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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Werkzeugform. Eine solche Werkzeugform kann in Urform- oder Kaschierwerkzeugen zum Einsatz kommen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung jedoch eine Werkzeugform, die beim Kaschieren von Interieurbauteilen von Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen, zum Einsatz kommt. Im Besonderen kommt eine solche Werkzeugform beim Presskaschieren zum Einsatz.
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Das Verfahren Presskaschieren von Interieurbauteilen, z. B. einer Instrumententafel, ist ein gängiges Verfahren, wobei unter Einsatz beheizter Werkzeugformen (gefräster Metallblock) durch die Kaschierparameter Druck, Temperatur und Zeit eine Klebstoffschicht (re-)aktiviert wird und diese dann einen Verbund zwischen dem Trägermaterial und dem zu kaschierenden Dekor erzeugt. In den allermeisten Kaschierwerkzeugen wird mit flüssigen Medien die Werkzeugform auf eine Solltemperatur erwärmt, die die Aktivierung des Klebstoffes bewirkt. Dieser Schritt ist entscheidend für eine gute Haftung und für den Gesamtverbund des Bauteils. Der Aktivierungsprozess ist kritisch und energetisch äußerst aufwändig, da man mit viel Energie in kürzester Zeit die Aktivierung des aufgetragenen und eventuell getrockneten Klebstoffes (z. B. einer wässrigen Dispersion oder eines Hotmelt) in die flüssige Phase überführen muss, die notwendig ist, dass eine Benetzung der Oberfläche möglich ist und sich dadurch Haftung an den Grenzfläche aufbauen kann. Dabei spielt es keine Rolle auf welcher Seite der Klebstoff aufgetragen wird. Der Klebstoff kann sowohl auf den Träger als auch auf die Dekorschicht oder einen Dekorverbund erfolgt sein.
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Für die Presskaschierung muss stetig Heizleistung zugeführt werden, damit die Werkzeugform permanent eine konstante Temperatur über die gesamte Produktionszeit halten kann. Dadurch, dass die Bauteile kalt eingetragen und heiß entnommen werden, geht permanent Energie verloren. Die Werkzeugform weist zudem Energieverluste durch die Emission von langwelliger Strahlung und Konvektion an die Umgebung auf. Zudem ist sie wärmeleitend mit der Presse verbunden. Die Effizienz der eingesetzten Energie ist damit denkbar schlecht. Durch die Entnahme des Bauteils im heißen Zustand, wird dem Heizkreislauf ständig weitere Energie entzogen. Durch den komplizierten Aufbau solcher Werkzeugformen aus einem Metallblock lassen sich diese nur sehr schwierig thermisch steuern, d. h. zwischen Heizmedium-Einlauf und Heizmedium-Auslauf ergeben sich große Differenzen, womit die Temperaturführung über die gesamte Heizfläche nahezu unmöglich ist. Außerdem sind lokal unterschiedliche Temperaturen nur mit mehreren Heizkreisläufen realisierbar.
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Die Fügepartner (Träger und Dekor) werden vorfixiert und in ein gängiges Presskaschierwerkzeug eingelegt. Nach Schließung der beiden vortemperierten Werkzeugformhälften des Presskaschierwerkzeuges erfolgt eine Temperaturübertragung unter Druckbeaufschlagung von der Werkzeugoberfläche auf die Bauteiloberfläche (Dekor und Träger) und von dort in die Klebefuge des Bauteils, wodurch eine Aktivierung oder Vernetzung des Klebstoffes erfolgt. Je nach Aufbau des Dekors und Trägers ist die Wärmeleitung in die Klebefuge infolge einer wärmeisolierenden Eigenschaft der Materialien stark beeinträchtigt. Die Folge sind Prozesszeiten mit bis zu 240 Sekunden. Um die Taktzeiten in einem erträglichen Maß zu halten, wird das Bauteil im noch aktiven (warmen) Zustand entformt. Dekore mit einem hohen Maß an Rückstellkräften führen hierbei zur Delamination (Ablöser). Abhilfe kann hierbei nur eine anschließende Kühlung der Teile im Werkzeug oder durch eine externe Abkühllehre erreicht werden. Im Idealzustand findet das Abkühlen des Bauteils im noch geschlossenen Presskaschierwerkzeug unter Druck statt. Direktes Heizen und Kühlen in einem Werkzeug ist nur durch starke Temperiergeräte möglich, die allerdings viel zu lange brauchen, um die Temperaturen hoch bzw. nach unten zu bringen und zusätzlich ein hohes Maß an Energie benötigen. Überwiegend werden große zu kaschierende Flächen mit nur einem Temperiergerät angesteuert. Dabei kann es lokal zur Überhitzung kommen oder zum nicht Erreichen der notwendigen Kontakttemperatur des Klebstoffes.
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Eine Verbesserung der Kaschierbedingungen kann durch Verwendung eines offenporigen porösen Metallschaums für die Werkzeugform erzielt werden. Die Verwendung eines porösen Metallschaums in einem Urformwerkzeug ist beispielsweise aus der
WO 96/17 716 A1 bekannt. Obwohl dieser Werkstoff eine Vielzahl der oben erwähnten Nachteile behebt, bleibt das Problem, dass zwischen Heizmedium-Einlauf und Heizmedium-Auslauf große Temperaturunterschiede beim Heizen der Werkzeugform entstehen, womit die Temperaturführung über die gesamte Heizfläche nahezu unmöglich ist. Außerdem sind lokal unterschiedliche Temperaturen nur mit mehreren Heizkreisläufen möglich.
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Vor diesem Hintergrund bestand die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine eingangs genannte Werkzeugform dahingehend weiterzubilden, dass auf einfachste Art und Weise unterschiedliche Temperaturen exakt und bedarfsgerecht eingestellt werden können und/oder Temperaturunterschiede Heiz-/Kühlmedium-Einlauf zwischen und Heiz-/Kühlmedium-Auslauf vermieden werden können.
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Diese Aufgabe wird durch eine Werkzeugform mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen der folgenden Beschreibung und den Figuren genannt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Werkzeugform als Schichtkörper aus porösem Metallschaum zu gestalten, wobei sich die Dichte der einzelnen Schichten unterscheidet und dadurch unterschiedliche Temperaturzonen gebildet werden können bzw. Differenzen zwischen Heizmedium-Einlauf und Auslauf ausgeglichen werden können.
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Dementsprechend schlägt die vorliegende Erfindung eine Werkzeugform für ein Kaschier- oder Urformwerkzeug vor. Dabei kann es sich um ein Vakuum- oder Presskaschierwerkzeug, eine Spritzgießform oder Vergleichbares handeln. Die Werkzeugform umfasst einen Grundkörper, in dem eine Kavität ausgebildet ist. In der Kavität erfolgt das Ausformen oder Kaschieren des Bauteils, wobei die Kavität zumindest bereichsweise an die Bauteilkontur angepasst ist. Der Grundkörper wird erfindungsgemäß aus einem offenporigen Metallschaum gebildet. Unter Metallschaum ist dabei ein poröser Schaum aus metallischen Werkstoffen zu verstehen. Des Weiteren ist eine Kühl- und/oder Heizeinrichtung vorgesehen, die zum Kühlen und/oder Heizen des Grundkörpers dient. Vorteilhafterweise wird das Kühl-/Heizmedium der Kühl- und/oder Heizeinrichtung durch die Poren des offenporigen Grundkörpers geströmt. Erfindungsgemäß umfasst der Grundkörper mehrere Schichten, die jeweils an einen Abschnitt der Kavität angrenzen. Letzteres bedeutet, dass die Schichten jeweils an einer ihrer Seiten einen Teil der Kavität definieren. D. h., die Schichten sind in Bezug auf die Kavität nicht übereinander, sondern nebeneinander angeordnet. Zumindest zwei aus dem Metallschaum bestehenden Schichten weisen eine unterschiedliche Dichte auf. Da Schichten mit geringerer Dichte eine Schaumstruktur mit größerer Porösität aufweisen als Schichten mit höherer Dichte, kann über das verändern der Dichte die Wärmeleitfähigkeit der gesamten Schicht beeinflusst werden. Durch das Herabsenken der Dichte werden die Porosität und die Oberfläche des Metallschaums erhöht, so dass eine schnellere Wärmeübertragung zwischen dem Metallschaum und dem Kühl- bzw. Heizmedium erfolgen kann. Durch die Anwendung von Metallschaumschichten verschiedener Dichten lassen sich somit Temperaturzonen erzeugen, die sich in der gleichen Zeit unterschiedlich erwärmen oder abkühlen. Diese Temperaturzonen können entweder so eingestellt werden, dass Temperaturunterschiede bedingt durch Ein- und Auslauf des Kühl- bzw. Heizmediums ausgeglichen oder gewünschte unterschiedliche Temperaturzonen gebildet werden. Darüber hinaus ist erfindungsgemäß die Einstellung einer extrem genauen und homogenen ggf. unterschiedlichen Temperatur an der Oberfläche der Kavität in sehr kurzer Zeit gewährleistet. Damit sind auch Wechsel von Temperaturniveaus vergleichsweise schnell möglich. Da durch die Porosität und damit verbundene große Oberfläche eine schnelle Wärmeübertragung bei Temperaturunterschieden des durchströmenden flüssigen oder gasförmigen Kühl- bzw. Heizmediums ermöglicht wird, sodass eine schnelle Anpassung des Grundkörpers an Temperaturänderungen des Mediums gewährleistet ist.
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Aufgrund der exzellenten Korrosionsbeständigkeit ist das Werkzeug für alle gängigen, flüssigen oder gasförmigen Heiz- bzw. Kühlmedien beständig. Rein beispielhaft seien Heizöl, wasserflüssiger Stickstoff oder Wasserdampf, Kohlendioxid oder Stickstoff genannt.
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Bevorzugt werden zur Bildung des Grundkörpers ungesinterte Metallschaumschichten zur Bildung des gewünschten dreidimensionalen Designs zu Stapeln zusammengefügt. Sobald die Metallschaumschichten gestapelt sind und die gewünschte Form erreicht ist werden die Schichten im Zuge eines Sinterprozesses miteinander verbunden und bilden so den Grundkörper aus. Vorzugsweise besteht der Metallschaum aus Eisen oder Stahl, wobei Legierungselemente, insbesondere Nickel, beigemischt sein können.
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Durch die Verwendung eines Metallschaums weist die Werkzeugform eine hohe Temperatur- und Druckbeständigkeit auf. Durch die im Vergleich zur Werkzeugform aus Vollmaterial geringere Dichte lässt sich das Werkzeug mit weniger Energieaufwand und damit geringeren Kosten bewegen.
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Durch die Verwendung von Schichten mit unterschiedlicher Dichte und die damit verbundene Erzeugung unterschiedlicher Temperaturzonen, kann die Temperatur im Kaschier- oder Formprozess den topographischen Gegebenheiten der Kavität angepasst werden. Im Kaschierprozess ermöglicht dies beispielsweise den Einsatz spezifischer Klebstoffe in Bereichen (z. B. im Umbugbereich oder Bereichen starker Krümmung), in denen die Gefahr einer Ablösung, z. B. durch die Rückstellkraft der zu kaschierenden Schicht, besteht. So kann die Werkzeugform beispielsweise im Umbugbereich mit einer Schicht von sehr geringer Dichte ausgestaltet sein, sodass höhere Temperaturen im Umbugbereich erreicht werden. Die Temperatur kann somit gezielt auf einen spezifischen Klebstoff eingestellt werden, während in den übrigen Bereichen die bisherigen Kaschierparameter verwendet werden.
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Vor diesem Hintergrund ist es bevorzugt eine der Schichten in einem Randbereich der Kavität, z. B. in einem Umbugbereich, und die andere der zwei Schichten in einem zentralen Bereich vorzusehen, wobei vorzugsweise die Schicht im Randbereich eine geringere Dichte aufweist, um hier eine höhere Temperatur zu erzielen als die Schicht im zentralen Bereich. Auch kann es sein, dass in Bereichen mit kleinen Krümmungsradien innerhalb der Kavität, d. h. in Bereichen der Kavität mit stärker gekrümmter Fläche eine der zwei Schichten und in anderen Bereichen der Kavität mit schwächer gekrümmter Fläche die andere der zwei Schichten vorgesehen ist. Auch hier ist es bevorzugt die Schicht im Bereich stärker gekrümmter Fläche mit einer geringeren Dichte auszustatten als die Schicht im Bereich schwächer gekrümmter Flächen.
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Somit können auch in diesen Bereichen die Kaschierparameter ggf. an einen anderen Klebstoff angepasst werden.
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Durch den effizienten Temperatureintrag und -wechsel kann, wie erwähnt, auch generell der Einsatz höher aktivierbarer Klebstoffe in Betracht gezogen werden. Üblicherweise liegen die Aktivierungstemperaturen der Klebstoffe für die Kaschierung im Bereich von 58°C bis 80°C. Latent reaktive Klebestoffe benötigen zur Aktivierung jedoch Fugentemperaturen von bis zu 110°C. Eine Werkzeugform aus Vollmaterial auf diese Temperatur zu bringen, wäre aus energetischen Gesichtspunkten aufgrund der Verluste durch Abstrahlungs- und Konvektionsenergie enorm.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch den schnelleren Wechsel der Temperatur in der Werkzeugform Bereiche mit einer hohen Rückstellkraft gezielt unter Druck abgekühlt werden können, wodurch eine physikalisch dichte abbindende Klebstofffuge erzeugt wird. Durch beide oben genannten Maßnahmen kann ein Nacharbeiten delaminierender Kaschierungen erheblich reduziert werden.
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Damit sich die Werkzeugform nicht auf dem auszuformenden Bauteil bzw. kaschierenden Bauteil abzeichnet, ist es bevorzugt, dass der Grundkörper im Bereich der Kavität zum Kontakt mit dem Bauteil mit einer geschlossenen Kontaktschicht versehen ist. Diese kann, wie in der eingangs genannten
WO 96/17 716 A1 , durch einen Sprühauftrag realisiert werden. Vorteilhafterweise wird die Kontaktschicht jedoch durch eine Metallplatte gebildet, an die der Grundkörper gesintert ist. Durch eine Metallplatte ist zum einen sichergestellt, dass die Wärme in ausreichender Geschwindigkeit vom Metallschaum in das herzustellende Bauteil ein- beziehungsweise abgeleitet wird, da Metalle gute Wärmeleitfähigkeiten besitzen. Zum anderen ermöglicht eine Metallplatte ein hohes Maß an Gestaltungsfreiheit in Bezug auf die Oberfläche, die dem zu fertigenden Bauteil zugewandt ist. Die Metallplatte kann bspw. eine Prägefläche aufweisen um ein Muster einzuprägen ohne, dass die Wärmeleitfähigkeit nachteilig beeinflusst wird. Weiterhin zeichnet sich eine Metallplatte durch ihre Widerstandsfähigkeit gegen Verschleiß und Mechanische Beschädigungen aus.
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Wird als Kühl- bzw. Heizmedium ein gasförmiges Medium verwendet, kann durch lokales Entfernen der Kontaktschicht, z. B. durch Einbringen von Löchern bzw. Öffnungen, gezielt eine Heiz- oder Kühldüse erzeugt werden. So kann es vorkommen, dass in einem Bereich der Werkzeugform aufgrund der Kontur des Bauteils, z. B. angeformter Rippen, der Kontakt des Bauteiles an der Kontaktschicht nicht gegeben ist. An diesen Stellen kann die Heiz- und/oder Kühldüse gebildet werden und somit eine Art „Distanzheizung” bzw. Erwärmung durch Konvektion geschaffen werden, indem dieser Bereich durch das Heizmedium angeströmt wird.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform. Diese erfolgt unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung.
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1 zeigt schematisch einen Teilschnitt durch eine erfindungsgemäße Werkzeugform.
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Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Werkzeugform anhand des Einsatzes in einem Kaschier-, insbesondere einem Presskaschierwerkzeug erläutert. 1 zeigt dabei schematisch ein Unterwerkzeug eines solchen Kaschierwerkzeuges. Das Unterwerkzeug umfasst eine Werkzeugform 10 mit einem Grundkörper 11.
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In dem Grundkörper 11 ist eine Kavität 12 ausgebildet. In die Kavität 12 wird beim Kaschierprozess ein zu kaschierendes Bauteil 13 mit einem Träger 14 und einer Dekorschicht 15 oder eines Dekorverbunds eingelegt. Im Kaschierprozess soll die Dekorschicht 15 fest mit dem Träger 14 verbunden werden. Hierzu ist zwischen der Dekorschicht 15 und dem Träger 14 eine Klebeschicht angeordnet, die im Kaschierprozess aktiviert wird.
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Hierfür ist eine nicht dargestellte Heiz-/Kühleinrichtung vorgesehen, über die ein flüssiges oder gasförmiges Heiz-/Kühlmedium durch Kanäle in dem Grundkörper strömbar ist. Durch Temperatur, Druck und Zeit erfolgt eine dauerhafte Verbindung zwischen der Dekorschicht 15 und dem Träger 14.
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Zum direkten Kontakt mit dem Träger 14 ist der Grundkörper 11 im Bereich der Kavität 12 mit einer Kontaktschicht 16 verbunden.
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Der Grundkörper 11 setzt sich aus mehreren Schichten 17 bis 22 zusammen. Die Schichten 17 bis 22 sind jeweils aus einem offenporigen Metallschaum gebildet. Die Poren des Metallschaums bilden hier bevorzugt die Strömungskanäle für das erwähnte Heiz-/Kühlmedium. Die Dichte der einzelnen Schichten 17 bis 22 kann sich voneinander unterscheiden. Bei der Wahl der Dichte wird die Topographie der Kavität 12 und die in den einzelnen Abschnitten gewünschten Kaschierparameter, insbesondere die Temperatur, berücksichtigt sowie eine etwaige Temperaturänderung des Kühl- bzw. Heizmediums beim Durchströmen durch den Grundkörper 11 in Betracht gezogen.
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Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Schichten 17 und 20, die in Bereichen kleiner Krümmungsradien liegen, mit der geringsten Dichte gestaltet, während Schichten 19, 22 mit weitgehend geradflächigen Bereichen die größte Dichte aufweisen. Die Schichten 18 und 21 weisen eine Dichte auf, die zwischen der der Schichten 17 und 20 bzw. 19 liegt. Es versteht sich jedoch, dass dies eine rein beispielhafte Ausgestaltung ist und die Dichteverteilung innerhalb des Grundkörpers 11 beliebig und in Anpassung an den jeweiligen Fall vorgenommen werden kann.
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Um das Kühl- bzw. Heizmedium durch den Grundkörper 11 bzw. dessen Poren strömen zu können, sind an gegenüberliegenden Seiten eine oder mehrere Einlassleitungen 23 zum Einströmen des Kühl- oder Heizmediums in Richtung der Pfeile 24 vorgesehen. Auf der gegenüberliegenden Seite des Grundkörpers 11 sind entsprechend mehrere Auslassleitungen 25 angeordnet, über die das Kühl- bzw. Heizmedium entlang der Pfeile 26 aus dem Grundkörper 11 ausströmen kann. Da sich das Kühl- bzw. Heizmedium vom Einlass 23 bis zum Auslass 25 hin abkühlen wird, ist es auch denkbar, dass die Dichte der einzelnen Schichten vom Einlass 23 zum Auslass 25 hin abnimmt, um die Temperaturdifferenz zwischen Einlass und Auslass ausgleichen zu können. Die weitgehend geschlossene Kontaktschicht 16 und eine auf der gegenüber der Kavität 12 angeordnete geschlossene Abschlussschicht 27 ermöglichen, dass das Kühl- bzw. Heizmedium durch den Grundkörper 11 in 1 von rechts nach links, d. h. vom Einlass 23 zum Auslass 25 strömt. Zwischen den Schichten 16 und 27 bilden die Poren viele kleine Fluidkanäle.
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Darüber hinaus wird aus 1 ersichtlich, dass der Träger 14 in seinem mittleren Bereich eine Rippe 28 aufweist. Die Rippe 28 verhindert ein flächiges Anliegen der Kontaktschicht 16 am Träger 14 und somit einen unmittelbaren Wärmeeintrag in diesem Bereich. Es sind daher in diesem Abschnitt bzw. Bereich in der Kontaktschicht Öffnungen 29 vorgesehen, über die das Kühl- bzw. Heizmedium aus dem Grundkörper 11 ausströmen kann. Das Kühl- bzw. Heizmedium wird dabei entlang der Pfeile 30 gegen den Träger 14 geströmt und fungiert als eine Art Distanzheizung bzw. Konvektionsheizung, um auch einen zufriedenstellenden Wärmeeintrag in den Träger 14 in diesem Bereich realisieren zu können.
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Der Grundkörper 11 wird beispielsweise dadurch hergestellt, dass mehrere Schichten 17–22 in ungesintertem Zustand der Metallschäume miteinander verbunden werden. In diesem Zustand ist der Körper aus mehreren Schichten formbar und an die gewünschte Kavitätsform 12 anpassbar. Im Anschluss wird die Kontaktschicht 16, bestehend aus einer Metallplatte, und ggf. die Abschlussschicht 27, die ebenfalls aus einem Metall besteht, an den so geformten Grundkörper 11 angebracht. Im Anschluss wird die gesamte Anordnung gesintert, sodass eine feste Verbindung zwischen den einzelnen Schichten 17–22, der Kontaktschicht 16 und der Anschlussschicht 27 entsteht. Nach dem Sintern kann der Grundkörper 11 mit einem beliebigen bekannten Verfahren, insbesondere spanabhebenden Verfahren, bearbeitet werden und mit den Anschlüssen 23 und 25 ausgestattet werden.
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Zur Herstellung eines kaschierten Trägers wird gegenüber der Werkzeugform 10 ein Oberwerkzeug 31 angeordnet, dass eine Kavitätsform 32 aufweist. Nach dem Einlegen des zu kaschierenden Bauteils 13 wird die Kavitätsform 32 des Oberwerkzeugs 31 in einem hier nicht gezeigten Arbeitsschritt in die Kavitätsform 12 des Unterwerkzeugs verfahren, so dass das zu kaschierende Bauteil 13 zwischen beiden Kavitätsformen 12, 31 während des Herstellungsprozesses verpresst und in Form gehalten wird 11 eingebracht wird. In der gezeigten Ausführung besteht das Oberwerkzeug 31 aus einem Vollmaterial und dient der Druckbeaufschlagung des zu kaschierenden Bauteils 13. Es ist jedoch möglich, dass das Oberwerkzeug ebenfalls aus einer erfindungsgemäßen Werkzeugform aus einem Metallschaum mit mehreren Schichten unterschiedlicher Dichte besteht.
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Durch die erfindungsgemäße Werkzeugform lassen sich ein effizienter Energiebetrag und ein effizientes Temperaturmanagement realisieren. Die Temperaturen lassen sich lokal den Gegebenheiten anpassen und gezielt auf den Kaschierprozess bzw. das zu kaschierende Bauteil abstimmen.
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Ferner ist die Werkzeugform erheblich leichter und wird sich schneller und mit weniger Energie bewegen lassen. Der Einsatz verschiedenster Heiz- und Kühlmedien ist problemlos, da Metallschaum eine hohe Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit aufweist. Durch die schnelle Heizung und Kühlung lassen sich kritische Stellen eines Bauteils effizient und zielorientiert in der Temperatur einstellen, sodass eine Nacharbeit und/oder nachfolgende Abkühlprozesse in einem Kühlwerkzeug eliminiert werden. Des Weiteren kann der Klebstoff effektiver aktiviert und durch eine Kühlung in seiner Abbindephase optimal unterstützt werden. Ferner können durch die erfindungsgemäße Werkzeugform auch höher aktivierbare Klebstoffe mit Aktivierungstemperaturen von mehr als 80°C, bevorzugt mehr als 90°C, weiter bevorzugt mehr als 100°C und weniger als 200°C, bevorzugt weniger als 150°C und weiter bevorzugt weniger als 120°C wirtschaftlich eingesetzt werden. Schließlich werden durch die gleichmäßige und effizientere Temperaturführung die Bauteile und die Dekore in ihren Eigenschaften geschont und damit ihre Langlebigkeit deutlich erhöht.
