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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Werkzeug zum Herstellen eines Hohlkörperverbundbauteils sowie ein solches Hohlkörperverbundbauteil.
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Die
WO 2013/053447 A1 beziehungsweise die
EP 2 766 248 A1 offenbart ein Frontendmodul für ein Kraftfahrzeug, mit einem rohrförmigen Querträger, und mit Spritzgussbauteilen aus Kunststoff, die an den Querträger angespritzt sind, wobei zumindest zwei der Spritzgussbauteile separat zum Querträger miteinander verbunden sind.
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Außerdem offenbart die
DE 10 2017 014 538 A1 einen Querträger für eine Karosserie eines Kraftwagens, welcher ein zumindest im Wesentlichen aus einem metallischen Werkstoff gebildetes Querträgerbauteil umfasst, das mit einem Kunststoff zu einem Hybridbauteil ergänzt ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Werkzeug zu schaffen, mittels welchem Hohlkörperverbundbauteile zeit- und kostengünstig hergestellt werden können. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein zeit- und kostengünstig herstellbares Hohlkörperbauteil zu schaffen.
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Diese Aufgaben werden mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch ein Werkzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 sowie durch ein Hohlkörperverbundbauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Hohlkörperverbundbauteils wird ein langgestreckter und aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildeter Hohlkörper als Faserverbundkunststoff-Halbzeug (FKV-Halbzeug) in vorgewärmtem Zustand des Hohlkörpers mittels eines Werkzeuges umgeformt und währenddessen innenseitig mit einem Stützdruck beaufschlagt. Des Weiteren wird mittels des Werkzeuges ein Spritzgussverfahren durchgeführt, mittels welchem ein Kunststoff zumindest an einen Teilbereich des Hohlkörpers angespritzt wird, insbesondere nachdem der Hohlkörper umgeformt wurde und/oder während der Hohlkörper umgeformt wird. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Werkzeug zwei gegenüberliegende Formteile zum Umformen des Hohlkörpers.
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Ein erstes der Formteile ist starr und umfasst somit keine separat voneinander ausgebildeten und relativ zu einander bewegbaren Segmente. Ein zweites der Formteile ist segmentiert und dadurch in Segmente aufgeteilt beziehungsweise unterteilt, wobei die Segmente nacheinander in Richtung des ersten Formteils und dadurch nacheinander in Kontakt mit dem Hohlkörper bewegt werden, wodurch der Hohlkörper umgeformt wird, während zumindest eines der Segmente in Richtung des ersten Formteils bewegt wird. Insbesondere wird der Hohlkörper im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens gebogen und dadurch umgeformt, sodass das erfindungsgemäße Verfahren ein Umformkonzept, insbesondere ein Biegekonzept, ist, in dessen Rahmen der beispielsweise als FVK-Profileinleger ausgebildete Hohlkörper durch einen One-Shot-IHU-Prozess umgeformt wird. Das Verfahren ist somit ein One-Shot-IHU-Spritzgussprozess, wobei der Hohlkörper innerhalb genau eines Prozessschrittes beziehungsweise in genau einem Zug und dabei mittels desselben Werkzeuges sowohl umgeformt als auch mit dem Kunststoff angespritzt wird, woraufhin das Hohlkörperverbundbauteil, welches den umgeformten und mit dem Kunststoff angespritzten Hohlkörper umfasst, ausgeworfen beziehungsweise entnommen werden kann. Dabei wird der Stützdruck als hoher Innendruck verwendet, um beispielsweise unerwünschte Veränderungen einer Außenkontur des Hohlkörpers bei dem Umformen zu vermeiden.
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Das Hohlkörperverbundbauteil kann beispielsweise als ein Frontendträger, als ein Querträger unter einer Instrumententafel und/oder als ein anderes Bauteil eines Kraftwagens, insbesondere Personenkraftwagens, verwendet werden und ist mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zeit- und kostengünstig herstellbar. Insbesondere können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens Cockpit-Querträger, Crashboxen, Frontendadapter, Frontendträger, Heckklappen, Liegequerträger beziehungsweise Stoßstangen, Drehstäbe, Spulstangen, Dachrahmen, Fahrzeugsäulen, A-Säulen, Fahrschemel, Mantelrohre für Lenkungen, Getriebebrücken, äußere Bordkanten, Batterieträger und/oder andere Bauteile hergestellt werden. Im Rahmen des Anspritzens des Kunststoffs an den Hohlkörper geht beispielsweise der Kunststoff eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Hohlkörper ein, sodass der Kunststoff eine stoffschlüssige Anspritzung ist. Da das Werkzeug die Segmente aufweist, ist das Werkzeug modular ausgebildet, vorzugsweise mit Voreilern, da beispielsweise zunächst zwei äußere, seitliche der Segmente des zweiten Formteils in Kontakt mit dem Formteil bewegt werden, während ein Kontakt zwischen einem zwischen den seitlichen Segmenten angeordneten mittleren Segment des zweiten Formteils und dem Hohlkörper unterbleibt. Hierdurch wird beispielsweise der Hohlkörper, insbesondere dessen Enden, mittels der seitlichen, äußeren Segmente an den Formteilen fixiert. Daraufhin wird beispielsweise das mittlere Segment in Kontakt mit dem Hohlkörper bewegt, wodurch der Hohlkörper umgeformt wird.
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Ferner kann das Werkzeug nachfahrende Axialstempel und Halbzeugübergabeelemente aufweisen. Die Segmente sind vorzugsweise einzeln beweglich und an unterschiedliche Umformradien anpassbar. Mittels des erfindungsgemäßen, als wärmebasiertes One-Shot-Verfahren ausgebildeten Verfahrens kann eine Taktzeit von unter 60 Sekunden realisiert werden, innerhalb derer das Hohlkörperverbundbauteil hergestellt werden kann.
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Zur Erfindung gehört auch ein Werkzeug, welches zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Werkzeuges anzusehen und umgekehrt.
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Des Weiteren gehört zur Erfindung ein Hohlkörperverbundbauteil, welches mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder mittels eines erfindungsgemäßen Werkzeugs hergestellt ist. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Werkzeuges sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Hohlkörperverbundbauteils anzusehen und umgekehrt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. 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 Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen Werkzeuges;
- 2 eine schematische Seitenansicht eines verfahrbaren Axialabdichtstempels des Werkzeuges;
- 3 eine schematische Vorderansicht des Werkzeuges;
- 4 eine weitere schematische Vorderansicht des Werkzeuges;
- 5 eine weitere schematische Vorderansicht des Werkzeuges;
- 6 ausschnittsweise eine schematische Perspektivansicht des Werkzeuges;
- 7 ausschnittsweise eine weitere schematische Perspektivansicht des Werkzeuges;
- 8 ausschnittsweise eine weitere schematische Perspektivansicht des Werkzeuges;
- 9 ausschnittsweise eine weitere schematische Perspektivansicht des Werkzeuges;
- 10 ausschnittsweise eine schematische und geschnittene Perspektivansicht des Werkzeuges;
- 11 ausschnittsweise eine weitere geschnittene Vorderansicht des Werkzeuges;
- 12 eine weitere geschnittene Vorderansicht des Werkzeuges;
- 13 jeweils ausschnittsweise schematische Schnittansichten des Werkzeuges;
- 14 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht des Werkzeuges; und
- 15 ausschnittsweise eine schematische Vorderansicht des Werkzeuges.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer schematischen Perspektivansicht ein Werkzeug 10 zum Herstellen eines Hohlkörperverbundbauteils. Dies bedeutet, dass das Werkzeug 10 dazu ausgebildet ist, das Hohlkörperverbundbauteil herzustellen. Bei dem Verfahren wird ein beispielsweise aus 4 erkennbarer, langgestreckter und aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildeter Hohlkörper 12 als ein Faserverbund-Halbzeug (FVK-Halbzeug) in vorgewärmtem Zustand mittels des Werkzeuges 10 umgeformt und währenddessen innenseitig mit einem Stützdruck beaufschlagt. Des Weiteren wird mittels des Werkzeuges 10 ein Spritzgussverfahren durchgeführt, mittels welchem ein Kunststoff zumindest an einen Teilbereich des Hohlkörpers 12 gespritzt wird. Hierdurch wird der Hohlkörper 12 zu dem Hohlkörperverbundbauteil ergänzt.
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Besonders gut aus 3 ist erkennbar, dass das Werkzeug 10 zwei gegenüberliegende Formteile 14 und 16 aufweist. Das Formteil 16 ist starr und weist somit keine relativ zueinander bewegbaren Segmente auf. Im Gegensatz dazu ist das zweite Formteil 14 segmentiert und dadurch in Segmente 18, 20 und 22 unterteilt. Wie im Folgenden noch genau erläutert wird, sind die Segmente 18 und 20 beispielsweise sogenannte Voreiler, wobei das Segment 22 beispielsweise ein nacheilender Biegekopf ist. Im Rahmen des Verfahrens und somit mittels des Werkzeuges 10 wird der Hohlkörper 12 gebogen, das heißt durch Biegen umgeformt, sodass das Werkzeug 10 als ein Innenhochdruck-Biege- und Spritzgusswerkzeug ausgebildet ist. Wie ferner noch im Folgenden genauer erläutert wird, werden die Segmente 18, 20 und 22 nacheinander in Richtung des Formteils 16 und dadurch in Kontakt mit dem Hohlkörper 12 bewegt, wodurch der Hohlkörper 12 umgeformt wird, während zumindest eines der Segmente 18,20 und 22 in Richtung des ersten Formteils 16 bewegt wird. In 1 veranschaulichen jeweilige Pfeile 24 die Bewegungen der Segmente 18, 20 und 22.
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Aus 15 ist erkennbar, dass das Werkzeug 10 wenigstens einen Axialabdichtstempel 26 aufweist, welcher relativ zu den Formteilen 14 und 16, insbesondere in axialer Richtung des Hohlkörpers 12 bewegt wird, um dadurch den Hohlkörper 12 insbesondere dessen Inneres, abzudichten, sowie zumindest einen seiner Schenkel zu fixieren. Insbesondere ist je Schenkel beziehungsweise je Ende ein Axialabdichtstempel 26 vorgesehen, um die beiden Enden des Hohlkörpers 12 abzudichten und zu fixieren. Hierdurch kann ein Fluid, insbesondere ein Gas, welches zum Bewirken des Stützdruckes in den Hohlkörper 12, insbesondere in dessen Inneres, eingeleitet wird, nicht unerwünschter Weise über die Enden aus dem Hohlkörper ausströmen. Insbesondere wird das Fluid über einen der Axialabdichtstempel 26 in den Hohlkörper 12 eingeleitet. In 2 veranschaulicht ein Doppelpfeil 28 die insbesondere in axialer Richtung des Hohlkörpers 12 verlaufende Bewegbarkeit des jeweiligen Axialabdichtstempels 26. Der verfahrbare Axialabdichtstempel 26 wird somit simultan zum Abdichten des Hohlkörpers 12 sowie zur Schenkelfixierung genutzt.
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Das Fluid wird beispielsweise mittels einer Temperiereinrichtung gezielt temperiert, das heißt gekühlt und/oder erwärmt. Durch Einleiten des variotherm gesteuerten Stützdrucks in den Hohlkörper 12 während der Umformung können definierte Zug- und Druckspannungen zur Vermeidung von Falten und/oder Schädigungen eingeleitet werden. Außerdem können durch ein Zusammenspiel der Voreiler (Segmente 18 und 20) in Bezug auf Kraft und Weg Zugkräfte in den vorzugsweise als Rohr ausgebildeten Hohlkörper 12 eingeleitet werden, insbesondere in einer Umform- beziehungsweise Biegezone, in welcher der Hohlkörper 12 umgeformt wird.
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Beispielsweise werden die Segmente 18 und 20 (Voreiler) simultan relativ zu dem Segment 22 bewegt und dabei in Richtung des Formteils 16 bewegt, wodurch beispielsweise die Voreiler, insbesondere simultan, in Kontakt mit dem Rohr (Hohlkörper 12) bewegt werden, während noch ein Kontakt des Segments 22 mit dem Rohr unterbleibt. Die Voreiler sind somit äußere Werkzeugteile, welche simultan nach unten beziehungsweise in Richtung des Formteils 16 bewegt werden. Hierdurch werden die Enden des Rohrs durch die voreilenden Segmente 18 und 20 zunächst fixiert, woraufhin das Rohr mittels des Segments 22 umgeformt wird. Da das Rohr über seine Enden mittels der Voreiler fixiert wird, können unerwünschte Relativbewegungen zwischen dem Rohr und dem Werkzeug 10 vermieden werden.
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Vorzugsweise weist das starre Formteil 16 Spritzdüsen auf, über welche der Kunststoff an das Rohr gespritzt wird. Das bewegliche Formteil 14 leitet die Umformung des Hohlkörpers 12 ein, wobei das Biegen des Hohlkörpers 12 erfolgt, während sich die Formteile 14 und 16 aufeinander zu bewegen. Während des Umformens befindet sich der Hohlkörper 12 auf einer Ablage, welche beispielsweise durch das Formteil 16 gebildet ist. Alternativ oder zusätzlich umfasst die Ablage beispielsweise Stifte, die in einem Abstand von beispielsweise 80 mm aufgereiht sind. Eine gewünschte Um- beziehungsweise Verformung des Hohlkörpers 12 kann durch gezieltes Ansteuern von Biegeflächen an dem zu biegenden Hohlkörper 12 erreicht werden. Der auch als Biegekörper bezeichnete Hohlkörper 12 wird beispielsweise während des Umformens mit dem Fluid gefüllt und somit innenseitig mit dem auch als Gasinnenstützdruck bezeichneten Stützdruck beaufschlagt, um beispielsweise eine gewünscht runde Außenkontur des Hohlkörpers 12 beizubehalten und übermäßige Falten und Dellen zu verhindern beziehungsweise Endlosverstärkungsfasern in Streckung zu bringen. Ferner ist es denkbar, dass die Axialabdichtstempel 26, welche auch als Axialzylinder bezeichnet werden, an dem starren Formteil 16 angeordnet sind. Das Formteil 14 ist beispielsweise eine bewegliche Seite, an welcher Auswerfer zum Auswerfen des Hohlkörperverbundbauteils aus dem Werkzeug 10 vorgesehen sind. Vorzugsweise wird als das Fluid zum Bewirken des Stützdrucks ein Gas verwendet.
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Wie aus 3 erkennbar ist, weist beispielsweise das Segment 22 eine Länge L von circa 60 mm auf. Ferner ist aus 3 erkennbar, dass das beispielsweise als Biegewerkzeug fungierende Formteil 16 in drei Komponenten in Form der Segmente 18, 20 und 22 aufgeteilt ist, um eine gezielte Ansteuerung zu ermöglichen. Dabei dienen die Segmente 18 und 20 der Schenkelfixierung, während das Segment 22 als Biegekopf zum Biegen und somit Umformen des Hohlkörpers 12 dienen. Kernzüge und Steuerung werden entsprechend angepasst auf das segmentierte Werkzeug 10.
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4 zeigt das Werkzeug 10 in einer Ausgangsstellung. Hierbei ist das Werkzeug 10 geöffnet, der Axialabdichtstempel befindet sich in einer Nullstellung, es befindet sich kein Druck im System und der als FVK-Profil ausgebildete Hohlkörper 12 wird warm, das heißt in Folge des erwärmten Zustands in einen Bearbeitungsraum 29 des Werkzeuges 10 zwischen den Formteilen 14 und 16 transportiert und/oder vor Ort erwärmt. Somit zeigt 4 das Werkzeug 10 in einer Ausgangsstellung.
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5 zeigt das Werkzeug 10 bei einer Übergabe, bei welcher das Werkzeug geöffnet ist und eine Auflage beziehungsweise Fixierung des einfach auch als Halbzeug bezeichneten Hohlkörpers 12 vorgesehen ist. Es befindet sich kein Druck im System und eine Handhabungseinrichtung entfernt sich aus dem auch als Arbeitsbereich bezeichneten Bearbeitungsraum 29.
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6 zeigt das Formteil 16 bei einer Übergabe des vorgeformten warmen Hohlkörpers 12, welcher auch einfach als Profil bezeichnet wird. Wie in Zusammenhang mit 7 erkennbar ist, sind beispielsweise erste Auflager über Stifte beziehungsweise Schieber 30 realisiert. Nicht dargestellte zweite Auflager sind beispielsweise über eine versetzte Werkzeugteilung dargestellt. 8 und 9 zeigen das Formteil 16 bei der Übergabe des gestreckten warmen Profils. 10 zeigt das Werkzeug 10 ausschnittsweise in einer schematischen und geschnittenen Perspektivansicht.
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11 zeigt das Werkzeug 10 beim Biegen des Profils (Hohlkörper 12). Dabei fahren die Axialabdichtstempel auf die jeweiligen Enden und kraftgesteuert nach, woraufhin ein leichter Stützdruck in das Innere des Profils eingeleitet wird. Das Werkzeug 10 wird schließlich sequenziell geschlossen. Wie in 11 durch Pfeile veranschaulicht ist, erfolgt zunächst ein Fixieren der Schenkel beziehungsweise Enden des Profils mittels der Voreiler, welche gleichzeitig oder nacheinander in Richtung des Formteils 16 und dabei in Kontakt mit dem Profil bewegt werden, um dadurch die Enden des Profils und somit das Profil insgesamt an den Formteilen 14 und 16 zu fixieren, während ein Kontakt zwischen dem Biegekopf (Segment 22) und dem Hohlkörper 12 noch unterbleibt.
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12 zeigt das Werkzeug 10 beim Biegen des Hohlkörpers 12. Hierbei wird der Hohlkörper 12 durch Gesenkbiegen gebogen, insbesondere in eine Profilendgeometrie. Das Biegen, insbesondere Gesenkbiegen, erfolgt dabei durch den Biegekopf, welcher auch ein als Nacheiler bezeichnet wird.
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Beispielsweise sind Einsätze des Werkzeuges wechselbar, um eine biegegerechte Auslegung einer Rippenkavität zu schaffen. Die Segmente 18, 20 und 22 werden beispielsweise mittels jeweiliger, in 15 mit 32 bezeichneter Aktoren bewegt. Die Aktoren 32 sind eingebaute Aktoren mit Kraft-Weg-Erfassung, um erforderliche Umformkräfte in Abhängigkeit von Weg und Zeit zu definieren. Ferner ist ein Anschluss vorhanden, um den Stützdruck aufzubringen. Die auch als Axialzylinder bezeichneten Axialabdichtstempel sind in 5 erkennbar und dort mit 26 bezeichnet. Ferner sind in 15 Abdichtungssegmente 1, Niederhaltersegmente mit 2 einer Radien-Umformstrecke mit 4 ein Kopfbereich mit 5 und Aufnahmestrukturen mit 6 bezeichnet.
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13 zeigt eine Kavität des Werkzeuges 10, vorliegend mit Aluminium-Einlegern, wobei in 13 jeweilige, an jeweiligen Schnittebenen A und B verlaufenden Schnittansichten gezeigt sind. Eine gewünschte Biegeform beim Fließprozess wird im Bereich von Spritzgussrippen unterstützt. Ferner geht aus 14 eine für die Umformung des FVK-Halbzeuges gerechte Rippengestalt besonders gut hervor, insbesondere im Vergleich zu den Aluminiumeinlegern. Hierbei sind schräge Querrippen und/oder durchgehende schräge Längsrippen denkbar. Insbesondere können mittels des Verfahrens und mittels des Werkzeuges 10 folgende Vorteile realisiert werden:
- - Biegung und Spritzguss zur Erstellung eines Frontendträgers oder Querträgers innerhalb eines Arbeitsschrittes in einem Gesamtwerkzeug in Form des Werkzeuges 10, ohne mehrfache, anschließende Nachbearbeitungen beziehungsweise Vorprozesse
- - Verrippung für Stoffschlüssige Anspritzung ist nicht im gleichen Rahmen wie bei 2-stufigen Prozessen erforderlich
- - Spritzgussmaterial wird eingespart und dadurch eine Gewichtsreduktion erzielt
- - Einsparung zusätzlicher Biegemaschinen und separaten vorgelagerten Umformprozessen, somit Kosteneinsparungen im Bereich Maschinenstundensätze, Arbeitskräfte, Hallennutzung
- - Taktzeitverringerung, Erhöhung Gesamtoutput
- - Verwendung von Gas hat positiven Einfluss auf Biotop, Instandhaltung, Wartung und ist eine deutlich sauberer Anwendung im Vergleich zum Einsatz von Wasser
- - Zusätzlich verschleißt Gas die Umliegenden Werkzeuge weniger stark im Vergleich zu Wasser
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2013/053447 A1 [0002]
- EP 2766248 A1 [0002]
- DE 102017014538 A1 [0003]
