DE102008051121A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Drapieren und Vorformen gekrümmter Profilstrukturteile aus Fasergewirken - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Drapieren und Vorformen gekrümmter Profilstrukturteile aus Fasergewirken Download PDF

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Abstract

Eine Vorrichtung (10) zum Drapieren und Vorformen gekrümmter Profilstrukturteile aus Fasergewirken umfasst wenigstens ein Formwerkzeug (20) mit einer gekrümmten, einen profilierten Querschnitt aufweisenden Formfläche (36), die die Außenkontur des Profilstrukturteiles definiert, eine Mehrzahl von Abwickeleinrichtungen (12a-12g) zum Abgeben je eines bahnförmigen Fasergewirkes (14a-14g), eine Einrichtung zum Ausführen einer Relativbewegung zwischen dem Formwerkzeug (20) und der Mehrzahl von Abwickeleinrichtungen (12a-12g) zum tangentialen Wickeln der bahnförmigen Fasergewirke (14a-14g) auf die gekrümmte Formfläche (36) unter Spannung, und eine Fixiereinrichtung (22) zum endgültigen Fixieren der Gestalt der Gesamtheit der auf die gekrümmte Formfläche (36) gewickelten bahnförmigen Fasergewirke (14a-14g).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Drapieren und Vorformen gekrümmter Profilstrukturteile aus Fasergewirken. Mit dem Begriff ”Profilstrukturteile” sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung strukturgebende Bauteile gemeint, die für die strukturelle Festigkeit eines Körpers sorgen, d. h. Bauteile, die die Tragstruktur eines Körpers wie beispielsweise eines Flugzeugrumpfes bilden.
  • Insbesondere im Flugzeugbau wird seit einiger Zeit vermehrt die Anwendbarkeit von Profilstrukturteilen aus Fasergewirken untersucht, wobei mit Fasergewirken glasfaserverstärkte oder kohlefaserverstärkte Gewebe oder Gelege in beispielsweise Mattenform oder Bandform gemeint sind. Zur Bildung eines Profilstrukturteiles aus Faserverbundmaterial müssen zunächst die Fasern vorkonfektioniert und entsprechend ihrer geforderten Orientierung ausgerichtet werden. Die vorkonfektionierten Gewebe oder Gelege müssen dann schichtweise in die gewünschte Form gelegt, d. h. drapiert werden. Insbesondere bei gekrümmten Profilstrukturen ist dieser Drapierprozess schwierig und dementsprechend aufwändig. Die Fasergewirke müssen zur Erzielung gekrümmter Geometrien aufgrund der Längendifferenzen zwischen dem Außenrand und dem Innenrand in Bögen gelegt werden, was zu einer unerwünschten Faltenbildung führen kann. Eine weitere Schwierigkeit stellt die Einhaltung der gewünschten Faserausrichtung auf dem Formwerkzeug dar.
  • Nach dem Drapieren muss der erhaltene, mehrlagige Laminataufbau fixiert werden. Dies erfolgt üblicherweise in einem sogenannten Preformschritt, in dem der mit einem bindenden Material, welches in der Regel unter Wärmezufuhr seine fixierende Wirkung entfaltet, gepulverte Laminataufbau erwärmt wird, um das Bindermaterial auszuhärten. Alternativ können bereits mit einem bindenden Material getränkte Gewebe oder Gelege verwendet werden, sogenannte Prepregs.
  • Ein Anwendungsbeispiel für zukünftige Profilstrukturteile aus Faserverbundmaterial sind Spanten, wie sie in einem Flugzeugrumpf und in Flugzeugtragflächen zum Einsatz kommen. Bisher müssen solche aus Fasergewirken hergestellte Spanten einzeln in mühseliger Handarbeit hergestellt werden, indem die einzelnen Gewebelagen auf ein entsprechendes Formwerkzeug drapiert, dort vorläufig fixiert und dann unter Wärmezufuhr zu einem Vorformling verbacken werden. Wenn zukünftig Spanten aus Fasergewirken im Flugzeugserienbau Verwendung finden sollen, ist eine solche Art der Herstellung zu langsam und zu unwirtschaftlich.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe zu schaffen und eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Drapieren und Vorformen gekrümmter Profilstrukturteile aus Fasergewirken anzugeben, mit der bzw. mit dem es schneller und kostengünstiger möglich ist, eine große Anzahl solcher Profilstrukturteile in reproduzierbarer Qualität herzustellen.
  • Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des beigefügten Patentanspruchs und mit einem Verfahren gelöst, das die im beigefügten Patentanspruch 12 angegebenen Schritte umfasst.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist demnach wenigstens ein Formwerkzeug mit einer gekrümmten und einen profilierten Querschnitt aufweisenden Formfläche auf, welche die Außenkontur des Profilstrukturteiles definiert, ferner eine Mehrzahl von Abwickeleinrichtungen zum Abgeben je eines bahnförmigen Fasergewirkes, eine Einrichtung zum Ausführen einer Relativbewegung zwischen dem Formwerkzeug und der Mehrzahl von Abwickeleinrichtungen zum tangentialen Wickeln der bahnförmigen Fasergewirke auf die gekrümmte Formfläche unter Spannung, und schließlich eine Fixiereinrichtung zum endgültigen Fixieren der Gestalt der Gesamtheit der auf die gekrümmte Formfläche gewickelten bahnförmigen Fasergewirke.
  • Die bahnförmigen Fasergewirke sind vorkonfektionierte Gewebe oder Gelege, die auch sogenannte Prepregs sein können, und werden vorteilhaft auf Rollen in ”endloser” Form vorgehalten. Je eine Abwickeleinrichtung hält eine solche Rolle und übergibt das bahnförmige Fasergewirk wenigstens einer optionalen Zuführeinrichtung zum Führen der bahnförmigen Fasergewirke auf die gekrümmte Formfläche. Die Zuführeinrichtung kann beispielsweise aus einem oder mehreren Walzenpaaren bestehen, die das bahnförmige Fasergewirk zwischen sich fortbewegen und seitlich führen. Die Zuführeinrichtung kann ferner Positionierrollen umfassen, die den Rand des bahnförmigen Fasergewirkes in eine gewünschte Position bringen. Bei bevorzugten Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Zuführeinrichtung darüber hinaus wenigstens eine Profilgebungsrolle auf, die zwischen einer Abwickeleinrichtung und dem Formwerkzeug angeordnet ist, um das bahnförmige Fasergewirk der Profilform des Formwerkzeugs anzunähern. Jeder Abwickeleinrichtung kann eine separate Zuführeinrichtung zugeordnet sein, insbesondere dann, wenn das bahnförmige Fasergewirk aus seiner zunächst ebenen Gestalt in eine gewünschte Raumform gebracht werden soll, beispielsweise in L- oder Z-Form. Schließlich umfasst die Zuführeinrichtung vorzugsweise Mittel zum Festlegen des Anfangs der bahnförmigen Fasergewirke an einem Formwerkzeug oder an einem Formwerkzeugträger. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass das bahnförmige Fasergewirk unter Spannung auf die Formfläche aufgebracht werden kann. Kommt keine Zuführeinrichtung zum Einsatz, so kann die oder jede Abwickeleinheit eine Bremse enthalten, um ein Abwickeln des bahnförmigen Fasergewirkes unter Spannung zu ermöglichen.
  • Die Relativbewegung zwischen dem Formwerkzeug und der Mehrzahl von Abwickeleinrichtungen kann eine Rotationsbewegung und/oder eine Transversalbewegung sein, je nachdem, welche Gestalt das zu erzeugende Profilstrukturteil hat. Bei sehr großen Profilstrukturteilen kann es vorteilhaft sein, die Mehrzahl der Abwickeleinrichtungen relativ zum Formwerkzeug zu bewegen. In der Regel wird es aber einfacher sein, wenn die Einrichtung zum Ausführen der genannten Relativbewegung das Formwerkzeug bewegt. Hierzu kann das Formwerkzeug auf einem Formwerkzeugträger gehalten sein, der von der Einrichtung zum Ausführen einer Relativbewegung bewegt wird, beispielsweise gedreht oder verschwenkt wird. Ein solcher Formwerkzeugträger kann mehrere Formwerkzeuge tragen, die nebeneinander oder auch nacheinander angeordnet sein können. Zur effizienten Herstellung von Spanten beispielsweise für einen Flugzeugrumpf bietet sich ein kreisförmiger Formwerkzeugträger an, auf dem in Umfangsrichtung mehrere Formwerkzeuge aufeinanderfolgend angeordnet sind. Der Radius eines solchen Formwerkzeugträgers entspricht dabei im Wesentlichen dem Radius des späteren Flugzeugrumpfes. Durch eine kontinuierliche Drehung eines solchen Formwerkzeugträgers können die einzelnen Fasergewirklagen einfach auf die Formflächen der Formwerkzeuge aufgebracht und Vorformlinge kontinuierlich erzeugt werden.
  • Bei einer anderen Ausführungsform wird lediglich ein Formwerkzeug verwendet, welches auf einem Formwerkzeugträger gehalten ist, der auf einer Wippe montiert ist. Mittels der Wippe kann der Formwerkzeugträger relativ zu den Abwickeleinrichtungen verschwenkt werden, wobei im Verlaufe der Schwenkbewegung die einzelnen Lagen der vorkonfektionierten bahnförmigen Fasergewirke auf die Formfläche drapiert werden.
  • Das Formwerkzeug kann mit Vorteil so ausgebildet sein, dass mit ihm zwei spiegelbildliche Profilstrukturteile erzeugt werden können. Nach dem Drapieren und Fixieren des Laminataufbaus lässt sich dieser durch Zerschneiden in Längsrichtung in zwei Hälften teilen, von denen jede Hälfte einen Vorformling eines gewünschten Profil strukturteils darstellt. Eine solche Ausführungsform der Vorrichtung lässt sich ohne Weiteres auch mit dem zuvor beschriebenen, kreisförmigen Formwerkzeugträger kombinieren.
  • Die Fixiereinrichtung ist vorzugsweise eine Heizeinrichtung zum Verbacken der aufeinander drapierten Fasergewirklagen. Diese Heizeinrichtung kann die notwendige Wärmezufuhr durch unmittelbaren Kontakt mit dem Laminataufbau oder durch Wärmestrahlung übertragen. In Abhängigkeit des als Binderharz verwendeten Materials kann die ”Heizeinrichtung” auch UV-Strahlung abgeben, die das Binderharz aushärten lässt. Induktive Heizeinrichtungen oder Mikrowellenenergie abgebende Heizeinrichtungen kommen ebenfalls in Frage. In jedem Fall verbinden sich durch die Wärme- und/oder Strahlungszufuhr die einzelnen Lagen des aufeinander drapierten Fasergewirkmaterials innig und dauerhaft miteinander.
  • Insbesondere dann, wenn mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung mehrere Vorformlinge gewünschter Profilstrukturteile gleichzeitig erzeugt werden, kann der Fixiereinrichtung eine Trenneinrichtung zum Zerschneiden der verbackenen, aufeinander drapierten Fasergewirklagen in einzelne Vorformlinge nachgeschaltet sein. Die erfindungsgemäße Vorrichtung stößt dann fertige Vorformlinge aus, die nur noch endbearbeitet werden müssen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Schritte:
    • – tangentiales Zuführen vorkonfektionierter, bahnförmiger Fasergewirklagen an eine gekrümmte, einen profilierten Querschnitt aufweisende Formfläche, welche die Außenkontur des Profilstrukturteiles definiert,
    • – Aufwickeln der Fasergewirklagen auf die Formfläche unter Spannung durch Drehen und/oder transversales Bewegen der Formfläche, und
    • – Fixieren der Gestalt der Gesamtheit der auf die gekrümmte Formfläche gewickelten bahnförmigen Fasergewirke.
  • Bei bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt zwischen dem Schritt des tangentialen Zuführens und dem Schritt des Aufwickelns der Fasergewirklagen ein Profilgebungsschritt, in dem wenigstens eine aufzuwickelnde Fasergewirklage dem Profil der Formfläche angenähert wird, bevor die Fasergewirklage auf die Formfläche auftrifft.
  • Das Fixieren der Gesamtheit der auf die gekrümmte Formfläche gewickelten bahnförmigen Fasergewirke erfolgt vorzugsweise durch ein Verbacken des Laminatauf baus, d. h. durch ein thermisch oder anderweitig herbeigeführtes Aushärten eines Binderharzes, welches die einzelnen Fasergewirklagen innig und dauerhaft miteinander verbindet. Das Aushärten kann durch Wärmezufuhr oder auch durch andere Strahlung erfolgen, beispielsweise UV-Strahlung.
  • An den Schritt des Fixierens schließt sich bei bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens der Schritt eines Zerschneidens der aufeinander drapierten, fixierten Fasergewirklagen in einzelne Vorformlinge an.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten, schematischen Zeichnungen nähert erläutert. Es zeigt:
  • 1 eine räumliche Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Drapieren und Vorformen gekrümmter Profilstrukturteile aus Fasergewirken,
  • 2 eine Abwickeleinrichtung und Zuführeinrichtung der in 1 wiedergegebenen Vorrichtung in größerem Maßstab, und
  • 3 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung aus 1 mit mehreren Abwickeleinrichtungen und einer Trenneinrichtung.
  • In 1 ist schematisch eine allgemein mit 10 bezeichnete Vorrichtung zum Drapieren und Vorformen gekrümmter Profilstrukturteile aus Fasergewirken gezeigt. Die Vorrichtung 10 umfasst als Hauptbestandteile eine Mehrzahl von Abwickeleinrichtungen, von denen in 1 der besseren Übersichtlichkeit halber nur eine Abwickeleinrichtung 12a wiedergegeben ist und von denen jede eine Lage eines bahnförmigen Fasergewirkes (hier 14a) abgibt und mit einer zugeordneten Zuführeinrichtung 16 zusammenwirkt, sowie ferner einen Formwerkzeugträger 18, auf dem mehrere Formwerkzeuge 20 (siehe 3) gehalten sind, und schließlich eine Fixiereinrichtung 22.
  • Jede Abwickeleinrichtung 12a12g ist zum drehbaren Haltern einer Rolle oder Spule 24 ausgebildet, auf der eine lange Bahn eines vorkonfektionierten Fasergewirkes 14a14g aufgerollt ist. Durch Abwickeln des bahnförmigen Fasergewirkes 14a von der Spule 24 kann im Betrieb der Vorrichtung 10 im Wesentlichen kontinuierlich eine Lage des Fasergewirkes 14a bereitgestellt werden.
  • Das von der Spule 24 abgewickelte, bahnförmige Fasergewirk 14a passiert zunächst ein der Zuführeinrichtung 16 zugehöriges Walzenpaar 26 und gerät danach mit seinen beiden Rändern in Kontakt mit mehreren links bzw. rechts des bahnförmigen Fasergewirkes 14a angeordneten Positionierrollen 28, 30, 32 und 34, die für eine korrekte Ausrichtung des zugeführten Fasergewirkes 14a in Bezug auf eine Formfläche 36 des Formwerkzeuges 20 bzw. der Formwerkzeuge 20 sorgt, auf die das Fasergewirk 14a drapiert werden soll. Die Formfläche 36, die die Außenkontur des zu formenden Profilstrukturteiles festlegt, ist gekrümmt und hat einen hier Z-förmig profilierten Querschnitt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel legt jede Formfläche 36 einen Spant für einen Flugzeugrumpf fest.
  • Zusätzlich zu dem Walzenpaar 26 und den Positionierrollen 28 bis 34 umfasst die Zuführeinrichtung 16 im gezeigten Beispiel noch drei Profilgebungsrollen 38, 40 und 42, die im Verein mit den Positionierrollen 28 bis 34 die zunächst ebene Bahn aus Fasergewirk 14a einem Profil annähern, das dem Profil der Formfläche 36 entspricht, damit das bahnförmige Fasergewirk 14a sich möglichst exakt und faltenfrei auf die Formfläche 36 legen kann. Im vorliegenden Fall drängen die Profilgebungsrollen 38 bis 42 das bahnförmige Fasergewirk 14a in eine Z-Form. Hierzu ist die Profilgebungsrolle 38 wie dargestellt auf der Rückseite des Fasergewirkes 14a angeordnet und sorgt für die Ausbildung der ersten Falte der Z-Form. Die Profilgebungsrolle 40 befindet sich ungefähr gegenüber der Profilgebungsrolle 38 auf der Vorderseite des Fasergewirks 14a und sorgt für die Ausbildung der zweiten Falte der Z-Form. Die weitere Profilgebungsrolle 42 ist in Laufrichtung des Fasergewirkes etwas stromabwärts angeordnet und formt zusammen mit einer hier nicht sichtbaren Profilgebungsrolle auf der Rückseite des Fasergewirkes die beiden Falten noch besser aus, damit das bahnförmige Fasergewirk 14a, welches von der Zuführeinrichtung 16 tangential zur Formfläche 36 geführt wird, sich möglichst exakt an die Formfläche 36 anlegen kann.
  • Der die hier sechs Formwerkzeuge 20 (siehe 3) tragende, kreisscheibenförmige Formwerkzeugträger 18 ist um seine Mittelachse drehbar gelagert und wird im Betrieb von einem hier nicht dargestellten Antrieb in Pfeilrichtung T gedreht, um die einzelnen, hier sieben bahnförmigen Fasergewirkslagen 14a14g auf die Formflächen 36 der Formwerkzeuge 20 zu wickeln (siehe 3).
  • Der so entstandene Laminataufbau aus den hier sieben Fasergewirkslagen wird mittels der Fixiereinrichtung 22 verbacken, d. h. innig miteinander verbunden und ausgehärtet. Hierzu weist die Fixiereinrichtung 22 ein beheizbares Formstück 44 auf, das durch Wärmezufuhr ein im Fasergewirk 14a14g enthaltenes oder ihm vor der Fixiereinrichtung 22 zugegebenes Binderharz aushärtet.
  • Zum Bilden einzelner Vorformlinge 46 ist in 3 der Fixiereinrichtung 22 eine Trenneinrichtung 48 nachgeordnet, die mittels eines radial wirkenden Schneidmessers 50 den verbackenen Laminataufbau zwischen den einzelnen Formwerkzeugen 20 trennt, so dass sich einzelne, spantförmige Vorformlinge 46 von den Formwerkzeugen 20 ablösen, die dann nur noch endbearbeitet werden müssen.

Claims (16)

  1. Vorrichtung (10) zum Drapieren und Vorformen gekrümmter Profilstrukturteile aus Fasergewirken, mit – wenigstens einem Formwerkzeug (20) mit einer gekrümmten einen profilierten Querschnitt aufweisenden Formfläche (36), die die Außenkontur des Profilstrukturteiles definiert, – einer Mehrzahl von Abwickeleinrichtungen (12a12g) zum Abgeben je eines bahnförmigen Fasergewirkes (14a14g), – einer Einrichtung zum Ausführen einer Relativbewegung zwischen dem Formwerkzeug (20) und der Mehrzahl von Abwickeleinrichtungen (12a12g) zum tangentialen Wickeln der bahnförmigen Fasergewirke (14a14g) auf die gekrümmte Formfläche (36) unter Spannung, und – einer Fixiereinrichtung (22) zum endgültigen Fixieren der Gestalt der Gesamtheit der auf die gekrümmte Formfläche (36) gewickelten bahnförmigen Fasergewirke (14a14g).
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Ausführen einer Relativbewegung das Formwerkzeug (20) bewegt.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug (20) auf einem Formwerkzeugträger (18) gehalten ist, der von der Einrichtung zum Ausführen einer Relativbewegung bewegt wird.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Formwerkzeugträger (18) mehrere Formwerkzeuge (20) trägt.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Formwerkzeugträger (18) kreisförmig ist und dass die mehreren Formwerkzeuge (20) auf dem Formwerkzeugträger (18) in Umfangsrichtung aufeinander folgend angeordnet sind.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die gekrümmten Profilstrukturteile Spanten für einen Flugzeugrumpf sind und dass der Radius des Formwerkzeugträgers (18) im Wesentlichen dem Radius des Flugzeugrumpfes entspricht.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Zuführeinrichtung (16) zum Führen der bahnförmigen Fasergewirke (14a14g) auf die gekrümmte Formfläche (36) vorhanden ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführeinrichtung (16) wenigstens eine Profilgebungsrolle (38, 40, 42) aufweist, die zwischen einer Abwickeleinrichtung (12a) und dem Formwerkzeug (20) angeordnet ist, um ein bahnförmiges Fasergewirk (14a) der Profilform des Formwerkzeugs (20) anzunähern.
  9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführeinrichtung (16) Mittel zum Festlegen des Anfangs der bahnförmigen Fasergewirke (14a14g) an einem Formwerkzeug (20) oder an einem Formwerkzeugträger (18) aufweist.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixiereinrichtung (22) eine Heizeinrichtung zum Verbacken der aufeinander drapierten Fasergewirklagen ist.
  11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fixiereinrichtung (22) eine Trenneinrichtung (48) zum Zerschneiden der verbackenen, aufeinander drapierten Fasergewirklagen in einzelne Vorformlinge nachgeschaltet ist.
  12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Ausführen einer Relativbewegung eine Rotations- und/oder eine Transversalbewegung ausführt.
  13. Verfahren zum Drapieren und Vorformen gekrümmter Profilstrukturteile aus Fasergewirken, mit den Schritten: – Tangentiales Zuführen vorkonfektionierter, bahnförmiger Fasergewirklagen an eine gekrümmte, einen profilierten Querschnitt aufweisende Formfläche, die die Außenkontur des Profilstrukturteiles definiert, – Aufwickeln der Fasergewirklagen auf die Formfläche unter Spannung durch Drehen und/oder transversales Bewegen der Formfläche, und – Fixieren der Gestalt der Gesamtheit der auf die gekrümmte Formfläche gewickelten bahnförmigen Fasergewirke.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem tangentialen Zuführen und dem Aufwickeln der Fasergewirklagen ein Profilgebungsschritt erfolgt, in dem wenigstens eine aufzuwickelnde Fasergewirklage dem Profil der Formfläche angenähert wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Fixierens durch Verbacken der aufeinander drapierten Fasergewirklagen erfolgt.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die aufeinander drapierten Fasergewirklagen in Vorformlinge zerschnitten werden.
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