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Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Maschinen zur Umformung und zur Bearbeitung von Kompositen, sogenannte Thermoformmaschinen, sind in der Automatisierungstechnik bereits erfolgreich im Einsatz. Thermoformmaschinen dienen im Allgemeinen einer Verformung einer Flachware aus einem Material, das im erwärmten Zustand mittels Formwerkzeugen verformbar ist. Die Technologie, thermoplastische oder thermohärtbare Materialien mit relativ großen Abmessungen durch Thermoformen zu bearbeiten, hat sich aus dem zunehmenden Bedarf in unterschiedlichen Industrien entwickelt. Die Einsatzbereiche der Thermoformmaschinen reichen von der Sanitärbranche, der Automobilindustrie und deren Zulieferern über Kühlschrankhersteller, Wohnwagen- und Motorsportindustrie sowie Lichtkuppelhersteller bis hin zur Display- und Werbeindustrie.
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Thermoformmaschinen sind hinlänglich bekannt und umfassen beispielsweise Materialbeladungseinrichtungen, Heizeinrichtungen, Formungseinrichtungen, Entladungseinrichtungen etc. Das Herzstück der Thermoformmaschinen besteht im Wesentlichen aus einem geschlossenen Maschinenkasten. Dieser ist mit verstellbarem Spannrahmen, Einzelstrahlerregelung für Ober- und Unterheizung, Oberstempel und Kühlgebläse mit Wassersprühkühlung ausgerüstet. Hiermit ist die Verarbeitung eines jeden Thermoplasten mit beliebiger Materialdicke, und zwar unabhängig von der Ausrüstung der Maschine möglich.
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Die Umformung erfolgt durch zwei Maschinentische, die mit entsprechenden Schließkräften ausgestattet sind. Die Maschinen arbeiten als Halbautomaten mit händischem Einlegen. Durch Automatisierungsoptionen können sie vollautomatisch arbeiten, wobei die Zuschnitte mit Saugern oder Greifern eingelegt und die Formteile automatisch entnommen werden.
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In jüngerer Zeit sind auch größere Systemeinheiten am Markt bekannt, die zugleich eine Thermoformmaschine, Beschickungs- und CNC-Einrichtung umfassen. Eine derartige Maschine ist beispielsweise in der Druckschrift
EP 0 669 199 B1 beschrieben. Bei solchen vollautomatischen Anlagen entfällt die Zwischenlagerung zwischen Thermoformmaschine und CNC-Maschine zur Endbearbeitung.
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Thermoformmaschinen, CNC-Beschneidestation und automatisches Teilehandling sind die wesentlichen Komponenten dieser Fertigungsanlagen. Der Automatisierungsansatz, der alle Schritte vom Aufheizen der Kunststoffplatten bis zum Stapeln der Vakuumformteile umfasst, beruht auf einer Transporteinrichtung mit Linearmotoren in Verbindung mit mehreren Transportwagen. Die Transportwagen stellen das Bindeglied dar, mit dem die Vakuumformmaschine unmittelbar mit der CNC-Fräsmaschine gekoppelt wird. Beide Maschinen sind in ihrer dem jeweiligen Formteil angepassten Taktzeit aufeinander abgestimmt. Dabei übernimmt eine erste Fahreinheit die Aufgabe einer Übergabestation, die mit Saugern die geformten Teile aus der Thermoformmaschine nimmt und auf die Stützform der Beschneidestation legt. Nach dem Beschneiden entnimmt eine weitere Fahreinheit die Teile und bringt sie zur Entladestation. Ein wesentlicher Vorteil einer solchen Systemeinheit ist, neben der vollautomatischen Steuerung, die verbesserte Genauigkeit im Zusammenspiel von Thermoformen und CNC-Nachbearbeitung.
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Andererseits sind Verfahren zum Formen von Gegenstanden aus einem thermoplastischen Verbundmaterial bekannt, welches aus einem Kern aus thermoplastischem Schaum und faserverstärkten Deckschichten mit Harz aufgebaut ist. Beispielsweise ist ein derartiges Verfahren aus der Druckschrift
EP 0 464 953 B1 bekannt, bei dem die Temperatur beim Formen so hoch gewählt wird, dass ein Verschäumen des thermoplastischen Materials stattfindet.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Formen eines Gegenstands weiterzuentwickeln, um Formkörper bei erhöhter Temperatur herzustellen, bei der jedoch kein weiterer Aufschäumvorgang mehr stattfindet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
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Die Erfindung schließt ein Verfahren zum Formen eines Gegenstands ein, bestehend aus zumindest einem thermoplastischen Material oder einem mit thermoplastischem Material zu bildenden Verbundmaterial, wobei das Verfahren umfasst:
- – Bereitstellen des thermoplastischen Materials oder des zu bildenden Verbundmaterials in einer gasdicht verschließenden Umhüllung,
- – Erwärmen des thermoplastischen Materials oder des zu bildenden Verbundmaterials auf eine Umformtemperatur und Evakuieren der Umhüllung,
- – Umformen und gegebenenfalls Fügen sowie anschießendes Abkühlen des thermoplastischen Materials oder des Verbundmaterials,
- – Entfernen des fertig geformten Gegenstands aus der Umhüllung.
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Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, einen thermoplastischen Schaum bzw. ein thermoplastisches Kernmaterial zu einem Formling umzuformen oder ein Verbundbauteil herzustellen. Dies geschieht bei erhöhter Temperatur und Druck zum Komprimieren des Werkstoffs und Fügen der Einzelkomponenten. Zu einem Formling werden die Zellen des Schaummaterials in verschiedenen Bereichen komprimiert und das Material dabei verdichtet. Zur Lösung der Aufgabe wird der Schaum in eine zu evakuierende Umhüllung eingepackt.
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Thermoplastische Materialien können vorliegend auch solche Materialien umfassen, welche nur bedingt thermoplastisch umformbar bzw. verformbar sind. Bei derartigen Materialien können beim Umformen gegebenenfalls zusätzliche Maßnahmen nötig sein.
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Durch die erfinderische Lösung lässt sich zur Herstellung von Verbundmaterial eine Deckschicht mit Glasfaser, Karbonfaser oder Aramid in einem Herstellungsvorgang mit einem thermoplastischen Kernmaterial zusammenfügen. Derartige Deckschichten, auch Organobleche genannt, sind als Faserverbundwerkstoff folglich eine gezielte Kombination aus zwei oder mehreren Materialien aus hochfesten Fasern und einer thermoplastischen Matrix, insbesondere einem Kunststoff, welche die Eigenschaften der einzelnen Komponenten verbessert. Für Hochleistungsfaserverbunde kommen in erster Linie Gewebe oder Gelege zum Einsatz. Aber auch dem Matrixwerkstoff fallen entscheidende Aufgaben zu. Er überträgt die Kräfte zwischen den Fasern, stützt diese gegen Ausknicken und vor äußerem Angriff. Thermoplastische Kunststoffe, wie beispielsweise Polypropylen, thermoplastische Elastomere, Polyamid und Polyphenylensulfid, bieten im Hinblick auf Umformbarkeit, Gestaltungsfreiheit und Recyclingfähigkeit Vorteile. Organobleche kommen insbesondere dann zum Einsatz, wenn mittels Erhitzen und Abkühlen ein Bauteil in kurzer Zykluszeit hergestellt werden soll.
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Als Deckschichten kommen alternativ auch Aluminium und Aluminiumlegierungen sowie weitere Metalldeckschichten in Betracht.
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Als Kernmaterial eignet sich auch ganz besonders thermoplastischer, geschlossenzelliger, struktureller Hartschaumstoff. Derartige Materialien sind speziell geeignet für alle Arten von Harzen und Laminierungsprozessen, angefangen von Handlaminat, Vakuumverfahren bis hin zu Harzinfusion und Prepreg-Verfahren. Das Kernstück ist mechanisch sehr einfach zu bearbeiten und insbesondere thermoformbar. Die ausgezeichneten Eigenschaften, wie Druckfestigkeit sowie die sehr guten Ermüdungs- und Kriecheigenschaften, ermöglichen den Einsatz in sehr vielen Sandwichanwendungen. Zudem ist der Schaum chemisch beständig, zeigt eine sehr geringe Wasseraufnahme und kann thermisch stark belastet werden. Die Verarbeitung bei hohen Temperaturen oder das Nachhärten ist ohne Nachexpansion möglich.
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Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist, dass ein verbleibendes Vakuum in der Verbundstruktur im Anwendungsfall die thermische Isolationswirkung verbessert. Zudem kann aus einer Struktur außer dem Luftanteil ein gewisser Anteil an gasförmigem Treibmittel mit entfernt werden, wodurch ein unerwünschtes Nachschäumen eingedämmt wird. Bis zu einem gewissen Grad ist eine Entfernung des Treibmittelanteils auch aus Umweltgesichtspunkten vorteilhaft. Durch das vorhandene Vakuum kann die Verbundstruktur stabil gehalten werden. Ebenso kann eine Expansion der Schaumzellen durch das Vakuum verhindert werden.
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Das Evakuieren der Umhüllung kann zeitlich vor dem Erwärmen des thermoplastischen Materials oder des zu bildenden Verbundmaterials auf eine Umformtemperatur erfolgen.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung können die Prozessschritte in einer kompakten Anlage durchgeführt werden. Hierbei kann es sich um eine Produktionsanlage mit einer Heizeinrichtung und integrierter Presse, wie beispielsweise eine Plattenpresse, handeln. Ein Transport des Materials nach dem Erhitzen ist nicht mehr nötig. Bei einem Einsatz derartiger sogenannter „one-shot”-Anlagen kann mit stabil gehaltener Temperatur während dem Umformvorgang gearbeitet werden.
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Vorteilhafterweise kann der Gegenstand als Verbundmaterial aus dem thermoplastischen Material als Kernmaterial und zumindest einer Deckschicht hergestellt werden. Die Deckschichten sind im Prozess im Vakuum mit eingebunden. Die Schaumstruktur als Kernmaterial wird beispielsweise mit Glasgewebe in eine große Form eingebracht und mit einer Folie abgedeckt, um ein geschlossenes System zu erzeugen. Eine seitliche Abdichtung kann auch mit Dichtbändern erfolgen, so dass auch randseitig kein Lufteintritt erfolgen kann.
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In bevorzugter Ausgestaltung kann als gasdicht verschließende Umhüllung ein Vakuumsack verwendet werden. Hierbei werden der Schaum und gegebenenfalls die Deckschichten im Vakuumsack eingepackt. Dabei ist es nötig oder zumindest wünschenswert, den Vakuumsack auch thermisch isolierend auszuführen. Nach dem Evakuieren wird der Vakuumsack durch den Außendruck an das Schaummaterial angepresst und liegt ohne Faltenwurf direkt an. Hierzu muss das Material des Vakuumsacks entsprechend flexibel sein. Das Material des Vakuumsacks muss thermisch beständiger sein, als der umzuformende thermoplastische Schaum, damit die Materialien nicht miteinander verschmelzen und wieder getrennt werden können.
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Des Weiteren kann in bevorzugter Ausgestaltung der Vakuumsack einen Vakuum-Anschlussstutzen mit einem Ventil aufweisen. Damit kann bei einer gewissermaßen verschließbaren gasdichten Umhüllung auch der Hauptanteil an Restgas abgesaugt werden. Zur Absaugeinrichtung zugehörig sind auch Schlauch und Pumpe.
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Alternativ kann vorteilhafterweise als gasdicht verschließende Umhüllung eine mittels Abdeckfolie abdichtbare Rahmenkonstruktion verwendet werden. Mit einem derartigen Spannrahmen wird die Schaumstruktur fixiert. Der Spannrahmen bildet eine äußere Einfassung, durch die der Schaum, beispielsweise in Verbindung mit Heizstrahlerfeldern, erhitzt werden kann. Die Heizstrahlerfelder sind dabei über beziehungsweise unter der Schaumstruktur angeordnet. Nach Erhitzen werden die Heizstrahlerfelder wieder aus dem Umformbereich entfernt und das erhitzte Schaummaterial in der Presse von unten und oben zusammengedrückt und ausgeformt. Das Pressenwerkzeug ist gekühlt, wodurch die Temperatur des Materials selbst beim Abkühlvorgang gesteuert wird. Beim Pressvorgang wird der Schaum folglich von einer Ausgangsstärke auf unterschiedliche Stärken komprimiert und dabei auch in der Schaumdichte verändert.
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Des Weiteren alternativ kann in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung als gasdicht verschließende Umhüllung eine mittels gasdichten Deckschichten des Verbundmaterials abdichtbare Rahmenkonstruktion verwendet werden. Bestandteil des Verfahrensablaufs ist dabei ein Evakuieren der Schaumstruktur mit anschließendem Abdecken mittels gasdichten Deckschichten. Die Schaumstruktur wird an den Seitenflächen abgedichtet, so dass auch im Ergebnis eine gasdicht verschlossene Umhüllung vorliegt, die anschließend umgeformt, also verpresst wird.
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Bevorzugt kann das thermoplastische Material in die Rahmenkonstruktion eingeklebt werden. Hierdurch wird eine besonders zuverlässige Verbindung zum Evakuieren der Struktur geschaffen.
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Des Weiteren bevorzugt kann die zumindest eine Deckschicht aus Glasfaser- oder Kohlefasergewebe bestehen, in die vor dem Umformen ein Harz oder ein thermoplastisches Matrixsystem infiltriert wird. Nach dem Evakuieren an zumindest einem Zugang, kann Harz in die Form eingebracht und die Sandwichstruktur hergestellt werden. Wenn allerdings gleich während dem Evakuieren das Harz mit eingebracht wird, kann sich dessen Fließcharakteristik verbessern, wodurch die Struktur besser mit Harz durchtränkt wird.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann zumindest eine gasdichte Deckschicht mittels eines thermoplastischen Klebers mit dem thermoplastischen Material verbunden werden. Durch diffusionsdichte Deckschichten kann auch nach dem Herstellungsprozess das bestehende Vakuum erhalten bleiben. Hierzu werden im evakuierten Zustand die Deckschichten mit dem Schaummaterial verpresst und gefügt. Derartige Verbunde steigern die thermische Isolationsfähigkeit gegenüber herkömmlichen Strukturen maßgeblich. Zu derart versiegelten Platten eignet sich insbesondere auch ein offenzelliges Schaummaterial.
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Vorteilhafterweise kann als thermoplastisches Material Polymethacrylimid verwendet werden. Dieses Material stellt besondere Anforderungen an das Umformen. Liegt nämlich die Umformtemperatur zu tief, so bricht das Material. Liegt diese zu hoch, so expandiert das restliche Treibmittel und schäumt das Material weiter auf. Das Prozessfenster für die Umformtemperatur ist daher ausgesprochen eng und beträgt nur wenige Grad. Dieses Temperaturfenster muss während des gesamten Umformvorgangs gehalten werden.
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Des Weiteren kann die Umformtemperatur 5% bis 15% tiefer liegen, als die Temperatur, bei der das thermoplastische Material schäumt. Der Schäumprozess beginnt beispielsweise bei dem vorstehend genannten Polymethacrylimid bei 220 bis 250°C. Die ideale Umformtemperatur liegt ungefähr 10% tiefer, also bei ca. 200°C. Zum Halten der Temperatur dient eine Isolation aus Vlies oder Folie in Verbindung mit dem sich einstellenden Vakuum, um die Wärme zu speichern.
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In bevorzugter Ausgestaltung kann zumindest ein Teil der Umhüllung aus Silikonfolie bestehen. Derartige Materialien sind insbesondere auch gut thermisch isolierend. Zudem verschmelzen diese nicht mit der Schaumstruktur und können wieder entfernt werden. Da dieses Material des Vakuumsacks flexibel ist, gibt es auch keine Faltenbildung beim Evakuieren, so dass eine glatte Oberfläche auf der Außenkontur vor dem Verpressen entsteht. Auf diese Weise wird durch das Vakuum bei Materialien mit geringem Wärmespeichervermögen der Wärmeverlust bis zur Umformung minimal gehalten. Durch die Isolationsschicht wird die sonst in Sekundenschnelle abfließende Wärme bis nach der Umformung in der Struktur gespeichert.
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Auch kann vorteilhafterweise zumindest ein Teil der Umhüllung aus Aluminiumfolie bestehen. Zur Umhüllung sind neben Folien auch große Säcke geeignet, da dieses Material leicht handhabbar und diffusionsdicht ist.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend anhand der Zeichnungen prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispielen.
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Es zeigen:
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1 schematisch eine Seitenansicht eines umhüllten Gegenstandes ohne Vakuum;
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2 schematisch eine Seitenansicht eines umhüllten Gegenstandes mit Vakuum;
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3 schematisch eine Seitenansicht einer Anlage zum Formen eines Gegenstandes; und
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4 schematisch eine Seitenansicht eines als Verbundmaterial geformten Gegenstandes.
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1 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines umhüllten Gegenstandes 1 ohne Vakuum. In diesem Zustand ist der Gegenstand 1 noch in seinen Einzelteilen in einem Vakuumsack als gasdicht verschließende Umhüllung 5 eingebracht und noch nicht zu einem Verbundmaterial gefügt. So liegt das thermoplastische Material 2 als Kernmaterial zunächst unverbunden zwischen zwei Deckschichten 4. Die Umhüllung 5 weist einen Vakuum-Anschlussstutzen 6 als Verbindungsstück zu einer Pumpeinrichtung P auf. In diesem noch nicht evakuierten Zustand kann der als Umhüllung 5 dienende Vakuumsack den Gegenstand 1 noch lose umgeben. In einem weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann auch lediglich ein einzelner Gegenstand bzw. ein Kernmaterial als thermoplastisches Material 2 ohne Deckschichten 4 in der Umhüllung 5 bereitgestellt und umgeformt werden.
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2 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines umhüllten Gegenstandes 1 mit Vakuum. Dieser Zustand entspricht dem Verfahrensschritt, bei dem das thermoplastische Material 2 mit den Deckschichten 4 des zu bildenden Verbundmaterials in der gasdicht verschließenden Umhüllung 5 bereitgestellt wurde. Beim darauf folgenden Verfahrensschritt kann bereits ein Erwärmen des zu bildenden Verbundmaterials auf eine Umformtemperatur vor oder nach dem Evakuieren der Umhüllung 5 erfolgen. Der Vakuum-Anschlussstutzen 6 kann während des gesamten Umformverfahrens durchgängig mit der Pumpeinrichtung P in Verbindung stehen oder durch eine in 2 nicht dargestellte Ventileinrichtung abgesperrt werden. Mit einem Ventil kann ein im Prozess einmalig erzeugtes Vakuum auch ohne ständiges Pumpen gehalten werden. Vorteilhaft ist natürlich bei einer ständigen Verbindung zur Pumpeinrichtung, dass gegebenenfalls durch das Erhitzen entstehendes Restgas ständig aus dem Vakuumsack abgezogen wird.
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3 zeigt schematisch eine Seitenansicht einer Anlage 10 zum Formen eines Gegenstandes 1. In diesem Fall ist in der Umhüllung 5 lediglich ein thermoplastisches Material 2 mit einer oben aufliegenden Deckschicht 4 versehen. Die Umhüllung 5 hat wiederum eine Verbindung zur Pumpeinrichtung P. Der zu fügende und formende Gegenstand 1 ist mit dem Vakuumsack als Umhüllung 5 auf einem Auflagerahmen 11 mit einer Ausnehmung positioniert. Die Ausnehmung im Auflagerahmen 11 ist in der Seitenansicht nicht unmittelbar sichtbar und somit gestrichelt angedeutet. Die Ausnehmung gibt den notwendigen Arbeitsraum zur Erhitzung und Umformung der Unterseite des Gegenstandes 1 frei. Eine auf der Oberseite nur randseitig aufliegende Rahmenkonstruktion 16 stabilisiert den umzuformenden Körper. So kann an der Unterseite ein unteres Heizstrahlerfeld 12 und an der Oberseite ein oberes Heizstrahlerfeld 13 zur beidseitigen Erwärmung des Gegenstandes positioniert werden. Nach dem Erwärmen werden beide Heizstrahlerfelder 12, 13 beispielsweise in der durch Pfeile angedeuteten Richtung genügend weit weggefahren, um anschließend das Umformen und gegebenenfalls Fügen durchführen zu können. Mit einem oberen Pressstempel 14, welcher in der dargestellten Ausführung eine ebene Oberfläche aufweist, wird die Deckschicht 4 mit der Oberseite des thermoplastischen Materials 2 gefügt. Hier können beispielsweise bereits mit einem thermoplastischen Matrixsystem versehene Deckschichten 4 verwendet werden. Eine weitere Umformung der Oberfläche findet in diesem Falle nicht statt. Mit dem unteren Pressstempel 15 wird dagegen die Unterseite des thermoplastischen Materials 2 umgeformt, indem der Pressstempel 15 an der Oberfläche eine Kontur aufweist, die als Negativform eingesetzt wird. Die Bewegungsrichtung der Pressstempel ist wiederum durch Pfeile angedeutet.
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4 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines als Verbundmaterial 3 geformten Gegenstandes 1. Das thermoplastische Material 2 ist nun mit der Deckschicht 4 stoffschlüssig verbunden, wobei das thermoplastische Matrixsystem wieder abkühlt und somit aushärtet. Die Einprägungen 7 auf der Unterseite sind in dieser Ansicht nicht unmittelbar sichtbar und nur durch Strichelung angedeutet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gegenstand
- 2
- thermoplastisches Material
- 3
- Verbundmaterial
- 4
- Deckschicht
- 5
- Umhüllung
- 6
- Vakuum-Anschlussstutzen
- 7
- Einprägungen
- 10
- Anlage
- 11
- Auflagerahmen mit Ausnehmung
- 12
- unteres Heizstrahlerfeld
- 13
- oberes Heizstrahlerfeld
- 14
- oberer Pressstempel
- 15
- unterer Pressstempel
- 16
- Rahmenkonstruktion
- ⇨
- Bewegungsrichtung der Anlagenteile
- P
- zur Pumpeinrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0669199 B1 [0005]
- EP 0464953 B1 [0007]
