenliegenden
unteren Schussfaden 10 der Säule C3 in dem folgenden Grundmuster, und kehrt dann zu dem
zwischenliegenden oberen Schussfaden zurück, der dem Faden 23 in dem folgenden
Grundmuster entspricht. Ein dritter Kettfaden 40 verbindet den zwischenliegenden unteren
Schussfaden 24 der Säule C7 mit dem äußeren unteren Schussfaden 11 der Säule C3 in dem folgenden
Grundmuster, und kehrt dann zu dem zwischenliegenden unteren Schussfaden zurück, der dem
Faden 24 in dem folgenden Grundmuster entspricht.
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Es kann angemerkt werden, dass sich von einer Ebene zur nächsten die gleiche Konfiguration
von drei parallelen Kettfäden wiederfinden, dabei einfach um den Wert des oben definierten
Schritts P in Längsrichtung verschoben sind.
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Selbstverständlich kann sich diese Grundkonfiguration, die in vier Ebenen festgelegt ist, in
Querrichtung unbegrenzt wiederholen, wobei die einzelnen Kettfäden 29 bis 40 auf diese
Weise Gewebebahnen bilden.
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Insgesamt wird damit eine verbundene, mehrschichtige Textur hergestellt, die sich durch
Wiederholung des gleichen Grundmusters in ihrer Ebene unbegrenzt erstrecken kann.
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Als Beispiel für ein gemäß dieser Textur hergestelltes Material kann ein Material angeführt
werden, das aus Kohlenstofffasern mit hoher Festigkeit besteht, dessen Dichte gleich 1,81 ist,
das sieben Schussfäden-Niveaus wie in den Zeichnungen dargestellt aufweist, das nach der
Verdichtung durch das oben genannte "RTM"-Verfahren eine Dicke E von 7 mm hat, während
der Wert des Schritts P gleich 10,9 mm ist (entsprechend einem Gewebebild im Schuss von
91,5 Fäden/m), wobei der mittlere Verbindungswinkel a der Kettfäden bei 10,4º liegt. Der
Faser-Volumenanteil beträgt 60%, und der Anteil der Kettfäden (bezogen auf die
Schussfäden) beträgt 70%. Die gesamte flächenbezogene Masse des Gewebes beträgt 7602 g/m²,
wobei die flächenbezogene Masse im Schuss 2280 g/m² beträgt (verteilt auf sieben Schuss-
Niveaus, d. h. 326 g/m² pro Schuss-Niveau). Diese Textur, die aus Kohlenstofffasern besteht,
die die folgenden mechanischen Eigenschaften an sich hat:
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E = 290 Gpa
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σ = 5000 MPa
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ermöglicht es, mit einem Hochleistungs-Epoxydharz ein Verbundmaterial mit den folgenden
mechanischen Eigenschaften herzustellen:
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E Kette (Zug) > 100 Gpa
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E Schuss (Zug) > 60 Gpa
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σ Kette (Zug) > 1000 Gpa
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σ Kette (Druck) > 500 Gpa
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σ Schuss (Zug) > 800 Gpa
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σ Schuss (Druck) > 400 Gpa
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Zähigkeit (G1c)> 2500 J/m²
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Insbesondere muss dieser letzte Wert von 2500 J/m², der die Ausbreitungsenergie darstellt,
mit den Werten verglichen werden, die mit den Texturen des bisherigen Standes der Technik
erzielt werden, nämlich:
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- 1000 J/m² mit einer "3D-orthogonal"-Struktur
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- 1500 J/m² mit einer "3X"-Struktur
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- 2500 J/m² mit einer "2,5D"-Struktur
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Es ist ebenfalls zu bemerken, dass die Druckfestigkeit der "2,5D"-Struktur 300 MPa beträgt,
wobei im Vergleich dazu mit der erfindungsgemäßen Textur der Wert von 500 MPs erzielt
wird.
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Die erfindungsgemäße verbundene, mehrschichtige Textur kann zur Herstellung einer
Gebläseschaufel mit großer Weite aus Verbundmaterial für Flugzeugtriebwerke verwendet werden.
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Selbstverständlich ist diese Erfindung nicht auf diese eine Ausführungsform dieser
verbundenen, mehrschichtigen Textur beschränkt, die oben als Beispiel beschrieben wurde; sie deckt im
Gegenteil alle Ausführungs- und Anwendungsvarianten ab, die diesem Erfindungsgedanken
unterliegen. So kann die oben beschriebene Grundbindung insbesondere in der Richtung ihrer
Dicke durch Anfügen von Niveau-Paaren von Schussfäden und in Längsrichtung (Richtung der
Kettfäden) durch Anfügen von Säulen von Schussfäden erweitert werden, ohne dabei den
Erfindungsgedanken zu verlassen. Desgleichen kann diese Textur nicht nur aus Kohlenstofffasern
hergestellt werden, sondern auch aus Glasfaser, Aramidfaser, Silicafaser oder Keramikfaser.
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Diese verbundene, mehrschichtige Textur ist in ihren Anwendungen nicht auf Gebläseschaufeln
oder sonstige Teile von Flugzeugtriebwerken beschränkt. Und schließlich kann die
erfindungsgemäße verbundene, mehrschichtige Textur nicht nur durch das "RTM"-Verfahren, sondern
auch durch jede andere geeignete Technik umgewandelt werden, um die Verbundmaterialien
zu erhalten, die schließlich aus dieser Textur hergestellt werden sollen.