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Die Erfindung betrifft ein RTM-Werkzeug zur Injektion eines niedrig viskosen Harzreaktionsgemisches zu einem vorgeformten Bauteil mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Zur vollautomatischen Fertigung dreidimensionaler, faserverstärkter Kunststoffbauteile wird das Harzinjektionsverfahren (RTM = Resin Transfer Molding) angewandt. Dazu wird zunächst ein Kern gefertigt, der die Form des Bauteils vorgibt und um den die Lang-Fasern gewickelt werden. Ggf. ist der Kern so ausgebildet, dass er später ausgewaschen werden kann, so dass ein Hohlkörper erhalten wird. Der Preformling aus dem faserumwickelten Kern wird grob beschnitten und in ein spezielles, an ein Spritzgießwerkzeug erinnerndes, zweiteiliges RTM-Werkzeug eingelegt. Das Werkzeug wird nun hydraulisch geschlossen. Hoch reaktive, niedrigviskose Harzreaktionsmischungen wie z.B. Gemische aus Polyolen mit Polyisocyanaten werden unter hohem Druck in das Werkzeug gespritzt. Außerdem können Bauteile anderer Art mit einer Duroplastbeschichtung versehen werden, beispielsweise mit Holz beschichtete Dekorteile zur Verwendung in Automobilinneneinrichtungen, die u.a. zur Erhöhung der Kratzfestigkeit und der Form- und Chemikalienbeständigkeit mit einer hochglänzenden duroplastischen Schicht versehen werden.
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Die zur Aushärtung führende Reaktion der Harzkomponenten miteinander findet innerhalb des geschlossenen Werkzeuges statt. Sie ist eine exotherme Reaktion und erhöht dadurch dort zusätzlich Druck und Temperatur. Die beim Harzinjektionsverfahren verwendeten Reaktionsharzgemische sind wesentlich dünnflüssiger als z.B. eingespritzte thermoplastische Kunststoffe beim herkömmlichen Spritzgießverfahren. Aus diesem Grund müssen die Werkzeughälften im geschlossenen Werkzeug sorgfältig gegeneinander abgedichtet sein und die Dichtungselemente müssen eine höhere Flächenpressung aushalten. Herkömmliche Dichtungs-Materialien wie Dichtungen aus Elastomer-Kautschuken, z.B. SBR, EPDM oder NBR, Silikon basierte Kautschuke wie z.B. FPM und auch Fluorkunststoff-Werkstoffe wie z.B. PTFE versagen bei diesem Verfahren.
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Bei diesem Verfahren kann es zudem passieren, dass Fasern des Preformlings innerhalb des Werkzeuges „umherwandern“ oder lose Fasern auf der Dichtfläche zum Liegen kommen. Dies zerstört jede Form einer unelastischen, starren Dichtung, denn die Kohle- bzw. Glasfasern sind im Verhältnis zu allen anderen im Werkzeug verwendeten Materialien so hart, dass, wenn diese zwischen die Dichtflächen einer starren (metallischen) Dichtung geraten würden, hier irreversible Schäden hervorrufen würden. Die Dichtung muss sich bei diesen Umgebungsbedingungen elastisch verformen können und darf nicht durch die Fasern zerstört werden.
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Auch die hohen Drücke von bis zu 250 bar und die ebenfalls hohen Temperaturen, die beim RTM-Verfahren aufgrund der exothermen Reaktion der Komponenten im Formnest auftreten, stellen besondere Anforderungen an die Dichtung. Elastomer-Dichtungen halten den Belastungen aus Druck und Temperatur nicht stand. Silikon-Dichtungen hingegen verkleben mit dem Reaktionsharzgemisch und werden dadurch unbrauchbar.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Verbesserung eines zweiteiligen Werkzeugs der eingangs genannten Art hinsichtlich der Dichtung, die den speziellen Bedingungen in einem RTM-Werkzeug wie Klebrigkeit des Harzes und Härte des Preformlings sowie Druck und Temperatur und den sonstigen Rahmenbedingungen des angewendeten High-Pressure-RTM-Prozesses standhalten muss.
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Zur Lösung schlägt die Erfindung ein RTM-Werkzeug zur Injektion eines niedrig viskosen Harzreaktionsgemisches zu einem Preformling mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. die Verwendung eines hochtemperaturfesten Kunststoffs vor.
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Die Verwendung von hochtemperaturbeständigen Hochleistungsthermoplastkunststoff ermöglicht eine Beständigkeit des daraus gebildeten Dichtungselements gegenüber den hohen Grundtemperaturen im RTM-Verfahren von ca. 140°C bis 200°C und hohen Einspritzdrücken der Harzreaktionsgemische in das Werkzeug von typischerweise ca. 100 bar bis 200 bar.
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Der Werkstoff gibt der Dichtung trotz der hohen Einsatztemperaturen und der hohen Grundhärte bei Raumtemperatur während der Verfahrensdurchführung noch eine so hohe Elastizität, dass Oberflächenunebenheiten und Fremdkörper auf der Dichtfläche ausgeglichen werden können.
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Zusätzlich ist das nach der Erfindung vorgesehene Dichtungselement chemisch resistent, besonders gegenüber fast allen organischen und anorganischen Chemikalien, und bis etwa 280 °C auch gegen Hydrolyse.
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Halbzeuge aus solchen hochtemperaturbeständigen Hochleistungsthermoplastkunststoff liegen in verschiedenen Abmessungen vor. Das erfindungsgemäße Dichtungselement ist vorzugsweise durch spanende Bearbeitung aus dem Vollen hergestellt. Dadurch können mit modernen Werkzeugmaschinen ohne großen Herstellungsaufwand Dichtungselemente hergestellt werden, die in individuell geformten Werkzeugen Verwendung finden.
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Außerdem umgeben die Dichtungselemente vorzugsweise unmittelbar das Formnest mit dem darin einzusetzenden Preformling, bilden also eine direkte Begrenzung des Außenumfangs des Formteils.
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Ein besonderer Vorteil in der Verwendung eines hochtemperaturbeständigen Hochleistungsthermoplastkunststoffs, liegt in der guten elastischen Verformbarkeit. Beim Schließen und Aneinanderpressen der Werkzeughälften wird dadurch eine sichere Anlage an der Kontaktzone der gegenüberliegenden Werkzeughälfte erreicht. Geometrische Änderungen in den metallischen Anteilen des Werkzeugs werden kompensiert, indem sich das Dichtungselement verformt und stets den Kontakt hält, so dass die Dichtigkeit des Werkzeugs in allen Phasen des Prozesses gewährleistet ist.
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Als hochtemperaturbeständige Hochleistungsthermoplastkunststoffe sind zur Bildung eines Dichtungselements bzw. Teildichtungselements insbesondere geeignet: Polyamidimid, Polyetheretherketon, Polyphenylensulfon.
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Als besonders geeignet erwiesen hat sich ein von der Anmelderin modifiziertes Polyetheretherketon, das unter dem Handelsnamen Murlock
® vertrieben wird und durch folgende Eigenschaften charakterisiert ist:
| Kugeldruckhärte | 230 MPa |
| Shore-Härte D | 87 |
| Schmelztemperatur | 340 °C |
| Glasübergangstemperatur | 143 °C |
| Linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient a mittlerer Wert zwischen 23° und 100°C | 5,5 × 10–5 m/(m·K) |
| Linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient a mittlerer Wert oberhalb 150°C | 13 × 10–5 m/(m·K) |
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Neben der Wahl des Werkstoffs ist der Aufbau des Dichtungselements wesentlich: Es wird zwar im Ergebnis ein endloses Dichtungselement bereitgestellt, das das Formnest vollständig umschließt, allerdings ist es erfindungsgemäß aus in Längserstreckung des Dichtungselements aneinandergereihten Teildichtungselementen gebildet, also relativ kurzen, stabförmigen Teilen, die insbesondere aus Plattenzuschnitten gebildet, die spanend nachbearbeitet sind und die in einer Dichtungsaufnahmenut in wenigstens einer der Werkzeughälften aneinandergereiht werden und in ihrer Gesamtheit das Dichtungselement ausbilden.
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Die Unterteilung in Teildichtungselemente bringt verschiedene Vorteile mit sich:
- – Zu nennen ist zunächst die einfache Fertigung relativ kleiner Elemente aus Standardplatten, wobei auch ein dreidimensionaler Verlauf des Dichtungselements leicht darstellbar ist, indem Teildichtungselemente in einem bestimmten Winkel zueinander angereiht werden. Bei Beschädigungen kann leicht ein Teildichtungselement ausgetauscht werden. Dadurch, dass auf eine feste Verbindung der Teildichtungselemente untereinander verzichtet wird, können lokale Spannungen aufgrund von Druck- und Temperatureinfluss gar nicht erst entstehen oder sie werden zumindest nicht in benachbarte Elemente übertrage, so dass die Geometrie des Dichtungselements beeinträchtigen
- – Der Hauptvorteil der Unterteilung in Teildichtungselemente liegt aber darin, die ab einer bestimmten Größe des Formnests und Länge des Dichtungselements die verhältnismäßig viel größere Wärmeausdehnung des Dichtungsmaterials gegenüber dem Stahl des Werkzeuges zu kompensieren. Dabei werden die Teildichtungselemente so gefertigt, dass sie bei Raumtemperatur hinsichtlich ihrer Längserstreckung ein Untermaß aufweisen. Zwischen den aneinander gereihten Teildichtungselemente sind im kalten Zustand jeweils Spalte vorhanden; dieser schließt sich bei Erwärmung des Werkzeuges
- – Die Trennstellen sind vorzugweise geometrisch einfach ausgebildet, insbesondere als Stumpfstöße, also einfach voreinander liegende Stirnflächen, ohne Verzahnungen oder sonstigen Formschluss. Damit kann der Spalt im kalten Zustand am einfachsten bestimmt und gefertigt werden kann und die Geometrie ist gut zu fertigen.
- – Auch weil die Dichtelemente nicht alle eben verlaufen, sondern dreidimensional sein können, sind die Trennebenen aus fertigungstechnischer Sicht möglichst simpel gewählt worden. So ergaben sich aber eben auch unterschiedlichen Längen der Teildichtungselemente.
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Es gibt daher vorzugsweise keinerlei zusätzliche Verbindungselemente zwischen den Dichtungen. Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Werkzeugs im RTM-Werkzeug wird bewusst vorgesehen, dass das reaktive Harz in die verbleibenden Spalte zwischen den Teildichtungselementen eindringen und dort aushärten kann. Somit besitzt das Dichtungselement im erfindungsgemäßen RTM-Werkzeug eine selbstdichtende Funktion, sobald einmalig Harz in die Werkzeugform injiziert worden ist. Auch ist die Fertigung der Teildichtungselemente einfach, denn ausgehend von den bei den Verfahrenstemperaturen zu erwartenden relativen Wärmedehnungen zwischen dem Dichtungselement und der Werkzeughälfte kann im Zweifelsfall immer ein größeres Untermaß im Ausgangszustand bei Raumtemperatur gewählt werden. Selbst wenn sich ein Spalt bei Erwärmung nicht unmittelbar durch stirnseitigen Kontakt der Teildichtungselemente schließt, so schließt er sich im ersten Verfahrensdurchgang automatisch. Gerade bei nicht linearen Verlaufsstrecken im Dichtungselement ist das ein erheblicher Vorteil, denn die axiale Beweglichkeit eines Teildichtungselements innerhalb der Dichtungsnut ist möglicherweise eingeschränkt, so dass sich die Wärmedehnungen möglicherweise nicht gleichmäßig zu beiden Enden auswirken, wodurch auch die sich ergebenden Spaltweiten nicht exakt vorhersehbar sind.
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Das in den Restspalten ausgehärtete Harz stellt dann wiederum eine exakt passende Dichtung zwischen den einzelnen Teildichtungselementen dar. Sicher ist hier aktuell nur, dass das erfindungsgemäße RTM-Werkzeug mit den Dichtungselementen absolut dicht ist und dass das Harz zwischen die Elemente dringt, aber nicht herausquillt.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Dichtungselement im Querschnitt gesehen einen Blockkörper aufweist, mit dem es in eine Dichtungsaufnahmenut eingesetzt ist, und dass es zumindest mit einer relativ zum Blockkörper wesentlich schmaleren und dünneren Dichtungslippe über die benachbarten Oberflächen am Werkzeug übersteht. Es liegt also vorzugsweise immer nur die Oberkante der Dichtungslippe am Dichtungselement an der gegenüberliegenden Kontaktzone der anderen Werkzeughälfte an. Die Dichtlippe liegt im Querschnitt zur Kavität hin. Die Breite der Dichtlippe steht im Zusammenhang mit der auf das Werkzeug wirkenden Schließkraft und die sich daraus ergebende Flächenpressung.
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Diese Dichtlippe wurde hinsichtlich ihrer Geometrie, insbesondere hinsichtlich der Höhe, mit der sie über die benachbarte Kontaktzone der Werkzeughälfte aufragt, zudem so gewählt, dass die Dichtung sich nur dann im elastischen Bereich verformt, wenn das Werkzeug komplett geschlossen ist und beide Werkzeughälften aneinander gepresst werden. Deshalb ist auch das Verhältnis Dichtlippe zur Gesamtgröße der Dichtung wichtig. Die die Schließkraft aufbringende Presse muss aber auch in der Lage sein, die Dichtung zu verformen. Hierfür sind nicht ganz unerheblich Presskräfte erforderlich, deswegen ist vorzugweise eine schmale Dichtlippe vorgesehen, deren Breite
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Möglich ist weiterhin, ganze Teilabschnitte einer Werkzeughälfte des RTM-Werkzeuges aus demselben Werkstoff wie das Dichtungselement herzustellen. So wird dieses Material nicht nur zur Dichtung in einem Werkzeug, sondern bekommt auch formgebende Eigenschaften innerhalb eines Werkzeuges.
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Vorteilhaft ist außerdem, in dem Formnest wenigstens einen Auswerferstift vorzusehen, der in einer Buchse verschiebbar gelagert ist, welche ebenfalls aus einem der oben genannten, hochtemperaturbeständigen Hochleistungsthermoplastkunststoffe besteht. Es kann sich dabei um dieselbe Kunststoffart handeln oder auch eine andere der genannten Kunststoffarten.
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Wenigstens ein Auswerferstift ist fast immer erforderlich, um die Entformung des Werkstücks aus dem Formnest zu ermöglichen. Bei herkömmlichen Auswerferstiften, wie sie bei Formen für das Spritzgießen thermoplastischer Massen benutzt werden, sind für das RTM-Verfahren nicht einsetzbar. Aufgrund der wesentlich höheren Temperaturen beim RTM-Verfahren müssten größere Spalte zwischen dem Auswerfer und der metallischen Buchse, in der er geführt ist, vorgesehen werden. Die niedrige Viskosität der Reaktionsharze, die zur Selbstabdichtung zwischen den bevorzugt eingesetzten Teildichtungselementen vorteilhaft ist, würde hier automatisch zur dauerhaften Blockade der Auswerferstifte in ihren Buchsen führen. Durch die Verwendung von PEEK als Werkstoff nicht nur für das Dichtungselement, sondern auch für die Buchsen der Auswerferstifte kann das zu Stahl unterschiedliche Wärmedehnungsverhalten des hochtemperaturbeständigen Hochleistungsthermoplastkunststoffs gezielt genutzt werden: Bei Raumtemperatur wie bei Entformungstemperatur besteht ein Ringspalt zwischen Buchse und Auswerferstift, so dass dieser frei beweglich ist. Bei Einspritz- und Reaktionstemperatur hingegen schließt sich der Spalt, klemmt den Auswerferstift fest ein und verhindert so das Eindringen von Reaktionsharz. Mit der Abkühlung zur Entformung schrumpft die Buchse und gibt den Auswerferstift wieder frei.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
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1 eine Werkzeughälfte eines ersten RTM-Werkzeugs in perspektivischer Ansicht;
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2 eine Werkzeughälfte eines zweiten RTM-Werkzeugs in perspektivischer Ansicht;
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3 ein vergrößertes Detail des RTM-Werkzeugs nach 2;
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4 ein Dichtungselement in Draufsicht von oben;
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5 das Dichtungselement aus 5 in seitlicher Ansicht; und
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6 einen Querschnitt des Dichtungselements.
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1 zeigt eine untere Werkzeughälfte 10’ eines RTM-Werkzeugs in perspektivischer Ansicht. Dazu gehört eine komplementär ausgebildete zweite, obere Werkzeughälfte, die hier nicht dargestellt ist. In die Werkzeughälfte 10’ sind Vertiefungen eingebracht, die Teil eines Formnests 12’ mit einer Injektionsöffnung 13’ sind. Um das Formnest herum ist eine Kontaktzone 14’ vorgesehen, in der bei geschlossenem Werkzeug die entsprechende Kontaktzone der anderen Werkzeughälfte anliegt. Am inneren Umfang der Kontaktzone 14’ ist ein erstes Dichtungselement 15’ vorgesehen, das das Formnest 12’ unmittelbar umschließt. Die Breite des ersten Dichtungselements beträgt etwa 10 mm.
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Am äußeren Umfang der Kontaktzone 14’ ist ein zweites Dichtungselement 16’ mit einem deutlichen Abstand zum ersten Dichtungselement 15’ angeordnet. Sollte Harzreaktionsgemisch bei einer Beschädigung des ersten Dichtungselements 15’ die dortige Dichtungslinie überwunden haben, so wird es an dem zweiten Dichtungselement’ 16 aufgehalten. Da das nach Aushärtung der Harzinjektion fertig gestellte Formteil ohnehin randseitig besäumt werden muss, entsteht jedoch kein Nachteil dadurch.
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In 2 ist wiederum eine untere Werkzeughälfte 10 eines zweiten RTM-Werkzeugs dargestellt. In einem Formnest 12, das von einem Dichtungselement 15 umschlossen und begrenzt wird, liegt ein Langfaser-Preformling 20, der mit einem metallischen Einsatzteil 21 verbunden ist. Das Dichtungselement 15 liegt in einer Kontaktzone 14 der Werkzeughälfte 10, auf welche eine obere Werkzeughälfte aufgepresst wird.
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Das Einsatzteil 21 liegt ebenfalls innerhalb des Umfangs des Dichtungselements 15. Um ein unbeabsichtigtes Einhüllen des Einsatzteils 21 mit Harz zu verhindern, erstreckt sich ein Zusatzdichtungselement 17 von einer Seite am Innenumfang des Dichtungselements 15 bis an die gegenüberliegende Seite des Innenumfangs des Dichtungselements. Das Einsatzteil 21 liegt auf dem Zusatzdichtungselement 17 auf. An der nicht dargestellten oberen Werkzeughälfte ist in der Kontaktzone zwar kein weiteres endloses Dichtungselement vorgesehen, das das Formnest begrenzt, jedoch findet sich dort ebenfalls ein entsprechendes quer über das Formnest verlaufendes Zusatzdichtungselement 17. Dadurch wird eine innere Schottwand errichtet, die das Einsatzteil 21 umschließt und vom Rest des Formnests 12 abschottet.
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3 zeigt den Bereich mit dem Einsatzteil 21 in Vergrößerung. Der in 2 vorne liegende Bereich wird wegen des Zusatzdichtungselements 17 von der Harzinjektion ausgespart. Das Dichtungselement 15 umschließt diesen Bereich dennoch und gewährleistet eine absolute Dichtigkeit des gesamten Formnests, auch wenn Reaktionsharz in die Fuge zwischen dem Zusatzdichtungselement 17 und dem Einsatzteil 21 eindringen sollte.
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Weiterhin ist in 3 erkennbar, dass die Oberseite des Dichtungselements 15 nicht glatt ist, sondern an der zum Formnest 12 weisenden Innenseite eine Aufkantung in Form einer Dichtlippe 16.2 besitzt. Die strichpunktierten Linien deuten Trennlinien zwischen einzelnen Teildichtungselementen 15.8 15.9, 15.10, 15.1, 15.12 an, die separate Teile des Dichtungselements 15 sind, zumindest bis zur ersten Harzinjektion, die zum Schließen der Fugen zwischen den Teildichtungselementen 15.8 15.9, 15.10, 15.1, 15.12 führt.
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Das gesamte Dichtungselement 15 ist in 4 in Draufsicht dargestellt. Es besteht aus einer Vielzahl von Teildichtungselementen 15.1, ..., 15.10. Die Teildichtungselemente 15.1, 15.10 links und rechts sind spangenförmig und jeweils nur einmal vorhanden. Weil das Formteil symmetrisch in Bezug auf die eine Symmetrieachse in der Werkzeugtrennebene ausgebildet ist, ist auch das Dichtungselement 15 symmetrisch ausgebildet. Somit sind ober- und unterhalb der Symmetrieachse gleich lange Teildichtungselemente 15.2, ..., 15.9, 15.11 ... 15.18 vorhanden, wobei die jeweiligen oberen spiegelbildlich zu den jeweiligen unteren ausgebildet sind.
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Die Seitenansicht in 5 verdeutlicht, dass sich das Dichtungselement 15 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel keineswegs in einer Ebene erstreckt, sondern – der Werkzeugtrennebene folgend – ein räumliches Gebilde ist. Durch die Aufteilung in Teildichtungselemente 15.1, ..., 15.18 besitzt jedes der Teildichtungselemente für sich nur eine geringe Höhe und kann beispielsweise aus einem plattenförmigen Halbzeug hergestellt werden.
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Den Querschnitt des Dichtungselements 15 bzw. von dessen Teilelementen 15.1, ..., 15.18 ist in 6 gezeigt. Auf einem massiven, breiten Blockkörper 16.1, der in die Dichtungsaufnahmenut in der jeweiligen Werkzeughälfte eingesetzt wird, ist eine Dichtlippe 16.2 oder Dichtkante angeformt, die vorzugsweise zum Formnest hin weisend angeordnet ist. Möglich ist auch, die Dichtungsaufnahmenut unmittelbar an der Kontur des Fertigteils vorbeiführen zu lassen, so dass kein Grat mehr in der Werkzeugtrennebene entsteht. Die Dichtlippe 16.2 und ggf. noch Teile des Blockkörper bilden dann unmittelbar einen Teil des Formnests
