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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines eine Außenseite eines Kraftfahrzeugs bildenden, einen umlaufenden Kantenbereich aufweisenden Klappenteils aus faserverstärktem Kunststoff.
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Solche größerflächigen Klappenteile kommen bei einem Kraftfahrzeug üblicherweise in Form von Frontklappe oder Motorhaube oder Heckklappe respektive Kofferraumdeckel zum Einsatz. Sie bilden die äußere Abdeckung respektive Außenseite des Fahrzeugs und werden bei Fahrzeugroßserien aus Metall, üblicherweise Stahl oder Aluminium oder aus Kunststoff gefertigt. Klappenteile aus faserverstärktem Kunststoff, also Faserverbundklappen aus Glas- oder Kohlenstofffasern werden insbesondere im Sportwagensegment, also bei Klein- und Kleinstserien eingesetzt, wo eine noch höhere Steifigkeit bei möglichst geringem Gewicht gefordert wird. Die Herstellung solcher Bauteile erfolgt in monolithischer oder differentieller Bauweise beispielsweise in einem RTM-Verfahren (resin transfer moulding), durch Prepreg-Pressverfahren unter Verwendung vorimprägnierter Faserhalbzeuge oder in einem SMC-Pressverfahren (sheet moulding compound). Die endformnahen Faserverbundbauteile sind etwas größer dimensioniert, um sie an den Außenkanten respektive im Außenkantenbereich mechanisch nachbearbeiten zu können. Dies ist erforderlich, um im Kantenbereich eine Kantenrundung herauszuarbeiten, die aus Fußgängerschutzgründen gefordert wird. Diese Rundung ist an den Seitenkanten und der Vorderkante herzustellen, wozu das endformnahe Verbundbauteile entweder durch Fräsen oder Wasserstrahlschneiden bearbeitet wird. Hierdurch wird sichergestellt, dass einerseits die gewünschte Rundung ausgebildet ist, und andererseits, dass auch der Kantenbereich einen entsprechenden Faseranteil aufweist, mithin also die Steifigkeitseigenschaften auch im Bereich des Kantenabschnitts gegeben sind. Diese Art der Herstellung ist jedoch sehr aufwändig.
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Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das auf einfachere Weise die Herstellung eines Klappenteils aus einem faserverstärktem Kunststoff ermöglicht.
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Zur Lösung ist ein Verfahren zur Herstellung eines eine Außenseite eines Kraftfahrzeugs bildenden, einen umlaufenden Kantenbereich aufweisenden Klappenteils aus faserverstärktem Kunststoff vorgesehen, mit den Schritten:
- – Ausbilden eines Stapels aus mehreren plattenförmigen, mit einem Harz vorimprägnierten Faserhalbzeugen,
- – Vorformen des Stapels in einer erwärmten ersten Form zur Erzeugung eines dreidimensional geformten Vorformteils unter Verbindung der Faserhalbzeuge,
- – Endformen des Vorformteils in einer erwärmten zweiten Pressform, die zumindest abschnittsweise in dem den umlaufenden Kantenbereich ausbildenden Formbereich einen sich erweiternden Querschnitt mit einer Rundung aufweist, in welchen Formbereich das in der zweiten Pressform erwärmte, viskose Harz und Fasern einfließen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, das Klappenteil in zwei Pressschritten bis zur fertigen Endform herzustellen. Ausgangspunkt ist die Bildung eines Stapels aus mehreren plattenförmigen Faserhalbzeugen, also aus Prepregs bestehend aus einer Harzmatrix, in der in definierter Ausrichtung Fasern, z. B. Glasfasern oder Kohlenstofffasern, eingebracht sind. Dieser Stapel wird sodann in einem ersten Vorformschritt in einer erwärmten ersten Form dreidimensional vorgeformt, es bildet sich ein Vorformteil bestehend aus den durch den Temperatureintrag verformbaren und zumindest aneinander haftenden Faserhalbzeugen.
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Sodann erfolgt in einem zweiten Pressvorgang das Endformen des Vorformteils. Hierzu wird eine zweite Pressform verwendet, wobei dieser Pressvorgang bei höherer Temperatur und üblicherweise längerdauernd als der erste Pressvorgang erfolgt. Es wird eine zweite Pressform verwendet, die in dem Formbereich, in dem der umlaufende Kantenbereich, der am Endbauteil die Kantenrundung aufweisen soll, einen sich erweiterten Querschnitt mit einer Rundung aufweist. Das heißt, dass in der zweiten Pressform bereits ein entsprechender, die gerundete Kante ausbildender Formbereich vorgesehen ist. Im Rahmen von Versuchen hat sich nun herausgestellt, dass während dieses zweiten Pressvorgangs das Harz, das aufgrund des Temperatureintrags hinreichend viskos ist und folglich fließen kann, in diesen erweiterten Querschnitt einfließt, mithin also diesen Formbereich ausfüllt. Mit dem Harz werden auch Fasern mit in diesen erweiterten Querschnittsbereich eingebracht, sie fließen mit dem Harz in diesen Formbereich. Hierüber wird sichergestellt, dass einerseits die Kantenrundung ausgebildet wird, die sich homogen im gesamten Kantenbereich ausbildet, da das Harz hinreichend viskos ist und den Formbereich vollständig ausfüllt, und andererseits ein hinreichender Faseranteil in diesem Kantenbereich gegeben ist, so dass auch dort die mechanischen Eigenschaften des Verbundbauteils gegeben sind.
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Nach Abschluss dieses zweiten Pressvorgangs wird das fertige Klappenteil der Pressform entnommen. Irgendwelche mechanischen Nachbearbeitungsschritte im Kantenbereich sind vorteilhaft nicht erforderlich. Vielmehr ist gerade dieser Kantenbereich endgeformt, die Fasern sind vollständig vom Harz umschlossen, so dass eine Kontaktkorrosion mit etwaigen umliegenden Metallteilen ausgeschlossen ist. Reinharznester sind aufgrund des Einfließens auch der Fasern in diesem Bereich im Kantenabschnitt ausgeschlossen. Damit können solche Klappenteile durch Anordnung des erfindungsgemäßen Verfahrens wesentlich schneller und kostengünstiger hergestellt werden.
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Bevorzugt wird eine zweite Pressform verwendet, deren Radius 2–3 mm, insbesondere 2,5 mm beträgt, so dass sich eine aus Schutzgründen hinreichend abgerundete Kante ausbildet.
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Als Faserhalbzeuge werden bevorzugt solche verwendet, bei denen die Fasern unidirektional in das Harz, also die Harzmatrix, eingebettet sind. Das heißt, dass die Fasern alle in eine definierte Richtung verlaufen. Dies ermöglicht es, die einzelnen Faserhalbzeuge so innerhalb des Stapels anzuordnen, dass sich definierte Faserebenen mit definierten Faserrichtungen auch am Endprodukt ausbilden. Das heißt, dass, wie erfindungsgemäß ferner vorgesehen ist, die Faserhalbzeuge bei der Bildung des Stapels zumindest zum Teil derart übereinander gelegt werden, dass die Richtungen der Fasern zweier benachbarter Faserhalbzeuge unterschiedlich sind. Dies ist zweckmäßig, um dem Endbauteil eine hohe Steifigkeit in allen Richtungen zu verleihen.
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Wenngleich der Stapel aus nur zwei Faserhalbzeugen gebildet werden kann, werden bevorzugt insbesondere acht Faserhalbzeuge übereinander gestapelt. Werden acht Faserhalbzeuge verwendet, so werden sie bevorzugt derart übereinander gelegt, dass die Faserrichtungen – gesehen in Längsrichtung des Klappenteils – in 0°, 90°, +45°, –45°, –45°, +45°, 90°, 0° verlaufen. Es erfolgt also, von oben nach unten gesehen, quasi ein spiegelbildlicher Aufbau in Bezug auf die Faserrichtungen.
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Bevorzugt werden Faserhalbzeuge verwendet, die einen Harzgehalt von wenigstens 35%, insbesondere von wenigstens 37,5% oder etwas mehr aufweisen. Durch Verwendung eines Fasergehaltes von mindestens 35%, insbesondere von mindestens 37,5% wird sichergestellt, dass ein hinreichend großer Harzanteil vorhanden ist und genügend Harz zur Verfügung steht, das in den ausgerundeten Formbereich einfließen kann und das endfertige Verbundbauteil nicht „trocken” wird, also oberflächennah einen zu geringen Harzanteil aufweist, was nachteilig für im nachfolgenden Lackiervorgang wäre. Der Harzgehalt sollte 50% nicht übersteigen.
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Als Faserhalbzeuge werden bevorzugt solche mit einem Harz auf Epoxidharzbasis verwendet. Als Fasern kommen entweder Glasfasern oder, bevorzugt, Kohlenstofffasern zum Einsatz.
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Das Vorformen erfolgt bei einer ersten Temperatur, die niedriger liegt als die Temperatur im zweiten, dem Endformen dienenden Pressvorgang. Das Vorformen sollte bei einer Temperatur von wenigstens 45° für wenigstens 20 Sekunden, insbesondere bei im Bereich von 60°–70°C für 30–60 Sekunden.
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Das Endformen sollte bei einer Temperatur von wenigstens 130° für wenigstens 4 Minuten, insbesondere bei wenigstens 140° für wenigstens 5 Minuten bei einem Druck von vorzugsweise mehreren 10 bar erfolgen.
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Sofern erforderlich ist es möglich, nach dem Vorformen im Kantenbereich einen dreidimensionalen Beschnitt vorzunehmen, um das gegebenenfalls im Vergleich zum Endbauteil größer dimensionierte Vorformbauteil in Kontur nah zuzuschneiden.
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Neben dem Verfahren betrifft die Erfindung ferner ein Klappenteil, hergestellt nach dem Verfahren der beschriebenen Art.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einer die Fahrzeugaußenseite bildenden Klappe umfassend ein flächiges Klappenteil mit einer umlaufenden Kante. Dieses Kraftfahrzeug zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass das aus einem faserverstärktem Kunststoff bestehende Klappenaußenteil zumindest abschnittsweise in einen in seiner Dicke zunehmenden, Fasern aufweisenden Kantenabschnitt mit einer gerundeten Kante ausläuft. Besonders bevorzugt wird ein Klappenteil bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs verwendet, das nach dem vorher beschriebenen Verfahren hergestellt ist.
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Der Rundungsradius sollte 2–3 mm, insbesondere 2,5 mm betragen.
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Die Fasern sind bevorzugt unidirektional in das Harz respektive der Harzmatrix eingebettet, wobei die Richtungen der in verschiedenen übereinanderliegenden Ebenen im Harz liegenden Fasern unterschiedlich sein können.
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Der Harzgehalt sollte wenigstens 35%, insbesondere wenigstens 37,5% oder gegebenenfalls etwas mehr betragen, wobei als Harz bevorzugt ein solches auf Epoxidharzbasis und als Fasern Glasfasern oder bevorzugt Kohlenstofffasern verwendet werden. Der Harzgehalt sollte 50% nicht übersteigen.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie der Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung zur Erläuterung des Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 eine Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen Klappenteils in Form einer Frontklappe mit zwei vergrößert dargestellten Schnittansichten durch den Kantenbereich im Bereich einer Seitenkante und der Vorderkante,
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3 eine Prinzipdarstellung des Kantenbereichs einer Seitenkante vor dem zweiten Pressvorgang,
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4 die Ansicht aus 3 nach dem zweiten Pressvorgang,
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5 eine Prinzipdarstellung des Kantenbereichs der Vorderkante vor dem zweiten Pressvorgang, und
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6 die Ansicht aus 5 nach dem Pressvorgang.
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1 zeigt schematisch den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens. Im Schritt a erfolgt zunächst aus einzelnen, großflächigen Faserhalbzeugen 1 der zweidimensionale Zuschnitt der eigentlichen Faserhalbzeuge 2, die, siehe Schritt b, zur Bildung eines Stapels 3 mehrfach übereinander gestapelt werden. Die Faserhalbzeuge 2 bestehen aus Harz mit darin eingebetteten, unidirektional ausgerichteten Fasern, insbesondere Kohlenstofffasern. Die Harzmatrix wird bevorzugt aus einem Epoxidharz gebildet. Die einzelnen Faserhalbzeuge werden so übereinander gestapelt, dass sich in jeder Halbzeugebene eine definierte, zur nachfolgenden Halbzeugebene unterschiedliche Faserverlaufsrichtungen ausbildet. Bezogen auf die spätere Längsrichtung des hergestellten Bauteils, hier also eines Klappenteils, wird beispielsweise folgende Stapelfolge ausgebildet: 0°, 90°, +45°, –45°, –45°, +45°, 90°, 0°. Dieser Faserverlauf ist lediglich exemplarisch. Denkbar wäre es beispielsweise, die 0°- und 90°-Orientierungen zu tauschen.
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Der Harzgehalt der verwendeten Faserhalbzeuge sollte bevorzugt wenigstens 37,5% betragen, um sicherzustellen, dass hinreichend Harzmasse vorhanden ist, da das erfindungsgemäße Verfahren ein definiertes Fließen des Harzes in eine in der zweiten Pressform ausgebildete Kavität, worauf noch eingegangen wird, vorsieht.
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Nach Ausbilden des Stapels 3 im Schritt b wird im Schritt c der Stapel in eine Form 4 gegeben, wo er, siehe Schritt d, bei einer Temperatur von bevorzugt 70° für ca. 30 Sekunden vorgeformt wird, mithin also eine dreidimensionale Vorform aufgeprägt wird. Durch den Temperatureintrag wird das Harz, das natürlich noch nicht ausgehärtet ist, etwas weich und kann geformt werden, so dass ein Vorformteil 5 in diesem ersten Pressvorgang erzeugt wird, das schon eine der Endkontur genäherte Form aufweist. Das Verfahren kann z. B. durch leichtes Pressen oder Tiefziehen oder dergleichen. erfolgen.
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Im Schritt e erfolgt ein dreidimensionaler Zuschnitt, um das etwas größer dimensionierte Vorformteil 5 endkonturnah zu dimensionieren. Dieser 3D-Zuschnitt kann beispielsweise durch mit geeigneter Schneidmechanik, insbesondere mit einem Ultraschallmesser erfolgen.
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Die Schritte a–e definieren den Vorgang zur Stapelbildung sowie den ersten Pressvorgang. Die nachfolgenden Schritten f–j beschreiben nun den zweiten Pressvorgang zur Ausbildung eines endkonturfertigen Klappenteils.
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Gemäß Schritt f wird das zugeschnittene Vorformteil 5 in eine zweite Pressform 6 gegeben, die, worauf nachfolgend noch eingegangen wird, in dem Formbereich, der die Seitenkanten und die Vorderkante des herzustellenden Klappenteils definiert, einen sich etwas größeren Querschnitt mit gerundeter Formkontur aufweist. Nach Einlegen des Vorformteils 5 in die zweite Pressform 6 gemäß Schritt f beginnt der eigentliche Pressvorgang, indem im Schritt g die zweite Pressform 6 geschlossen wird. Im Schritt h erfolgt das endgültige Zufahren der zweiten Pressform 6 unter Aufbringung des entsprechenden Pressdruckes (z. B. zwischen 10–50 bar) sowie der Eintrag der Temperatur, wobei die Temperatur bevorzugt ca. 140°C beträgt. Dieser Zustand wird im Schritt i gehalten. Der gesamte Pressvorgang, also das Endkonturumformen, erfolgt bei ca. 140° für ca. 5 Minuten. Nach Ablauf der Pressdauer wird gemäß Schritt j die zweite Pressform geöffnet und das endkonturfertige Klappenteil 7 kann entnommen werden.
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2 zeigt in einer Perspektivansicht ein solches endkonturfertiges Klappenteil 7, hier in Form einer Frontklappe oder Motorhaube 8. Das Klappenteil 7 kann unterseitig noch mit zusätzlichen Kunststoffanbaueilen, sogenannten Klappeninnenteilen, versehen werden, die üblicherweise innenseitig auf das Klappenteil 7 aufgeklebt werden.
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Das Klappenteil 7 weist zwei Seitenkanten 9, die im gezeigten Beispiel leicht gewinkelt verlaufen, sowie eine Vorderkante 10 auf. Die Seitenkanten 9 und die Vorderkante 10 gehen ineinander über. Vergrößert dargestellt ist jeweils ein Ausschnitt des Kantenabschnitts 11, der eine Seitenkante 9 aufweist, sowie des Kantenabschnitts 12, der die Vorderkante 10 aufweist. Ersichtlich vergrößert sich der Durchmesser des Kantenbereichs 11, 12 im Übergangsbereich zur eigentlichen Kante 9, 10, die jeweils gerundet ausgeführt ist und einen kleinsten Radius r von wenigstens 2,5 mm aufweist, wie in 2 dargestellt ist. Diese Kantengeometrie wird wie beschrieben unter Verwendung der zweiten Pressform, die eine entsprechende Kavität respektive einen entsprechenden Formbereich mit einem sich erweiternden Querschnitt mit einer Rundung aufweist, in der der Kantenabschnitt 11, 12 ausgeformt wird, bereits im zweiten Pressvorgang hergestellt.
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Die jeweilige Kantenbereichsform und die jeweilige Kante werden dadurch ausgebildet, dass durch die hohe Presstemperatur und den Pressdruck hinreichend viskoses Harz sowie Fasern aus bestimmten Faserebenen in den Kanten-Formbereich einfließen. Exemplarisch sind diese Vorgänge in den 3 und 4 für den Kantenbereich 11 nebst Kante 9 aus 2 und in den 5 und 6 für den Kantenbereich 12 nebst Vorderkante 10 dargestellt.
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In den jeweiligen Prinzipdarstellungen gemäß 3 und 4 zeigt 3 ausschnittsweise die zweite Form 6, mit dem Formbereich 13, der sich ersichtlich im Durchmesser etwas erweitert und gerundet ausgeführt ist. Gezeigt ist ferner abschnittsweise das Vorformteil 5 mit einem entsprechenden Kantenbereich 14. Im Vorformteil 5 ist, neben der Harzmatrix respektive dem Harz 15, auch in den unterschiedlichen Ebenen der jeweilige Faserverlauf der eingebrachten Fasern 17. Zu jeder Ebene ist der jeweilige Winkel, unter dem die Fasern 17 zur Kante 9 (siehe 2) des Klappenteils 7 orientiert sind, dargestellte. In der obersten und der untersten Ebene, gekennzeichnet mit 0°, verlaufen die Fasern 17 parallel zur Längsrichtung L und damit parallel zur Kante 9. Da in 3 der Seitenkantenbereich dargestellt ist, verlaufen hier die 0°-Fasern 17 zwangsläufig senkrecht zur Seitenkante, sind hier also „geschnitten” gezeigt. Die 90°-Fasern 17 verlaufen hingegen senkrecht zur Längsrichtung L, liegen aber im Bereich der Seitenkante parallel zu eben dieser und sind hier durchgezogen dargestellt. Die +45°- und –45°-Fasern 17 verlaufen jeweils unter einem Winkel zur Längsrichtung L und sind den Figuren dementsprechend gestrichelt gezeigt.
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Ersichtlich verbleibt im Formbereich 13 ein Hohlraum. Dieser wird während des thermischen zweiten Verpressvorgangs ausgefüllt, indem das temperaturbedingt viskose Harz 15 in den Formbereich 13 einfließt und diesen ausfüllt. Während diesen Vorgangs bewegen sich auch die 0°-Fasern 17, die ja quasi parallel zur Längsrichtung der Seitenkante 9 liegen, in den Formbereich 13, wie vornehmlich auch die +45°- und –45°-Fasern 17 etwas in diesem Formbereich wandern und zu etwas geringerem Maß auch die 90°-Fasern 17. Dies ist der Prinzipdarstellung gemäß 4 zu entnehmen. Während des Pressvorgangs härtet das Harz 15 aus, so dass sich ein fester Kantenbereich 11 mit einer gerundeten Kante 9 ausbildet, der faserbeladen ist.
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Nach dem Öffnen der zweiten Pressform 6 liegt folglich ein endkonturfertiges Klappenteil mit einem faserbeladenen Kantenbereich 11 mit gerundeter Kante 9 vor.
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Die 5 und 6 zeigen vergleichbare Darstellungen im Bereich der Vorderkante 10. Auch hier ist die zweite Pressform 6 mit ihrer Kavität oder dem Formbereich 13 gezeigt, sowie das Vorformteil 5 mit seinem Kantenbereich 16. Dieser füllt wiederum den Formbereich 15 nicht aus. Dargestellt ist auch hier die Harzmatrix bzw. das Harz 15 sowie die entsprechenden Faserebenen mit den jeweiligen Faserorientierungen der Fasern 17. Da hier die Vorderkante 10 respektive der Vorderkantenbereich dargestellt ist, ändert sich folglich der tatsächliche Faserverlauf relativ zur Längsrichtung L. Hier verlaufen die Fasern 17 der obersten und untersten Ebene senkrecht zur Kante 10, stehen also unter 90° zur Kante 17, während die der zweiten Ebene von oben und unten zur Kante 10 also unter 0° zur Kante 10 verlaufen. Entsprechend umgekehrt liegen die Vorzeichen der 45°-Fasern 17, verglichen mit der Darstellung der 3 und 4.
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Wird nun hier der zweite Pressvorgang durchgeführt, so strömt auch hier das erwärmte und viskose Harz 15 in den Formbereich 13 und füllt diesen vollständig aus. Ebenso wandern die Fasern 17 je nach Orientierung in den Formbereich 13. Bevorzugt wandern auch hier natürlich die 0°-Fasern 17, also die Fasern 17, die parallel zur Kante 10 verlaufen, in den Kantenbereich, wie sich auch die 45°-Fasern 17, wie 6 zeigt, in den Kantenbereich bewegen und in doch weit geringerem Maß auch die 90°-Fasern 17.
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In jedem Fall bildet sich auch hier ein fasergefüllter Kantenbereich 12 mit einer gerundeten Kante 10 an dem endkonturfertigen Klappenteil aus. Ein mechanisches Nachbearbeiten ist demzufolge an keiner der Kanten 9 und 10 erforderlich.
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An der der Vorderkante 10 gegenüberliegenden Kante, die scheibenrahmennah in der Montagestellung am Kraftfahrzeug liegt, ist, da dortseits kein Fußgängerschutz zu realisieren ist, keine solche gerundete Kante vorzusehen. Gleichwohl besteht natürlich auch hier die Möglichkeit, dies durch eine entsprechende Ausbildung eines entsprechenden Formbereichs in der zweiten Pressform zu realisieren.
