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Die Erfindung betrifft einen Deckel für ein Batteriegehäuse einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Deckels für ein Batteriegehäuse einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs der in den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche angegebenen Art.
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Die
DE 10 2013 220 778 A1 zeigt einen gattungsgemäßen Deckel und ein gattungsgemäßes Herstellungsverfahren für einen Deckel für ein Gehäuse einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs. Der Deckel umfasst einen faserverstärkten Verbundwerkstoff. Der Deckel kann beispielsweise aus einem Verbundwerkstoff ausgebildet sein, welcher eine thermoplastische Kunststoffmatrix und ein Fasergelege, ein Fasergewebe und/oder ein Metallblatt bzw. Metallgitter aufweist.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Deckel für ein Batteriegehäuse einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, der einerseits besonders leicht und andererseits besonders crashbelastbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Deckel für ein Batteriegehäuse sowie durch ein Verfahren zum Herstellen eines Deckels für ein Batteriegehäuse mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Um einen Deckel für ein Batteriegehäuse einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, welcher zum einen besonders leicht ist und zum anderen besonders crashbelastbar ist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, den Deckel als Sandwichkonstruktion auszubilden, welche eine Oberseite aus einem Organoblech, eine Unterseite aus einem Organoblech oder Aluminiumblech und einen zwischen der Oberseite und Unterseite angeordneten thermoplastischen Kunststoffschaum aufweist. Organobleche sind Faserverbundwerkstoffe, die als Faser-Matrix-Halbzeuge ausgebildet sind. Sie bestehen üblicherweise aus einem Fasergewebe oder aus einem Fasergelege, die in eine thermoplastische Kunststoffmatrix eingebettet sind. Die Vorteile einer thermoplastischen Matrix liegen in der Warmumformfähigkeit der Halbzeuge und den daraus resultierenden kürzeren Prozesszeiten im Vergleich zu konventionellen duroplastischen Faserverbundwerkstoffen. Dies ist besonders in der Automobilindustrie mit ihren kurzen Prozesszeiten von hohem Interesse. Als Faserwerkstoffe können beispielsweise Glas, Aramid und/oder Kohlenstoff verwendet werden. Bei Geweben und Gelegen können die Fasern beispielsweise rechtwinklig zueinander verlaufen, sodass die mechanischen Eigenschaften von Organoblechen im Hinblick auf ihre Steifigkeit, Festigkeit und Wärmeausdehnung besser als bei ihren metallischen Vorbildern definiert werden können.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Sandwichbauweise des Deckels besteht unter anderem darin, dass der Deckel für das Batteriegehäuse besonders leichtgewichtig und gleichzeitig besonders stabil ausgebildet werden kann. Denn bei der erfindungsgemäßen Sandwichbauweise können Werkstoffe mit verschiedenen Eigenschaften in Schichten zusammengesetzt werden. Der thermoplastische Kunststoffschaum, welcher zwischen der Oberseite und der Unterseite angeordnet ist, dient als Kernmaterial für den Deckel, welcher insbesondere auftretende Schubkräfte abfangen und die Oberseite und die Unterseite, welche als Deckschichten dienen, abstützten kann. Darüber hinaus kann der thermoplastische Kunststoffschaum besonders gute wärmedämmende und akustische Isolationseigenschaften aufweisen.
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Der Deckel kann beispielsweise mit dem Batteriegehäuse der Traktionsbatterie verschweißt sein, beispielsweise mittels Laserschweißen oder Elektronenstrahlschweißen. Um den Deckel wiederum vom Batteriegehäuse lösen zu können, kann in der Schweißnaht beispielsweise ein beheizbarer Draht angeordnet sein, sodass die Schweißnaht bei Bedarf wieder aufgeschmolzen werden kann.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Kunststoffschaum aus einem Polyphthalamid oder einem Polyamid besteht. Dadurch kann eine gute Warmformbeständigkeit, eine gute KTL-Tauglichkeit und ein gutes Brandschutzverhalten erzielt werden, insbesondere wenn ein Teil des Sandwichaufbaus aus Blechen besteht, beispielsweise die Unterseite des Deckels.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Oberseite ein magnetisches Material, vorzugsweise Stahl, umfasst. Beispielsweise kann die Oberseite Drähte aus einem magnetischen Material aufweisen, welche mit Verstärkungsfasern innerhalb der Oberseite verwoben sind. Durch das Vorsehen des magnetischen Materials in der Oberseite kann die als Organoblech ausgebildete Oberseite bei der Herstellung des Deckels besonders einfach gehandhabt und transportiert werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Oberseite Heizelemente umfasst. Unter Zuhilfenahme der Heizelemente kann die als Organoblech ausgebildete Oberseite besonders einfach erwärmt und dann umgeformt werden. Die Heizelemente können beispielsweise in Form von Metallfäden oder Carbonfäden ausgebildet sein. Möglich sind aber auch leitfähige Partikel, insbesondere Nanopartikel. Die Erwärmung kann z.B. auch durch Induktion erfolgen.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Oberseite und/oder die Unterseite Sensorelemente aufweist, mittels welchen im Rahmen eines Structural-Health-Monitorings der Zustand des Deckels überwachbar ist. Während der gesamten Einsatzphase des Deckels kann dieser also mittels der in diesen eingebrachten Sensorelementen überwacht werden. Unter Structural-Health-Monitoring wird die kontinuierliche oder periodische und automatisierte Methode zur Bestimmung und Überwachung des Zustands und/oder der Funktion eines Überwachungsobjekts innerhalb der Zustandsüberwachung verstanden. Dies erfolgt durch Messungen mit permanent installierten bzw. integrierten Aufnehmern und durch eine Analyse der Messdaten. So können beispielsweise Schädigungen in Form von Rissen oder Verformungen frühzeitig erkannt werden, um Gegenmaßnahmen einleiten zu können. Beispielsweise können bestimmte Funktionen verändert werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Deckel Brandschutzpartikel, Partikel aus einem Phasenwechselmaterial und/oder ein Gasüberdruckventil aufweist. Durch die Brandschutzpartikel bzw. Phasenwechselmaterialien kann die Temperaturbeständigkeit des Deckels gesteigert werden. Phasenwechselmaterialien ändern bei Erwärmung ihre Phase von fest in flüssig und nehmen somit sehr viel Wärmeenergie auf. Brandschutzpartikel können verhindern, dass der Deckel auch bei höheren Temperaturbelastungen in Brand gerät. Durch Vorsehen wenigstens eines Gasüberdruckventils im Deckel kann eine Gasüberdruckabsicherung erzielt werden. Beispielsweise kann ein integriertes Überdruckventil im Deckel die Entstehung eines zu großen Überdrucks während eines Ladevorgangs der Traktionsbatterie verhindern.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Deckel randseitig, insbesondere mittels angespritzten Rippen, versteift ist. Beispielsweise mittels angespritzten Rippen, die einen Zwischenraum zwischen der Oberseite und Unterseite des Deckels durchsetzen, kann der Deckel besonders gut versteift werden. Der thermoplastische Kunststoffschaum, welcher den Schaumkern der Sandwichkonstruktion des Deckels bildet, ist vorzugsweise von den verstärkten Rändern bzw. versteiften Rändern des Deckels etwas zurückversetzt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass am Deckel eine Rippenstruktur angespritzt ist, die von der Unterseite in der bestimmungsgemäßen Einbaulage des Deckels zum Batteriegehäuse hin absteht. Hierdurch können jeweilige Batteriemodule einfacher positioniert werden, indem die Rippen zwischen die Batteriemodule greifen und diese voneinander trennen. Gleichzeitig kann diese Rippenstruktur einen Teil der Batteriemodulaufnahme selbst bilden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Deckels für ein Batteriegehäuse einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs wird der Deckel aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff hergestellt. Erfindungsgemäß ist es dabei vorgesehen, dass der Deckel als Sandwichkonstruktion hergestellt wird, welcher eine Oberseite aus einem Organoblech, eine Unterseite aus einem Organoblech oder Aluminiumblech und einen zwischen der Oberseite und Unterseite angeordneten thermoplastischen Kunststoffschaum aufweist. Die Unterseite aus einem Aluminiumblech herzustellen bring brandschutztechnische Vorteile mit sich. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Deckels sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und umgekehrt anzusehen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
- 1 eine schematische Seitenansicht eines Batteriegehäuses für eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs mit einem oberhalb des Batteriegehäuses angeordneten Deckel zum Verschließen des Batteriegehäuses;
- 2 eine schematische Seitenansicht des Deckels für das Batteriegehäuse, wobei der Deckel als Sandwichkonstruktion ausgebildet ist, welcher eine Oberseite aus einem Organoblech, eine Unterseite aus einem Organoblech oder Aluminiumblech und einen zwischen der Oberseite und Unterseite angeordneten thermoplastischen Kunststoffschaum aufweist;
- 3 eine schematische Seitenansicht, in welcher ein Teil des Deckels dargestellt ist, wobei in einem Eckbereich des Deckels eine partielle Versteifung schematisch angedeutet ist;
- 4 eine schematische Seitenschnittansicht, in welcher ein kleiner Ausschnitt des Deckels dargestellt ist, wobei in den Deckel ein Überdruckventil integriert ist; und in
- 5 eine teilweise geschnittene schematische Seitenansicht in einer Spritzgussmaschine mit einer Drehplatte zur Herstellung des Deckels.
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In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Ein Batteriegehäuse 10 sowie ein zugehöriger Deckel 12 für das Batteriegehäuse 10 sind in einer schematischen Seitenansicht in 1 gezeigt. Mittels des Batteriegehäuses 10 kann eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs aufgenommen werden. Die Traktionsbatterie selbst, die in der vorliegenden Darstellung nicht näher bezeichnet ist, besteht aus einer Vielzahl von Batteriemodulen 14, welche der Übersichtlichkeit halber nicht alle mit einem Bezugszeichen versehen worden sind.
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Um den Deckel 12 zum einen besonders leichtgewichtig und zum anderen besonders crashsicher zu gestalten, ist dieser in Form einer Sandwichstruktur aufgebaut, welche eine Oberseite 16, eine Unterseite 18 und einen dazwischen angeordneten thermoplastischen Kunststoffschaum 20 aufweist. Der Kunststoffschaum 20 kann beispielsweise aus einem Polyphthalamid oder einem Polyamid bestehen. Die Oberseite 16 besteht aus einem Organoblech, wobei die Unterseite 18 ebenfalls aus einem Organoblech oder alternativ auch aus einem Aluminiumblech bestehen kann.
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In 2 ist der Deckel 12 in einer schematischen Seitenansicht gezeigt. An der Unterseite 18 sind eine Vielzahl von Rippen 22 angeordnet, die von der Unterseite 18 in der bestimmungsgemäßen Einbaulage des Deckels 12 zum Batteriegehäuse 10 hin abstehen. Der Übersichtlichkeit halber sind die Rippen 22 nicht alle mit einem Bezugszeichen versehen worden. Die Gesamtheit der Rippen 22 bildet eine Rippenstruktur, welche beispielsweise an die Unterseite 18 angespritzt sein kann.
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In 3 ist der auf das Batteriegehäuse 10 aufgesetzte Deckel 12 in einer stark vergrößerten seitlichen Detailansicht dargestellt. Der Deckel 12 weist eine Vielzahl von partiellen Versteifungen 24 auf. Insbesondere ist der Deckel 12 randseitig, beispielsweise mittels angespritzten Rippen, in Form der Versteifungen 24 versteift. Der den Kern der Sandwichstruktur des Deckels 12 bildende thermoplastische Kunststoffschaum ist vorzugsweise gasdurchlässig ausgebildet. Die Versteifungen 24 sind vorzugsweise insbesondere an jeweiligen Ecken des Deckels 12 ausgebildet und versteifen diesen. Die partiellen Versteifungen 24 können beispielsweise während des Herstellvorgangs des Deckels 12 durch Spritzguss hergestellt werden.
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In der vorliegenden Darstellung ist nochmals gut zu erkennen, wie die einzelnen Rippen 22 dazu beitragen, die einzelnen Batteriemodule voneinander zu beabstanden bzw. zu trennen, welche in ihrer Gesamtheit die nicht näher bezeichnete Traktionsbatterie ausbilden, welche mittels des Batteriegehäuses 10 aufgenommen ist.
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Der Deckel 12 kann ein faserintegriertes Heiz- und Temperierungskonzept umfassen. Beispielsweise kann in den Deckel 12 ein nicht näher bezeichnetes Kupfergestrick zusammen mit Temperatursensoren eingearbeitet sein, welche eine Unterkühlung der Traktionsbatterie im Betrieb verhindern können. Ein integriertes Peltier-Element ist ebenfalls denkbar. So kann der Deckel 12 gleichzeitig gekühlt und geheizt werden.
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Der Sandwichaufbau, insbesondere der thermoplastische Kunststoffschaum 20, trägt erheblich zur Wärmeisolation bei. Vorzugsweise weist der thermoplastische Kunststoffschaum 20 eine sehr geringe Schaumdichte auf.
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Darüber hinaus kann der Deckel 12 wieder lösbar über eine Schweißverbindung mit dem Batteriegehäuse 10 verbunden sein. Das Verschweißen kann beispielsweise mittels Laserschweißen oder Elektronenstrahlschweißen erfolgen. Um den Deckel 12 auf einfache Weise wieder von dem Batteriegehäuse 10 lösen zu können, kann in der Schweißnaht zumindest ein beheizbarer Draht, eine beheizbare Folie und/oder eine beheizbare Schicht angeordnet sein, sodass die Schweißnaht bei Bedarf wieder aufgeschmolzen und der Deckel 12 auf einfache Weise wieder von dem Batteriegehäuse 10 abgenommen werden kann.
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Der Deckel 12 kann zudem einen integrierten Brandschutz aufweisen, welcher beispielsweise durch in den Deckel 12 integrierte Phasenwechselmaterialien realisiert sein kann. Alternativ oder zusätzlich kann es auch vorgesehen sein, Brandschutzpartikel in den Deckel 12 einzuarbeiten.
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Darüber hinaus kann der Deckel 12 besonders crashfest ausgelegt werden, indem beispielsweise Aramidfasern und Stahllitzen in den Deckel 12 eingearbeitet sind, welche insbesondere ein Brechen der Struktur des Deckels 12 verhindern. Darüber hinaus können auch Polymer-Metall-Einlagen im Deckel 12 vorgesehen werden, um ein verbessertes Crashverhalten des Deckels 12 sicherstellen zu können.
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In 4 ist ein kleiner Ausschnitt des Deckels 12 in einer vergrößerten und schematischen Seitenansicht dargestellt. In den Deckel 12 ist ein Ventil 26 integriert worden. Dadurch erfolgt eine Art Funktionsintegration in den Deckel 12. Durch das integrierte Gasüberdruckventil 26 können während des Aufladens der Traktionsbatterie entstehende Überdrücke abgebaut werden.
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Darüber hinaus können in den Deckel 12 verschiedenste Sensorelemente integriert werden, mittels welchen im Rahmen eines Structural-Health-Monitorings der Zustand des Deckels 12 überwachbar ist. Beispielsweise können auch ID-Chips zur Funktions- und Schadensüberwachung in den Deckel 12 integriert werden.
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Darüber hinaus ist es möglich, dass beispielsweise in die Oberseite 16 des Deckels 12 ein magnetisches Material, beispielsweise in Drahtform, beispielsweise in Form von Stahldrähten, eingearbeitet ist. Hierdurch kann die als Organoblech ausgebildete Oberseite 16 bei der Herstellung des Deckels 12 besonders einfach gehandhabt und transportiert werden. In 5 ist ein Spritzgusswerkzeug 28 in einer schematischen Seitenansicht dargestellt. Das Spritzgusswerkzeug 28 dient zur Herstellung des Deckels 12 und umfasst eine Drehplatte 30. An der Drehplatte 30 sind jeweilige Drehteller 32, 34 angeordnet, welche zur Herstellung des Deckels 12 dienen. Ferner umfasst das Spritzgusswerkzeug 28 noch eine bewegbare Aufspannplatte und eine als Festseite ausgebildete weitere Aufspannplatte 38. Gemäß der vorliegenden Darstellung wurde die Herstellung des Deckels 12 gerade abgeschlossen und das Spritzgusswerkzeug 28 geöffnet, um dieses mittels einer Handhabungsvorrichtung 40 aus dem geöffneten Spritzgusswerkzeug 28 zu entnehmen.
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Mittels eines mehrstufigen Herstellverfahrens wird der Deckel 12 mittels des Spritzgusswerkzeugs 28 hergestellt. Im rechten Bereich des Spritzgusswerkzeugs 28 wird die Unterseite 18 des Deckels 12 in eine nicht näher bezeichnete Kavität des Drehtellers 32 eingelegt. Anschließend wird der Drehteller 30 an die unbewegliche bzw. die Festseite bildende Aufspannplatte 38 herangefahren, um das Spritzgusswerkzeug 28 zu schließen. Anschließend werden die zuvor bereits erwähnten Rippen 22 durch Spritzguss an der Unterseite 18 des herzustellenden Deckels 20 hergestellt. Darüber hinaus ist es auch möglich, dass während dieses Verfahrensschritts innenseitig und/oder außenseitig an der Unterseite 18 eine hier nicht näher bezeichnete Rippenstruktur angespritzt wird, welche innerhalb des Deckels 12 zur Versteifung des thermoplastischen Kunststoffschaums 20 dient.
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Danach wird das Spritzgusswerkzeug 28 geöffnet, indem der Drehteller 30 von der unbeweglichen Aufspannplatte 38 nach links wegbewegt wird.
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Anschließend wird der Drehteller 30 um 180° gedreht, sodass die mit den Rippen 22 versehene Unterseite 18 der beweglichen Aufspannplatte 36 zugewandt ist. An der beweglichen Aufspannplatte 36 wird die Oberseite 16, welche aus einem Organoblech besteht, bereitgestellt. Die Oberseite 16 kann dabei beispielsweise über Induktion, Heißgas und/oder Infrarotstrahler erwärmt werden, um die Umformbarkeit oder auch die Schweißbarkeit der Oberseite 16 zu begünstigen. Weitere Möglichkeiten für die Erwärmung bieten noch Heißluftgebläse, Konduktion, ein eingebrachtes Kupfergestrick innerhalb der Oberseite 16 oder eine Kombination dieser Verfahren.
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Nachdem die Oberseite 16 des herzustellenden Deckels 12 hinreichend erwärmt worden ist, wird die bewegliche Aufspannplatte 36 in Richtung des Drehtellers 30, also gemäß der vorliegenden Darstellung nach rechts, verfahren, sodass das Spritzgusswerkzeug 28 im linken Bereich geschlossen wird. Die wannenförmige Unterseite 18 und die Oberseite 16 werden dadurch dann verbunden. Anschließend beginnt ein Aufspannvorgang, indem der thermoplastische Kunststoffschaum 20, welcher den Kern der Sandwichstruktur des Deckels 12 bildet, in das geschlossene Spritzgusswerkzeug 28 eingebracht wird. Das Einbringen des thermoplastischen Kunststoffschaums 20 kann dabei derart erfolgen, dass dieser eine Dichte von ca. 100 g/l aufweist. Die Injektion des thermoplastischen Kunststoffschaums erfolgt dabei vorzugsweise so, dass diese am tiefsten Punkt eingebracht wird, sodass am höchsten Punkt eine zuverlässige Entlüftung erfolgen kann.
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Nachdem der thermoplastische Kunststoffschaum 20 eingebracht worden ist, wird die bewegliche Aufspannplatte 36 gemäß der vorliegenden Darstellung nach links wegbewegt, sodass das Spritzgusswerkzeug 28 geöffnet ist. Anschließend kann der fertig hergestellte Deckel 12 aus der nicht näher bezeichneten Kavität 34 entnommen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013220778 A1 [0002]
