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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Blattfeder
aus einem Faserverbundwerkstoff gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 sowie eine derart hergestellte Blattfeder gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 18.
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Beispielsweise
der
EP 0 084 101 A2 ist
es bekannt, dass Blattfedern aus einem Faserverbundwerkstoff herstellbar
sind. Solche Blattfedern haben gegenüber herkömmlichen
Blattfedern aus metallischen Werkstoffen den Vorteil eines geringeren
Gewichts und einer längeren Haltbarkeit. Durch die Wahl
der Schichtendicken des Laminats sowie durch die jeweilige Ausrichtung
der Fasern in einer Kunststoffmatrix kann die Federcharakteristik
in weiten Grenzen beeinflusst werden.
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Im
Allgemeinen werden Blattfedern aus faserverstärkten Werkstoffen
aus so genannten Nasslaminaten bzw. Prepregs hergestellt, die mit
der gewünschten Faserausrichtung übereinander
geschichtet sowie anschließend verpresst und ausgehärtet
werden. Unter dem Begriff Prepreg wird bekanntermaßen ein
Halbzeug bzw. ein Vorprodukt zur Herstellung von Gegenständen
aus einem Faserverbundmaterial verstanden. Ein Prepreg besteht konventionell
aus Fasern und einer ungehärteten duroplastischen Kunststoffmatrix.
Dabei können die Endlosfasern unidirektional ausgerichtet
sein oder als Gewebe oder Gelege vorliegen. Eine duroplastische Kunststoffmatrix
besteht üblicherweise aus einer Mischung aus einem Kunstharz,
einem Härter sowie einem Beschleuniger. Als Kunstharze
kommen beispielsweise Harze auf der Basis von Epoxydharz oder Vinylesterharz
zur Anwendung.
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Zur
Herstellung von Prepregs mit einer duroplastischen Kunststoffmatrix
werden die Fasern beispielsweise auf einem Träger abgelegt
und anschließend mit dem Kunstharz benetzt. Auch eine Imprägnierung
der Fasern mit dem noch flüssigen Kunstharz vor deren Ablegen
auf den Träger ist bekannt. Durch Kühlen des Prepregs
wird das chemische Reagieren des Härters und des Beschleunigers
mit dem Kunstharz so lange verhindert, bis das Prepreg zur Herstellung
eines Endproduktes verwendet werden soll. So werden beispielsweise
zur Herstellung einer Faserverbund-Blattfeder mehrere Prepreg-Lagen übereinander
geschichtet und anschließend zugeschnitten. Durch ein dann
folgendes Erwärmen dieses Werkstücks über
die Reaktionstemperatur des Härters hinaus beginnt der
Aushärtevorgang, der schließlich zu dem gewünschten
Endprodukt führt. Sofern diese Erwärmung in einer
Presse sowie in einem Autoklav bei atmosphärischem Unterdruck
durchgeführt wird, lassen sich luftblasenfreie Endprodukte
mit sehr hohem Faseranteil und vergleichsweise geringem Kunststoffmatrixanteil
herstellen.
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Um
Prepregs in einem kontinuierlichen Herstellungsprozess erzeugen
zu können, muss einer diesbezüglichen Fertigungsvorrichtung
ein Strang aus Endlosfasern zugeführt werden. Dabei ist
darauf zu achten, dass die Fasern in der gewünschten räumlichen
Orientierung verbleiben. Die Faserverteilung soll dabei also üblicherweise
homogen sein. Zudem soll bei der Zuführung und Weiterverarbeitung des
Faserstranges ein möglichst geringer Faserbruch eintreten.
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Außerdem
soll der Faserstrang bevorzugt mit der genannten duroplastischen
Kunststoffmatrix, also der Mischung von zumindest Kunstharz, Härter und
Beschleuniger, benetzt werden. Dabei ist es wichtig, dass die Verteilung
der duroplastischen Kunststoffmatrix gleichmäßig
erfolgt bzw. alle Fasern des Faserstranges von der Kunststoffmatrix
imprägniert werden. Zudem darf nicht zuviel der Kunststoffmatrix
auf den Faserstrang gelangen, da dieses ein seitliches Ablaufes
der überschüssigen Flüssigkeit in unerwünscht
großem Umfang zur Folge hätte.
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Sofern
der erzeugte Prepreg-Strang in gewünschte Längsstücke
geschnitten oder zu einer Rolle aufgewickelt und anschließend
zwischengelagert werden soll, ist der Faserstrang bei der Herstellung
des Prepreg-Stranges bevorzugt an seiner Unterseite und an seiner
Oberseite mit einer Abdeckmaterialbahn abzudecken. Beim Auflegen
dieser Abdeckmaterialbahnen auf den Faserstrang kann es dazu kommen,
dass die Fasern der oberen und/oder der unteren Faserlage des Faserstranges
in nicht gewollter Weise quer zu Längserstreckung des Faserstranges
gefaltet werden. In einen Faserverbund-Endprodukt tragen derart
gefaltete Fasern nur wenig zu den gewünschten Materialeigenschaften bei,
weshalb eine solche Faserfaltung vermieden werden soll.
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Eine
Blattfeder aus einem Faserverbundwerkstoff, sowie eine Verfahren
zur Herstellung derselben ist beispielsweise aus der
DE 10 2004 010 768 A1 bekannt.
Von besonderer Bedeutung bei dieser Faserverbund-Blattfeder ist,
dass die axialen Enden eines zentralen Längsabschnitts
hinsichtlich der Blattfederbreite sich verjüngend ausgebildet
sind, wobei die axial ausgerichteten Fasern des Faserverbundwerkstoffes
ungekürzt bis zur Abschlusskante der Blattfeder geführt
sind. In dieser Druckschrift ist beschrieben, dass die Herstellung
der Blattfeder mit einer duroplastischen Kunststoffmatrix erfolgt,
die bei der Einwirkung von Wärme aushärtet.
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Aus
der nicht vorveröffentlichten
DE 10 2006 052 136 A1 ist
ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Prepregs bekannt,
bei dem ein Faserstrang aus zumindest parallel zueinander ausgerichteten
Fasern mit einer noch nicht abgebundenen duroplastischen Kunststoffmatrix
benetzt sowie an seiner Oberseite und an seiner Unterseite mit einer Abdeckmaterialbahn
abgedeckt wird, und bei dem der mit den Abdeckmaterialbahnen abgedeckte kunststoffmatriximprägnierte
Faserstrang schließlich als Prepreg in vorbestimmte Längen
abgeschnitten oder zu einer Rolle aufgerollt wird.
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Um
bei der Herstellung der Prepregs zu erreichen, dass die Fasern in
einer gewünschten Ausrichtung in eine diesbezügliche
Fertigungsvorrichtung gelangen und dort mit einer unteren und einer oberen
Abdeckmaterialbahn belegt werden, dass die noch nicht abgebundene
Kunststoffmatrix in ausreichender Menge zu allen Fasern des Faserstranges gelangt,
dass Faserbruch minimiert wird, und dass eine Faltung der Fasern
quer zur Längserstreckung des Faserstranges vermieden wird,
ist zudem vorgesehen, dass der Faserstrang mit der nicht abgebundenen
duroplastischen Kunststoffmatrix und den beiden Abdeckmaterialbahnen
auf einem konvex gekrümmten und beheizten Heiztisch zusammengeführt
wird.
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Dem
bekannten Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem
Zusammenführen des Faserstranges mit einer unteren und/oder
einer oberen kunststoffmatrixbelegten Abdeckmaterialbahn oder einem
anderen flexiblen Flächengebilde auf einem Heiztisch mit
einer konvex geformten Oberfläche alle genannten Anforderungen
für die Herstellung eines optimalen Prepregs erfüllbar
sind.
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Die
DE 10 2006 052 136
A1 offenbart auch eine Vorrichtung, mit der das gerade
geschilderte Produktionsverfahren durchführbar ist. Demnach
ist die Vorrichtung zur Herstellung von Prepregs aus einem Faserstrang
mit zumindest parallel zueinander ausgerichteten Fasern und mit
zwei kunststoffmatrixbelegbaren Abdeckmaterialbahnen durch zumindest folgende
Merkmale gekennzeichnet:
- – Einen Heiztisch
und eine Ablegrolle zur Führung und Ablage einer oberen
Abdeckmaterialbahn auf den Faserstrang,
- – eine konvex gekrümmte Heiztischoberfläche
zur Führung einer unteren Abdeckmaterialbahn und des Faserstranges,
und
- – zumindest drei Heizzonen an dem Heiztisch zum Aufheizen
der Abdeckmaterialbahnen, der duroplastischen Kunststoffmatrix und
des Faserstrangs,
- – wobei die Krümmungsgeometrie der Oberfläche des
Heiztisches sowie die Oberflächentemperaturen der zumindest
drei Heizzonen derart gewählt sind, dass die Normalkraftkomponente
einer auf den Faserstrang und die beiden Abdeckmaterialbahnen wirkenden
Zugkraft die flüssige Kunststoff matrix von zumindest einer
der Abdeckmaterialbahnen zu den Oberflächen aller Fasern
im Faserstrang führt.
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Außerdem
ist aus der nicht vorveröffentlichten
DE 10 2006 052 137 A1 ein
Verfahren zur Herstellung von Blattfedern aus einem duroplastischen Faserverbundwerkstoff
bekannt, mit dem qualitativ hochwertige Blattfeder hersteilbar sind.
Insbesondere soll mit dem dortigen Verfahren erreicht werden, dass
die Fasern in der Blattfeder einer gewünschten Ausrichtung
vorliegen, dass die noch nicht abgebundene duroplastische Kunststoffmatrix
in der Blattfeder in ausreichender Menge zu allen Fasern gelangt, dass
der Umfang von Faserbruch in der Blattfeder minimiert wird, und
dass eine Faltung der Fasern quer zur Längserstreckung
des Faserstranges zumindest weitgehend vermieden wird.
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Das
bekannte Verfahren weist folgende Verfahrensschritte auf:
- – Abdecken der Oberseite und der Unterseite
eines Faserstranges, der aus zumindest parallel zueinander ausgerichteten
Fasern besteht, mit zumindest einer Abdeckmaterialbahn.
- – Benetzen der Fasern des Faserstranges mit einer noch
nicht abgebundenen duroplastischen Kunststoffmatrix.
- – Erwärmen des abgedeckten und kunststoffmatrixbelegten
Faserstranges zur Imprägnierung der Fasern des Faserstranges
mit der noch nicht abgebundenen duroplastischen Kunststoffmatrix.
- – Abkühlen des abgedeckten kunststoffmatriximprägnierten
Faserstranges.
- – Abschneiden des abgedeckten kunststoffmatriximprägnierten
Faserstranges zu einzelnen Prepregs.
- – Ablegen von mehreren Lagen Prepregs vertikal übereinander
auf einer konvex gekrümmten Oberfläche zu einer
Roh-Blattfeder.
- – Kühlen der Roh-Blattfeder auf einer konvex
gekrümmten Oberfläche.
- – Pressen der Roh-Blattfeder in einer Presse zu einer
gepressten Roh-Blattfeder.
- – Erwärmen der gepressten Roh-Blattfeder.
- – Endbearbeitung der gepressten Roh-Blattfeder zur
fertigen Blattfeder, wobei bei allen Fertigungsschritten vorbestimmte
Temperaturen an dem jeweiligen Werkstoff oder an dem jeweiligen
Zwischenprodukt eingestellt werden, und bei dem die jeweiligen Temperaturen über
vorbestimmte Zeiträume aufrechterhalten werden.
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Zudem
ist es bekannt, Blattfedern aus einem Faserverbundwerkstoff herzustellen,
der einen thermoplastischen Werkstoff nutzt. So beschreibt die
DE 102 60 060 A1 eine
Blattfeder für ein Kraftfahrzeug, die aus verschiedenen
Materialien hergestellt sein kann, zu denen Verbundwerkstoffe, Metalle,
Metall-Metall-Gussverbunde und Kunststoff-Metall-Hybrid-Werkstoffe
gehören können. Wenngleich in dieser Druckschrift
erwähnt wird, dass die Blattfeder aus einem thermoplastischen
Verbundwerkstoff hergestellt sein kann, so sind über deren
inneren Aufbau oder über deren Herstellung keine Angaben
gemacht.
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Schließlich
ist aus der
JP 63 225
738 A eine Blattfeder für ein Fahrzeug bekannt,
die aus einem mehrlagigen Faserverbundwerkstoff hergestellt ist. Bestimmte
Werkstofflagen dieser Blattfeder dienen zur Vibrationsdämpfung
und bestehen aus einem viscoelastischen Material, beispielsweise
einem Thermoplast, wie beispielsweise Polyethylen, verschiedene
Schäume, Elastomere und Gummi.
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Zur
Weiterentwicklung dieses Standes der Technik liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Blattfedern
aus einem Faserverbundwerkstoff vorzustellen, mit dem ebenfalls
die eingangs beschriebenen technischen Probleme gemeistert werden
können und eine qualitativ hochwertige Blattfeder möglichst
preiswert herstellbar ist. So soll insbesondere erreicht werden,
dass die Fasern in der Blattfeder in einer gewünschten Ausrichtung
vorliegen, dass die noch nicht abgebundene Kunststoffmatrix in der
Blattfeder in ausreichender Menge zu allen Fasern gelangt, dass
der Umfang von Faserbruch in der Blattfeder minimiert wird, und dass
eine Faltung der Fasern quer zur Längserstreckung des Faserstranges
zumindest weitgehend vermieden wird. Eine weitere Aufgabe besteht
darin, den Aufbau einer derart hergestellten Faserverbund-Blattfeder
zu beschreiben.
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Die
Lösung dieser Aufgaben ergibt sich aus den Merkmalen der
unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen
und Ausgestaltungen der Erfindung sind den zugeordneten Unteransprüchen
entnehmbar.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Blattfeder aus
einem Faserverbundwerkstoff dann den im Automobilbau herrschenden
sehr hohen Qualitätsanforderungen gerecht werden kann und
zudem vergleichsweise kostengünstig herstellbar ist, wenn
deren Faserverbundwerkstoff unter Verwendung zumindest eines thermoplastischen
Werkstoffs hergestellt wird.
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Wie
eingangs geschildert wurde, ist die sichere Handhabung eines duroplastischen
Kunststoffes bei der Herstellung eines diesbezüglichen
Faserverbundwerkstoffes bzw. zur Herstellung einer bekannten Faserverbund-Blattfeder
an die Einhaltung vieler Verfahrensparameter gebunden. Zu diesen
gehören das Mischungsverhältnis von Kunstharz,
Härter und Beschleuniger sowie die Einhaltung von vorgegebenen
oberen und unteren Temperaturgrenzwerten, um eine für den
Herstellprozess brauchbare Viskosität der duroplastischen
Kunststoffmatrix zu gewährleisten und ein zu frühzeitiges
und ungewolltes Aushärten zu vermeiden.
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Der
Verwendung eines thermoplastischen Kunststoffs bei der Herstellung
einer Faserverbund-Blattfeder ist dagegen vergleichsweise einfach und
daher sehr vorteilhaft, da bei der Verarbeitung dieses Kunststoffs
lediglich eine Verfestigungstemperatur bzw. Schmelztemperatur berücksichtigt
werden muss.
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Die
Erfindung betrifft demnach zunächst ein Verfahren zur Herstellung
einer Blattfeder aus einem Faserverbundwerkstoff, welches durch
folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:
- – Schmelzen
eines thermoplastischen Kunststoffs,
- – Benetzen eines Faserstranges aus zumindest parallel
zueinander ausgerichteten Fasern mit dem aufgeschmolzenen Kunststoff,
- – Abdecken des Faserstranges an seiner Oberseite und
an seiner Unterseite mit zumindest einer Abdeckmaterialbahn, wobei
der kunststoffbenetzte Faserstrang mit der zumindest einen Abdeckmaterialbahn
auf einem konvex gekrümmten und beheizten Heiztisch zusammengeführt
wird,
- – Abschneiden des mit der zumindest einen Abdeckmaterialbahn
abgedeckte und kunststoffbenetzte Faserstrangs als Prepreg in vorbestimmte Längen,
- – Ablegen einer vorbestimmten Anzahl von Prepreg-Lagen
auf einer Ablagefläche einer beheizbaren Formpresse, und
- – Pressen der Prepreg-Lagen in der Formpresse unter
Einwirkung von vorbestimmten und werkstoffabhängigen Temperatur-
und Druckverläufen über die Zeit derart, dass
nach dem Pressvorgang eine ausgehärtete Faserverbund-Blattfeder
vorliegt.
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Diese
Verfahrensmerkmale verdeutlichen zwei für die Erfindung
wesentliche Dinge. Zum einen wird durch das Zusammenführen
des Faserstranges und der zumindest einen Abdeckmaterialbahn auf dem
konvex gekrümmten und beheizten Heiztisch erreicht, dass
sich der thermoplastische Kunststoff optimal in dem Faserstrang
verteilen kann, ohne dass es dabei zu ungewollten Faserbruch oder
zu Faserfaltungen bzw. Querausrichtungen von Fasern zu der Längserstreckung
des Faserstrangs kommt. Außerdem wird der mit dem thermoplastischen
Kunststoff benetzte Faserstrang durch die zumindest eine Abdeckmaterialbahn
oben, unten und seitlich so eingepackt, dass die Formstabilität
eines derart hergestellten Prepregs erhöht und ein späteres
Abfließen von überschüssigen thermoplastischen
Kunststoff in einer Formpresse begünstigt wird.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass auf der zumindest
einen Abdeckmaterialbahn vor deren Kontakt mit dem Faserstrang auf
der zu dem Faserstrang weisenden Seite der noch schmelzflüssige
thermoplastische Kunststoff aufgetragen wird. Durch diese Maßnahme
wird die benötigte Menge an verflüssigtem thermoplastischem
Kunststoff gezielt erst dann dem Faserstrang zugeführt,
wenn dieser und die zumindest eine Abdeckmaterialbahn auf der Oberfläche
des Heiztisches zusammengeführt werden.
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Alternativ
dazu oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass der thermoplastische
Kunststoff direkt auf die Fasern des Faserstrangs aufgetragen wird,
oder dass der Faserstrang durch einen Behälter mit einer
Ansammlung von thermoplastischem Kunststoff hindurch gezogen wird,
bevor der Faserstrang mit der zumindest einen Abdeckmaterialbahn
zusammengeführt wird.
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Eine
weitere Ausgestaltung sieht vor, dass der mit der zumindest einen
Abdeckmaterialbahn abgedeckte Faserstrang auf dem Heiztisch auf
Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur des thermoplastischen
Kunststoffs aufgeheizt oder auf diesen gehalten wird, sowie mit
einer aus der auf den Faserstrang und die zumindest eine Abdeckmaterialbahn
wirkende Zugkraft sowie aus der Krümmung der Tischoberfläche
resultierenden Normalkraft derart beaufschlagt wird, dass der thermoplastische Kunststoff
zu allen einzelnen Fasern fließt und diese benetzt.
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Weiter
wird bevorzugt, dass als Werkstoff für die zumindest eine
Abdeckmaterialbahn ein thermoplastischer Kunststoff verwendet wird,
dessen Schmelzpunkt höher ist als der Schmelzpunkt desjenigen
thermoplastischen Kunststoffs, mit dem alle Fasern des Faserstranges
benetzt werden. Dadurch wird erreicht, dass die zumindest eine Abdeckmaterialbahn
bei einem Zusammenführen mit dem anderen, schmelzflüssig
heißen thermoplastischen Kunststoff noch weitgehend fest
bleibt und so zur mechanischen Stabilität eines derart
hergestellt Prepregs, etwa für dessen Weitertransport,
vorteilhaft beiträgt.
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Gemäß einem
weiteren Verfahrensmerkmal kann vorsehen sein, dass eine untere
Abdeckmaterialbahn auf der Oberfläche des Heiztisches und
eine obere Abdeckmaterialbahn um eine Ablegrolle geführt
wird, bevor diese beiden Abdeckmaterialbahnen mit dem Faserstrang
im Bereich des Heiztisches in Kontakt gelangen.
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Dabei
kann vorgesehen sein, dass die Auflegkraft der Auflegrolle kleiner
ist als die Normalkraftkomponente derjenigen Zugkraft, mit der der
Faserstrang zusammen mit den Abdeckmaterialbahnen über
den Heiztisch gezogen wird. Diese Aufteilung der Kräfte
bewirkt, dass die Durchdringung des Faserstranges mit thermoplastischem
Kunststoff sehr schonend erfolgt, so dass Faserbruch und Faserfaltungen
gering gehalten werden können.
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Bevorzugt
ist zudem vorgesehen, dass der Heiztisch beheizt wird und zumindest
zwei, vorzugsweise zumindest drei unterschiedliche Heizzonen mit unterschiedlichen
Temperaturen aufweist. Dadurch ist eine gezielte Einflussnahme auf
die Temperatur des Stranges aus Fasern, thermoplastischem Kunststoff
und Abdeckmaterialbahnen in derjenigen entscheidenden Phase der
Blattfederherstellung möglich, in der diese Blattfeder-Werkstoffe
zusammengeführt werden.
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In
Ausgestaltung dieses Verfahrensmerkmals kann vorgesehen sein, dass
dort, wo die untere Abdeckmaterialbahn erstmals den Heiztisch berührt, die
Oberfläche des Heiztisches eine mittlere Temperatur aufweist,
die niedriger ist als die Temperatur in der kühlsten Heizzone.
Außerdem wird es als vorteilhaft beurteilt, wenn der durch
die zumindest eine Abdeckmaterialbahn abgedeckte und kunststoffdurchdrungene
Faserstrang unmittelbar hinter dem Heiztisch, also hinter dessen
auslaufseitigem Ende, eine mittlere Temperatur aufweist, die niedriger
ist als die Temperatur in der heißesten Heizzone.
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Gemäß einem
anderen Verfahrensmerkmal kann vorgesehen sein, dass der durch die
zumindest eine Abdeckmaterialbahn abgedeckte und kunststoffdurchdrungene
Faserstrang in Transportrichtung hinter dem Heiztisch entlang der
Oberfläche eines Kühltisches geführt
und dort abgekühlt wird. Dabei ist es sinnvoll, wenn der
durch die zumindest eine Abdeckmaterialbahnen abgedeckte und kunststoffdurchdrungene
Faserstrang in Transportrichtung hinter dem Kühltisch eine
mittlere Temperatur aufweist, die über der Schmelztemperatur
des alle Fasern benetzenden thermoplastischen Kunststoffs liegt.
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Die
Transportgeschwindigkeit V des Faserstrangs und der zumindest einen
Abdeckmaterialbahn beträgt beispielsweise zwischen 0,05
m/s und 0,2 m/s.
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Weiterhin
kann vorgesehen sein, dass der durch die zumindest eine Abdeckmaterialbahn
abgedeckte und kunststoffdurchdrungene Faserstrang im Bereich des
auslaufseitigen Endes des Heiztisches von zumindest einer Glättrolle
mit einer Kraft beaufschlagt wird, die kleiner oder gleich groß ist
wie die Auflagekraft F1 der Auflegrolle und kleiner ist als die Normalkraftkomponente
der Zugkraft auf den abgedeckten Faserstrang. Die Glättrollen
sorgen lediglich für eine glatte Oberfläche der
auf der Oberseite des Faserstranges abgelegten Abdeckmaterialbahn.
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Die
Fasern des Faserstranges sind bevorzugt unidirektional ausgerichtet
oder als Gewebe oder als Gelege angeordnet sowie als Glasfasern, Kohlenstofffasern
oder Aramidfasern ausgebildet.
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Gemäß einem
anderen Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass bei geschlossener
und unter Druck gesetzter Formpresse in einem bestimmten Zeitraum
t0 bis t1 die Temperatur der übereinander geschichteten
Prepreg-Lagen bis über die Schmelztemperatur T7 des alle
Fasern benetzenden thermoplastischen Kunststoffs angehoben wird,
dass nach einem weiteren be stimmten Zeitraum t1 bis t2 die Temperatur
der übereinander geschichteten Prepreg-Lagen über
die Schmelztemperatur T8 der zumindest einen thermoplastischen Abdeckmaterialbahn
angehoben wird, und dass danach in einem weiteren Zeitraum t5 bis
t6 die Temperatur der Prepreg-Lagen unter die unterschiedlichen
Schmelztemperaturen T7 und T8 der beiden thermoplastischen Kunststoffe
gebracht wird. Dadurch wird erreicht, dass sich der alle Fasern
benetzende thermoplastische Kunststoff und der thermoplastische
Kunststoff der zumindest einen Abdeckmaterialbahn vor dem abschließenden
Aushärten der Blattfeder schmelzflüssig vermischen
und so keine Inhomogenitäten in der Blattfeder einstellen.
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Ergänzend
kann das Verfahren so ablaufen, dass nach dem Aufheizen des alle
Fasern benetzenden thermoplastischen Kunststoffs über dessen Schmelztemperatur
T7 die Temperatur der Prepreg-Lagen über einen bestimmten
Zeitraum t3 bis t4 unter, vorzugsweise dicht unter der Schmelztemperatur
T7 des alle Fasern benetzenden thermoplastischen Kunststoffs gehalten
wird.
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Schließlich
betrifft die Erfindung eine Blattfeder aus einem Faserverbundwerkstoff,
der zumindest parallel zueinander ausgerichtete Faser aufweist,
die in einem thermoplastischen Kunststoff eingebettet sind. Diese
Blattfeder ist aus mehreren übereinander geschichteten
Lagen von Prepregs aufgebaut, wobei die Prepregs jeweils aus einem
Faserstrang mit in Längsrichtung parallel zueinander ausgerichteten Faser
bestehen, die in dem thermoplastischen Kunststoff eingebettet sind,
und bei denen die Oberseite und die Unterseite des Faserstrangs
von zumindest einer Abdeckmaterialbahn aus einem thermoplastischen
Kunststoff abgedeckt ist. Außerdem ist bei dieser Blattfeder
vorgesehen, dass die Schmelztemperatur des thermoplastischen Kunststoffs
der zumindest einen Abdeckmaterialbahn über der Schmelztemperatur
desjenigen thermoplastischen Kunststoffs liegt, mit dem alle Fasern
des Faserstrangs benetzt sind.
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Der
alle Fasern benetzende thermoplastische Kunststoff besteht vorzugsweise
aus Polypropylen, Polyamid, Polyamid 6.6 oder Polybutylenterephthalat.
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Zur
Verdeutlichung der Erfindung ist der Beschreibung eine Zeichnung
beigefügt, mit der ein Ausführungsbeispiel erläutert
wird. In dieser zeigt
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1 einen
stark schematisierten Fertigungsablaufplan zur Herstellung einer
Faserverbundblattfeder, und
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2 einen
Temperaturverlauf über der Zeit bei der Herstellung der
Faserverbundblattfeder in der Formpresse gemäß 1.
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1 zeigt
demnach in schematischer Darstellungsweise eine Produktionsanlage 1 zur
Herstellung von Blattfedern 25 aus einem Faserverbundmaterial.
Zu Beginn des Produktionsablaufs wird der Produktionsanlage 1 ein
Faserstrang 2 aus parallel zu deren Längserstreckung
ausgerichteter Glasfasern kontinuierlich zugeführt. Vor
Erreichen des eingangsseitigen Abschnittes 16 eines Heiztisches 6 wird
der Faserstrang 2 mit einem thermoplastischen Kunststoff 14 belegt,
der später alle Fasern des Faserstrangs 2 benetzen
wird.
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Das
Aufschmelzen des thermoplastischen Kunststoffs 14 erfolgt
in dem hier gewählten Ausführungsbeispiel über
eine als Extruder ausgebildet Zuführeinrichtung 13,
dem der Kunststoff eingangsseitig in Form eines Granulats zugeführt
wird, und der ausgangsseitig mit einer Düse ausgestattet
ist, die eine optimale Ablage des geschmolzenen Kunststoffs 14 auf
dem Faserstrang 2 gestattet. Ein zweiter Strom von schmelzflüssigem
Kunststoff 14 wird auf einer oberen Abdeckmaterialbahn 3 abgelegt,
und zwar derart, dass der Kunststoff 14 auf derjenigen Seite
der Abdeckmaterialbahn 3 zu liegen kommt, welche später
dem Faserstrang 2 zugewandt ist.
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Eine
zweite, untere Abdeckmaterialbahn 4 wird der Produktionsanlage 1 unterhalb
des Faserstranges 2 zugeführt. Während
diese untere Abdeckmate rialbahn 4 über den eingangsseitigen
Abschnitt 16 des Heiztisches 6 zu dem Faserstrang 2 geführt
und dort gegebenenfalls mit einer vorzugsweise über der
Schmelztemperatur T7 des thermoplastischen Kunststoffs 14 liegenden
Tischtemperatur T1 vorgewärmt wird, gelangt die obere Abdeckmaterialbahn 3 über
eine Auflegrolle 5 unter einer Umkehr ihrer Bewegungsrichtung
in den Bereich des Faserstranges 2.
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Die
beiden Abdeckmaterialbahnen 3 und 4 und der Faserstrang 2 werden
auf einer konvex gekrümmten Oberfläche 15 des
Heiztisches 6 zusammengeführt, wobei die Auflegrolle 5 die
obere Abdeckmaterialbahn 3 mit einer vergleichsweise geringen
Kraft F1 auf den thermoplastbelegten Faserstrang 2 drückt.
Die Ablegkraft F1 der Ablegrolle 5 ist so gering, so dass
sichergestellt ist, dass durch deren Anpresskraft kein oder nur
ein verhältnismäßig geringer Faserbruchanteil
entsteht.
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Dadurch,
dass die Kombination aus dem thermoplastbelegten Faserstrang 2 und
den beiden Abdeckmaterialfolien 3, 4 mit einer
Geschwindigkeit V und einer Zugkraft F6 über die konvex
gekrümmte Oberfläche 15 des Heiztisches 6 gezogen
werden, wirkt aus der Zugkraft F6 eine Normalkraft F2, welche die
beiden Abdeckmaterialbahnen 3 und 4 mit dem Kunststoff 14 und
die Fasern des Faserstranges 2 in Richtung zu der Oberfläche 15 des
Heiztisches 6 drückt. Dabei durchdringt der erhitzte
thermoplastische Kunststoff 14 den Faserstrang 2,
so dass alle seine Fasern schonend und vergleichsweise langsam mit
demselben imprägniert werden, Eine ausreichend große
Tischlänge verbunden mit einer auch diesbezüglich
angepassten Transportgeschwindigkeit V von beispielsweise 0,05 m/s
bis 0,2 m/s sorgen dafür, dass trotz der vergleichsweise
geringen Normalkraft F2 der Faserstrang 2 vollständig
von der Kunststoffmatrix 14 durchdrungen wird.
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Das
Zusammenführen des Faserstranges 2 und der beiden
Abdeckmaterialbahnen 3, 4 erfolgt auf der konvex
gekrümmten Oberfläche 15 des Heiztisches 6 im
Bereich einer ersten Heizzone S1 von drei Heizzonen S1, S2 und S3
desselben. Diese Heizzonen sind mit einer nicht dargestellten elektrischen
Heizung oder Warmwasserheizung ausgestattet, welche eine vergleichsweise
genaue Einstellung der Temperatur der Heiztischoberfläche 15 in
den jeweiligen Heizzonen S1, S2 und S3 gewährleisten. Dadurch
ist es möglich, den thermoplastischen Kunststoff 14 zwischen
den beiden Abdeckmaterialbahnen 3, 4 stufenweise
so zu temperieren, dass dieser beispielsweise in der ersten Heizzone
S1 und der zweiten Heizzone S2 Temperaturen T2 und T3 aufweist,
die deutlich über seiner Schmelztemperatur T7 liegen. Die
jeweils optimale Temperatur im Bereich der Heizzonen ist abhängig
von den gewählten Werkstoffen der Blattfeder und individuell
einzustellen.
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Die
drei Heizzonen S1, S2 und S3 ermöglichen jedenfalls eine
systematische Temperaturführung insbesondere des thermoplastischen
Kunststoffs 14, wobei zunächst eine gezielte Temperaturerhöhung
und damit Viskositätserhöhung durchgeführt wird,
welche das Benetzen der Fasern des Faserstranges 2 mit
dem Kunststoff 14 erleichtert.
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Der
Transport des Kunststoffs 14 von der oberen und gegebenenfalls
der unteren Abdeckmaterialbahn 3, 4 in die Tiefe
des Faserstrangs 2 hin zu jeder einzelnen Faser erfolgt
im Wesentlichen hinter der Ablegrolle 5, wenn die Kompositstruktur
aus Faserstrang 2, Abdeckmaterialbahnen 3, 4 und
Kunststoff 14 mit einer auf diese wirkende Zugkraft F6 über den
konvex gekrümmten Heiztisch 6 mit seinen drei unterschiedlichen
Heizzonen S1, S2 und S3 gezogen wird.
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Dadurch,
dass bei dem Benetzen der Fasern des Faserstranges 2 mit
dem Kunststoff 14 keine Anpress- oder Kalanderwalzen mit
vergleichsweise hohen Anpressdrücken verwendet werden,
ist der zu verzeichnende Faserbruch vorteilhaft klein. Da alle Fasern
des Faserstranges 2 sowie die obere Abdeckmaterialbahn 3 und
die untere Abdeckmaterialbahn 4 mit der gleichen Transportgeschwindigkeit
V über den Heiztisch 6 gezogen werden, entstehen
keine bzw. nur vernachlässigbare Relativgeschwindigkeiten
dieser Elemente gegeneinander, so dass die eingangs erläuterte
Faserfaltung nicht oder nur unwesentlich auftritt.
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Anschließend
kann die Temperatur des thermoplastischen Kunststoffs 14 zwischen
den beiden Abdeckmaterialfolien 3, 4 und im Faserstrang 2 in
der dritten Heizzone S3 auf einen Wert T4 reduziert werden, der
geringer ist als die Temperaturen T2 und T3 der eingangsseitigen
und der mittleren Heizzone S1 und S2, jedoch immer noch oberhalb
der Schmelztemperatur T7 des thermoplastischen Kunststoffs 14 liegt.
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Da
die Abdeckmaterialbahnen 3 und 4 aus einem thermoplastischen
Werkstoff bestehen, dessen Schmelztemperatur T8 über der
Schmelztemperatur desjenigen thermoplastischen Kunststoffs 14 liegt,
mit dem alle Fasern des Faserstranges 2 benetzt wurden,
bleiben diese zunächst noch unversehrt und tragen zur mechanischen
Stabilität des zu produzierenden Prepreg-Stranges 11 bei.
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In
Transportrichtung gesehen hinter der Ablegrolle 5 und vor
dem ausgangsseitigen Ende des Heiztisches 6, im Bereich
der dritten Heizzone 83, vertilgt die Fertigungsvorrichtung 1 über
drei Glättrollen 7, 8 und 9,
die mit einer vergleichsweise geringen Auflagekraft bzw. Glättkraft
F3, F4, F5 auf die Oberseite der oberen Abdeckmaterialbahn 3 drücken
und dadurch ein Glätten derselben durchführen.
Ein solches Glätten der Oberseite der oberen Abdeckmaterialbahn 3 kann
sinnvoll sein, da die Ablegkraft F1 der Ablegrolle 5 verhältnismäßig
gering ist.
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Beim
Verlassen des Heiztisches 6 liegt die mittlere Temperatur
T5 des abgedeckten und kunststoffdurchtränkten Prepreg-Stranges 11 in
diesem Ausführungsbeispiel gering über der Schmelztemperatur
T7 des thermoplastischen Kunststoffs 14. Um diese Temperatur
weiter abzusenken und um insbesondere gut handhabbare, aus dem Prepreg-Strang 11 abgelängte
Prepreg-Stücke 20 bereit stellen zu können,
wird dieser Strang 2 aus Fasern, Abdeckmaterialbah nen 3, 4 und
thermoplastischen Kunststoff 14 in einem weiteren Verfahrensschritt über
die gekühlte Oberfläche eines Kühltisches 10 gezogen.
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Der
mit dem Kunststoff 14 imprägnierte Prepreg-Stranges 11 weist
beim Verlassen des Kühltisches 10 eine mittlere
Temperatur T6 auf, die noch gering über der Schmelztemperatur
T7 des alle Fasern benetzenden thermoplastischen Kunststoffs 14 liegt.
Eine hinter dem Kühltisch 10 angeordnete Schneidevorrichtung
in Form eines Messers 23 trennt Abschnitte von vorgegebener
Länge als Prepregs 20 aus diesem Endlosstrang 11 ab.
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Die
Prepregs 20 werden anschließend auf konvex gekrümmten
Ablageflächen zwischengelagert oder zu einer Formpresse 24 transportiert.
In der Formpresse 24 wird eine gewünschte Anzahl
von Prepreg-Lagen 20', 20'', 20'' auf
einer konvex gekrümmten Matrize 21 übereinander
gestapelt und anschließend von einer Patrize 22 der
Formpresse 24 in eine Geometrie gepresst, die einer abschließend
gegebenenfalls noch fein zu bearbeitenden Faserverbund-Blattfeder 25 entspricht.
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Um
in der Formpresse 24 eine Blattfeder 25 mit einem
möglichst geringen Kunststoffanteil, einen möglichst
hohen Faseranteil sowie ohne Grenzschichten im Kunststoff herzustellen,
wird der Stapel mit den Prepreg-Lagen 20', 20'', 20''' beim
Pressen einer Temperaturbehandlung unterzogen, die in von 2 veranschaulicht
ist. Demnach wird spätestens nach dem Schließen
der Formpresse in einem Zeitraum t0 bis t1 die Temperatur der Prepreg-Lagen 20', 20'', 20''' auf
einen Wert angehoben, der über der Schmelztemperatur T7
des alle Fasern benetzenden thermoplastischen Kunststoffs 14 liegt
und bis zu einem Zeitpunkt t3 aufrechterhalten wird. Dadurch wird der
thermoplastische Kunststoff 14 schmelzflüssig gehalten
oder erneut aufgeschmolzen, so dass überschüssiger
Kunststoff unter dem Pressdruck aus den Prepreg-Lagen 20', 20'', 20''' austreten
und die Formpresse 24 verlassen kann. Dabei tritt auch
gegebenenfalls noch eingeschlossene Luft aus dem Formkörper
aus.
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Da
die Abdeckmaterialbahnen 3 und 4 aus einem thermoplastischen
Werkstoff bestehen, dessen Schmelztemperatur T8 über der
Schmelztemperatur desjenigen thermoplastischen Kunststoffs 14 liegt,
mit dem alle Fasern des Faserstranges 2 benetzt wurden,
bleiben diese mechanisch zunächst noch intakt.
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Eine
im Zeitpunkt t2 beginnende Absenkung der Temperatur der Prepreg-Lagen 20', 20'', 20''' knapp
unter die Schmelztemperatur T7 des Kunststoffs 14 im Zeitraum
t3 bis t4 kann als eine Reifephase genutzt werden, sofern dies gewünscht
oder notwenig ist.
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Im
Anschluss daran wird die Temperatur der Prepreg-Lagen 20', 20'', 20''' in
einem Zeitraum t4 bis t6 auf einen Wert angehoben, der über
der Schmelztemperatur T7 desjenigen thermoplastischen Kunststoffs 14 liegt,
mit dem alle Fasern des Faserstrangs 2 benetzt sind, und
außerdem in einem ausreichend langem Zeitraum um den Zeitpunkt
t5 herum die Schmelztemperatur T8 des thermoplastischen Kunststoffs
der beiden Abdeckmateriallagen 3, 4 übertrifft.
Dadurch schmilzt der Werkstoff der Abdeckmateriallagen 3 und 4,
so dass sich dieser thermoplastischen Kunststoff mit dem anderen
thermoplastischen Kunststoff 14 unter dem Druck der Formpresse 24 schmelzflüssig
verbindet.
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Abschließend
wird die Temperatur der Prepreg-Lagen 20', 20'', 20''' bis
zu einem Zeitpunkt t7 unter die Schmelztemperatur T7 des thermoplastischen
Kunststoffs 14 abgesenkt und die Roh-Blattfeder 25 der
Formpresse 24 zu einer gegebenenfalls notwenigen Endbearbeitung
entnommen.
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- 1
- Fertigungsvorrichtung
- 2
- Faserstrang;
Faser
- 3
- Obere
Abdeckmaterialbahn
- 4
- Untere
Abdeckmaterialbahn
- 5
- Auflegrolle
- 6
- Heiztisch
- 7
- Glättrolle
- 8
- Glättrolle
- 9
- Glättrolle
- 10
- Kühltisch
- 11
- Prepreg-Strang
- 12
- Zuführvorrichtung
für geschmozenen Kunststoff
- 13
- Zuführvorrichtung
für den geschmozenen Kunststoff, Extruder
- 14
- Geschmozenen
Kunststoff
- 15
- Heiztischoberfläche
- 16
- Eingangseitiger
Abschnitt des Heiztisches
- 20
- Abgeschnittener
Prepreg
- 20'
- Prepreg-Lage
- 20''
- Prepreg-Lage
- 20'''
- Prepreg-Lage
- 21
- Konkav
gekrümmte Matrize der Formpresse
- 22
- Konvex
gekrümmte Patrize der Formpresse
- 23
- Messer
- 24
- Formpresse
- 25
- Blattfeder
- F1
- Auflegkraft
der Auflegrolle 5
- F2
- Normalkraftanteil
der Zugkraft F6 auf den Strang 11
- F3
- Andruckkraft
der Glättrolle 7
- F4
- Andrückkraft
der Glättrolle 8
- F5
- Andrückkraft
der Glättrolle 9
- F6
- Zugkraft
- S1
- Eingangsseitige
Heizzone des Heiztisches
- S2
- Mittlere
Heizzone des Heiztisches
- S3
- Ausgangsseitige
Heizzone des Heiztisches
- T1
- Mittlere
Temperatur des eingangsseitigen Abschnitts 16
- T2
- Mittlere
Temperatur der Werkstoffe in der Heizzone S1
- T3
- Mittlere
Temperatur der Werkstoffe in der Heizzone S2
- T4
- Mittlere
Temperatur der Werkstoffe in der Heizzone S3
- T5
- Mittlere
Temperatur des Prepreg-Stranges hinter dem Heiztisch
- T6
- Mittlere
Temperatur des Prepreg-Stranges hinter dem Kühltisch
- T7
- Schmelztemperatur
des Kunststoffs 14
- T8
- Schmelztemperatur
des Kunststoffs der Abdeckmaterialbahnen
- T
- Temperatur
- t
- Zeit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0084101
A2 [0002]
- - DE 102004010768 A1 [0008]
- - DE 102006052136 A1 [0009, 0012]
- - DE 102006052137 A1 [0013]
- - DE 10260060 A1 [0015]
- - JP 63225738 A [0016]