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Die Erfindung betrifft Planungsverfahren für eine Herstellung eines strukturierten Bauteils sowie ein Verfahren zur Herstellung eines strukturierten Bauteils.
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Aus der
WO 2007/018676 A2 ist ein Verfahren zum Herstellen einer strukturierten Tür bekannt, bei welchem eine Schmelze eines Materials mittels eines strukturierten Presswerkzeugs geformt wird. Für dieses Verfahren wird im Rahmen eines Identifizierungsschritts ein Muster für die Strukturierung der Tür ermittelt, wobei die Strukturierung einer Minimierung von thermischen und mechanischen Belastungen der Tür dienen soll.
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Als weiteren Stand der Technik sei verwiesen auf (1) TECHNISCHES Merkblatt, GRILON AGZ-15, emsgrivory, 2008 und (2) CAD-Entformungswinkel-Analyse für Spinfire-Software, AMB 2008.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Planungsverfahren für eine Herstellung eines strukturierten Bauteils sowie ein Verfahren zum Herstellen eines strukturierten Bauteils zu schaffen, welche ein besonders vorteilhaftes Entformen des strukturierten Bauteils von einem die Strukturierung formenden Werkzeug ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch jeweilige Planungsverfahren für eine Herstellung eines strukturierten Bauteils mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Herstellen eines strukturierten Bauteils gemäß dem Patentanspruch 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen sowie in der folgenden Beschreibung angegeben.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Planungsverfahren für eine Herstellung eines strukturierten, insbesondere genarbten Bauteils. Bei dem Planungsverfahren wird eine an einer Oberfläche des Bauteils mittels eines Werkzeugs zu formende Strukturierung, insbesondere wenigstens eine Narbe, ausgewählt. Mit anderen Worten wird die Strukturierung, welche bei einem auf das Planungsverfahren folgenden Herstellungsverfahren des Bauteils an dessen Oberfläche geformt werden soll, ausgewählt. Bei dem Verfahren wird des Weiteren mittels einer Recheneinrichtung in Abhängigkeit von einer Geometrie der ausgewählten Strukturierung ein Entformungswinkel ermittelt, unter welchem das Werkzeug nach dem Formen der Strukturierung relativ zu der Oberfläche zu bewegen ist. Unter dem Entformungswinkel ist ein Winkel zu verstehen, welchen eine Lotrechte auf die Oberfläche des Bauteils mit einem Bewegungsvektor des Bauteils relativ zu dem Werkzeug einschließt. Bei dem Planungsverfahren kann beispielsweise ein für die ausgewählte Strukturierung umzusetzender Entformungswinkelbereich ermittelt werden, wobei der Entformungswinkelbereich ein Intervall charakterisiert, in welchem der ermittelte Entformungswinkel liegt. Mit anderen Worten wird in Abhängigkeit von der Geometrie der ausgewählten Strukturierung der Entformungswinkelbereich ermittelt und in Abhängigkeit von dem ermittelten Entformungswinkelbereich der Entformungswinkel ermittelt, wobei der Entformungswinkel in dem Entformungswinkelbereich liegt. Der Entformungswinkelbereich verläuft von einem maximalen Entformungswinkel für die Strukturierung bis zu der Lotrechten auf die Oberfläche des Bauteils. Das Ermitteln des Entformungswinkels in Abhängigkeit von der Geometrie der ausgewählten Strukturierung ermöglicht, dass eine Kollision zwischen dem Werkzeug und dem Bauteil bei dem Bewegen des Werkzeugs relativ zu dem Bauteil zumindest im Wesentlichen vermieden werden kann. Insbesondere wird der Entformungswinkel derart ermittelt, dass eine Kollision zwischen dem Werkzeug und dem Bauteil beim Relativbewegen des Bauteils zum Werkzeug unterbunden wird. Hierbei beschriebt der maximale Entformungswinkel den größten Entformungswinkel unter welchem das Bauteil und das Werkzeug ohne eine Kollision relativ zueinander bewegt werden können. Bei der Geometrie der ausgewählten Strukturierung kann es sich um eine Höhe und/oder eine Tiefe und/oder eine Breite und/oder eine Länge und/oder um eine Krümmung und/oder eine Ausformung und/oder eine Einbuchtung der Strukturierung handeln. Um diese Geometrie der ausgewählten Strukturierung an dem Bauteil zu formen weist das hierfür vorgesehene Werkzeug eine mit der ausgewählten Strukturierung korrespondierende Oberflächengeometrie auf. Das Ermitteln des Entformungswinkels in Abhängigkeit von der Geometrie der ausgewählten Strukturierung ermöglicht vorteilhafterweise, dass auch bei einer komplizierten Geometrie der ausgewählten Strukturierung und somit einer komplizierten korrespondierenden Oberflächengeometrie des Werkzeugs eine Kollision zwischen dem Werkzeug und dem Bauteil bei einem Entformen des Bauteils und somit einer Relativbewegung zwischen dem Werkzeug und dem Bauteil unterbleibt.
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Hierbei ist es vorgesehen, dass der Entformungswinkel mittels einer in der Recheneinrichtung hinterlegten Zuordnungsvorschrift in Abhängigkeit von der ausgewählten Strukturierung ermittelt wird. Das bedeutet, dass die Recheneinrichtung die Auswahl der Strukturierung empfängt und über die Zuordnungsvorschrift einen der ausgewählten Strukturierung zuordenbaren beziehungsweise zugeordneten Entformungswinkel ermittelt. In der Zuordnungsvorschrift können jeder der Strukturierungen lediglich ein Entformungswinkel oder eine Vielzahl von Entformungswinkeln, aus welchen die Recheneinrichtung einen auswählen kann, oder ein Entformungswinkelbereich zugeordnet sein.
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Dabei ist vorgesehen, dass Teststrukturierungen jeweiliger Testbauteile erfasst werden, jeweilige den Teststrukturierungen zuordenbare Testentformungswinkel ermittelt werden und die Teststrukturierungen mit den zugeordneten Testentformungswinkeln in der Recheneinrichtung zum Erstellen der Zuordnungsvorschrift gespeichert werden. Mit anderen Worten wird eine Vielzahl von Testbauteilen hergestellt, wobei die jeweiligen Teststrukturierungen an die jeweiligen Testbauteile geformt werden. Anschließend werden beispielsweise über mathematische Zusammenhänge Testentformungswinkel für die jeweiligen Teststrukturen ermittelt. Für jede Geometrie der an dem Bauteil zu formenden Strukturierungen können eine Vielzahl von Teststrukturierungen untersucht werden. Anhand der den Teststrukturierungen zuordenbaren Testentformungswinkeln kann mittels der Recheneinrichtung die Zuordnungsvorschrift erstellt werden. Das bedeutet, dass die Zuordnungsvorschrift empirisch erstellbar ist. Beispielsweise kann beim Auswählen der an dem Bauteil zu formenden Strukturierung eine in der Zuordnungsvorschrift hinterlegte Strukturierung gewählt werden. Anschließend wird über die Zuordnungsvorschrift der der ausgewählten Strukturierung zugeordnete und in der Zuordnungsvorschrift hinterlegte Entformungswinkelbereich ermittelt. Zumindest in Abhängigkeit von dem der ausgewählten Strukturierung zugeordneten Entformungswinkelbereich wird der Entformungswinkel ermittelt. Dabei kann der Entformungswinkel aus dem Entformungswinkelbereich beispielsweise zusätzlich in Abhängigkeit von der Werkzeuggeometrie des Werkzeugs ermittelt werden, insbesondere eines Bereichs der Werkzeuggeometrie des Werkzeugs, welcher nicht mit der Geometrie der ausgewählten Strukturierung korrespondiert. Überdies kann der Entformungswinkel in Abhängigkeit von Bewegungsfreiheitsgraden des Werkzeugs ausgewählt werden. Folglich wird zum Ermitteln des Entformungswinkels gegebenenfalls zusätzlich betrachtet, in welche Raumrichtungen das Werkzeug und/oder um welche Raumrichtungen das Werkzeug beziehungsweise Bereiche des Werkzeugs relativ zum Bauteil bewegbar sind. Dies ermöglicht eine besonders vorteilhafte Kollisionsvermeidung zwischen dem Bauteil und dem Werkzeug bei einem Relativbewegen des Bauteils zum Werkzeug während des Herstellprozesses des Bauteils aufgrund des beschriebenen Ermittelns des Entformungswinkels im Rahmen des Planungsverfahrens.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mittels der Recheneinrichtung der Entformungswinkel in Abhängigkeit von einer Werkzeuggeometrie des Werkzeugs eingestellt wird. Das bedeutet, dass der Entformungswinkel in Abhängigkeit von der Oberflächengeometrie des Werkzeugs ausgewählt wird. Folglich wird der Entformungswinkel sowohl in Abhängigkeit von der Geometrie der ausgewählten Strukturierung als auch in Abhängigkeit von der Werkzeuggeometrie des Werkzeugs ermittelt. Hierbei können sowohl die mit der Geometrie der ausgewählten Strukturierung korrespondierende Oberflächengeometrie des Werkzeugs mit einbezogen werden, als auch Bereiche der Werkzeuggeometrie des Werkzeugs, welche nicht mit der Geometrie der ausgewählten Strukturierung korrespondieren. Hierbei können insbesondere Bereiche des Werkzeugs mit einbezogen werden, welche an die mit der Geometrie der ausgewählten Strukturierung korrespondierende Oberflächengeometrie des Werkzeugs angrenzen. Hierdurch kann mit besonders hoher Sicherheit eine Kollision zwischen dem Werkzeug und der ausgewählten Strukturierung im Rahmen eines Herstellungsverfahrens bei einer Relativbewegung des Bauteils relativ zum Werkzeug vermieden werden.
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Es hat sich des Weiteren als vorteilhaft gezeigt, wenn mittels der Recheneinrichtung der Entformungswinkel in Abhängigkeit von einer während der Formung zu erwartenden Geometrieänderung der Strukturierung ermittelt wird. Das bedeutet, dass die zu formende Strukturierung ausgewählt wird, eine während der Formung zu erwartenden Geometrieänderung der Strukturierung ermittelt wird und in Abhängigkeit von der zu erwartenden Geometrieänderung der Strukturierung der Entformungswinkel ermittelt wird. Die Geometrieänderung kann beispielsweise in Folge einer Volumenänderung des Bauteils auftreten. Diese Volumenänderung des Bauteils kann durch eine Temperaturänderung eines Materials des Bauteils, insbesondere einer Kunststoffschmelze, aus welcher das Bauteil gebildet wird, während des Formens der Strukturierung auftreten. Somit wird beim Planungsverfahren die während des Herstellungsverfahrens möglicherweise auftretende Geometrieänderung der ausgewählten Strukturierung beispielsweise in Abhängigkeit von einem Material des Bauteils und/oder Herstellungsparametern zum Herstellen des Bauteils und/oder Herstellungsparametern zum Formen der Strukturierung in das Ermitteln des Entformungswinkels mit einbezogen. Hierdurch kann schon beim Planungsverfahren dafür gesorgt werden, dass bei einem späteren Herstellungsprozess eine Kollision zwischen dem Werkzeug und dem beim Entformen relativ zu dem Werkzeug bewegten Bauteil vermieden wird und eine Beschädigung der Strukturierung auf dem Bauteil vermieden wird.
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In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung können die benötigten Entformungswinkel ohne Testbauteile ermittelt werden. Hierfür werden Geometrieinformationen der Strukturierung, insbesondere ein 3D-Scan und/oder Höhenprofile und/oder Graustufenbilder, ermittelt und für die Recheneinrichtung bereitgestellt. Somit kann die Strukturierung in der Recheneinrichtung in virtueller Form hinterlegt sein. Aus diesen Geometrieinformationen kann manuell oder maschinell der jeweils benötigte Entformwinkel ermittelt werden. Dies ermöglicht eine besonders einfache und ressourcensparende Erstellung der Zuordnungsvorschrift.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Planungsverfahren für eine Herstellung eines strukturierten, insbesondere genarbten Bauteils, bei welchem ein Entformungswinkel ausgewählt wird, unter welchem ein Werkzeug nach einem Formen einer Strukturierung auf einer Oberfläche des Bauteils relativ zu der Oberfläche bewegbar ist. Bei dem Verfahren wird des Weiteren mittels einer Recheneinrichtung in Abhängigkeit von dem Entformungswinkel eine Geometrie der Strukturierung ermittelt. Mit anderen Worten wird der Entformungswinkel im Rahmen des Planungsverfahrens festgelegt und in Abhängigkeit von dem festgelegten Entformungswinkel die mit dem festgelegten Entformungswinkel umsetzbare Strukturierung der Oberfläche des Bauteils ermittelt. Somit wird die Geometrie der Strukturierung derart ausgewählt, dass bei einem späteren Herstellungsverfahren für das Bauteil eine Kollision zwischen der Strukturierung des Bauteils und dem die Strukturierung des Bauteils formenden Werkzeugs zumindest im Wesentlichen vermieden wird.
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In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft gezeigt wenn die Geometrie der zu formenden Strukturierung in Abhängigkeit von dem ausgewählten Entformungswinkel angepasst wird. Das bedeutet, dass die Geometrie der Strukturierung derart angepasst wird, dass bei dem festgelegten und ausgewählten Entformungswinkel eine Kollision zwischen dem Werkzeug und dem Bauteil bei einem Entformen des Bauteils aus dem Werkzeug im Rahmen eines späteren Herstellungsprozesses unterbleibt. Hierbei kann die Strukturierung der Oberfläche in Abhängigkeit von dem festgelegten Entformungswinkel ausgewählt werden oder die Geometrie einer ausgewählten Strukturierung zumindest bereichsweise in Abhängigkeit von dem festgelegten Entformungswinkel geändert und somit an den ausgewählten Entformungswinkel angepasst werden. Dies ermöglicht, dass bei dem festgelegten Entformungswinkel, beispielsweise aufgrund von festgelegten Freiheitsgraden einer Bewegung des Werkzeugs relativ zu dem Bauteil im Rahmen des späteren Herstellungsprozesses, über eine Anpassung der Geometrie der Strukturierung eine Kollision zwischen dem Werkzeug und dem Bauteil bei einer Relativbewegung des Werkzeugs zum Bauteil vermieden werden kann.
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Bei einem besonders vorteilhaften Planungsverfahren nach dem ersten oder dem zweiten Aspekt der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Entformungswinkel und/oder die Geometrie der Strukturierung in Abhängigkeit von einem Material des Bauteils und/oder einer Wandstärke des Bauteils und/oder einer Schwindung des Bauteils während des Formens der Strukturierung und/oder einer Tiefe der Strukturierung ermittelt werden. Mit anderen Worten wird der Entformungswinkel bei festgelegter Geometrie der Strukturierung beziehungsweise die Geometrie der Strukturierung bei festgelegtem Entformungswinkel in Abhängigkeit von einer Eigenschaft des Bauteils und/oder einer Eigenschaft der Strukturierung angepasst. Bei dem Material des Bauteils kann es sich beispielsweise um einen Kunststoff handeln, wobei für mehrere Bauteile unterschiedliche Kunststoffe eingesetzt werden können, welche jeweils unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Insbesondere können die unterschiedlichen Kunststoffe während des Formens der Strukturierung bei einem gleichen oder demselben Werkzeug unterschiedliche Geometrien der geformten Strukturierung aufweisen. Somit ist es vorteilhaft, wenn das Material des Bauteils beim Anpassen des Entformungswinkels und/oder der Geometrie der Strukturierung mit einbezogen wird. Darüber hinaus kann während des Formens der Strukturierung ein Schwinden des Bauteils, beispielsweise aufgrund einer Temperaturänderung des Bauteils während des Formens der Strukturierung, auftreten, sodass es vorteilhaft ist, den Entformungswinkel beziehungsweise die Geometrie der Strukturierung in Abhängigkeit von der zu erwartenden Schwindung während des Formens der Strukturierung anzupassen. Die Schwindung kann beispielsweise aufgrund einer temperaturbedingten Volumenänderung des Bauteils auftreten, sodass während des Formens der Strukturierung in Folge der Temperaturänderung und somit in Folge der Schwindung ein Abstand zwischen der Geometrie der Strukturierung und somit dem Bauteil und dem mit der Strukturierung korrespondierenden Oberflächenbereich des Werkzeugs entstehen kann. Dieser Abstand beeinflusst den für die jeweilige Strukturierung im Rahmen eines Entformungsprozesses möglichen Entformungswinkelbereich, aus welchem der Entformungswinkel ausgewählt werden kann. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, den Entformungswinkel beziehungsweise die Geometrie der Strukturierung in Abhängigkeit von der Wanddicke des Bauteils anzupassen. Insbesondere kann die Wanddicke die Schwindung des Bauteils während des Formens der Strukturierung beeinflussen. Folglich kann die Wandstärke des Bauteils einen während des Formens der Strukturierung auftretenden Abstand zwischen dem Bauteil und dem Werkzeug beeinflussen, sodass die Wandstärke wiederum den Entformungswinkelbereich beeinflusst. Bei festgelegtem Entformungswinkel kann sich ein Geometriebereich der Strukturierung in Abhängigkeit von dem Abstand ändern, sodass bei einem ersten Abstand zwischen der Oberfläche des Bauteils und dem Werkzeug ein größerer Geometriebereich der Strukturierung für den festgelegten Entformungswinkel im Wesentlichen ohne Kollision zwischen dem Bauteil und dem Werkzeug umsetzbar ist, verglichen mit einem zum ersten Abstand unterschiedlichen zweiten, kleineren Abstand. Alternativ oder zusätzlich können der Entformungswinkel und/oder die Geometrie der Strukturierung in Abhängigkeit von der Tiefe der Strukturierung und somit einer Höhe einer Erhebung der Strukturierung über eine definierte mittlere Oberfläche des Bauteils oder eine Höhe einer Ausnehmung der Geometrie der Strukturierung in Bezug zur definierten mittleren Oberfläche des Bauteils angepasst werden. Beim Anpassen der Geometrie der Strukturierung können beispielsweise eine Breite und/oder eine Länge der Geometrie der Strukturierung in Abhängigkeit von der Tiefe der Strukturierung sowie dem festgelegten Entformungswinkel angepasst werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines strukturierten, insbesondere genarbten Bauteils, bei welchem ein erfindungsgemäßes Planungsverfahren durchgeführt wird. Des Weiteren wird bei dem Herstellungsverfahren wenigstens eine Strukturierung, insbesondere wenigstens eine Narbe, an der Oberfläche des Bauteils mittels des Werkzeugs geformt. Nach dem Formen der Strukturierung wird das Werkzeug zum Entformen des Bauteils in dem Entformungswinkel relativ zu der Oberfläche des Bauteils bewegt. Mit anderen Worten werden im Rahmen des Planungsverfahrens die Geometrie der Strukturierung sowie der Entformungswinkel in Abhängigkeit voneinander ermittelt und anschließend im Rahmen des Verfahrens zum Herstellen des Bauteils das Bauteil hergestellt. Hierbei wird das mit der ausgewählten Strukturierung korrespondierende Werkzeug mit der Oberfläche des Bauteils kontaktiert, um die Strukturierung zu formen. Nach dem Formen der Strukturierung wird das Bauteil relativ zu dem Werkzeug in dem Entformungswinkel bewegt, um das Bauteil aus dem Werkzeug zu entformen. Beispielsweise wird bei dem Verfahren eine Kunststoffschmelze in das Werkzeug gespritzt und somit spritzgegossen. Hierbei kann die Kunststoffschmelze in dem Werkzeug an eine mit der zu formenden Strukturierung korrespondierende Oberflächenstruktur des Werkzeugs fließen und dort erstarren. Dieses Verfahren ermöglicht ein besonders einfaches Herstellen der Strukturierung des Bauteils, da vorteilhafterweise im Rahmen des Planungsverfahrens der Entformungswinkel und die Strukturierung aufeinander abgestimmt worden sind, sodass während des Verfahrens zum Herstellen des Bauteils eine Kollision zwischen dem Bauteil und dem Werkzeug während des Entformens zumindest im Wesentlichen vermieden werden kann.
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In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn das Bauteil in dem Werkzeug durch Spritzgießen hergestellt wird und das Bauteil nach dem Aushärten aus dem Werkzeug entnommen wird. Mit anderen Worten wird das Bauteil durch Einspritzen eines Materials, insbesondere eines Kunststoffs, in das Werkzeug hergestellt, wobei beim Einspritzen des Materials in das Werkzeug die Strukturierung an der Oberfläche des Bauteils geformt wird. Nach Aushärten des Materials und somit des Bauteils wird das Bauteil aus dem Werkzeug entnommen, indem das Bauteil im Rahmen des Entformens relativ zu dem Werkzeug in dem Entformungswinkel bewegt wird. Durch das Herstellen des Bauteils im Rahmen des Spritzgießens, kann die Strukturierung an der Oberfläche des Bauteils besonders einfach geformt werden, wobei das Bauteil aufgrund der Abstimmung des Entformungswinkels auf die Strukturierung besonders einfach aus dem Werkzeug entfernt werden kann.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombination der beschriebenen Ausführungsformen. Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Planungsverfahren beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Dabei zeigt:
- 1 eine schematische Schnittansicht einer Strukturierung, insbesondere einer Narbung beziehungsweise eine Narbe eines Bauteils;
- 2a-2b jeweilige schematische Schnittansichten eines die Strukturierung beziehungsweise insbesondere die Narbung aufweisenden in einem Werkzeug zum Formen der Strukturierung aufgenommenen Bauteils, wobei in 2a keine Schwindung des Bauteils und in 2b eine Schwindung des Bauteils während des Formens der Strukturierung aufgetreten ist;
- 3a-3b jeweilige schematische Perspektivansichten der Strukturierung, insbesondere der Narbung des Bauteils, wobei in 3a Bereiche unterschiedlicher realisierbarer Narbtiefen und in 3b Bereiche unterschiedlicher realisierbarer Entformungswinkel einer Geometrie der Strukturierung unterschiedlich gekennzeichnet sind;
- 4 ein Verfahrensschema für ein Planungsverfahren für eine Herstellung des strukturierten Bauteils, wobei Teststrukturierungen und den Teststrukturierungen zuordenbare Testentformungswinkel ermittelt werden, aus den Teststrukturierungen und den zugeordneten Testentformungswinkeln eine Zuordnungsvorschrift erstellt wird und mittels der Zuordnungsvorschrift ein Entformungswinkel für das Bauteil in Abhängigkeit von einer ausgewählten zu formenden Strukturierung auf der Oberfläche des Bauteils ermittelt wird; und
- 5a-5d ein Verfahrensschema für ein Verfahren zum Herstellen des strukturierten Bauteils, wobei in 5a das Bauteil in das geschlossene Werkzeug spritzgegossen ist, in 5b eine Schwindung des Bauteils während des Formens der Strukturierung aufgetreten ist, in 5c das Werkzeug in einem im Rahmen des Planungsverfahrens ermittelten Entformungswinkel relativ zu dem Bauteil bewegt wird und in 5d das Bauteil von dem Werkzeug entformt ist.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist in einer schematischen Schnittansicht eine Strukturierung 1, insbesondere einer Narbung, eines Bauteils 2 dargestellt. Bei dem Bauteil 2 kann es sich um ein Verkleidungsteil für einen Innenraum eines Kraftfahrzeugs handeln, wobei die Strukturierung 1 eine Lederoptik hervorruft. Dieses Bauteil 2 ist im Rahmen eines Verfahrens zum Herstellen des strukturierten Bauteils 2 mit der Strukturierung 1 herstellbar. Ein solches Verfahren ist in Form eines Verfahrensschemas in den 5a bis 5d in jeweiligen schematischen Schnittansichten dargestellt.
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In 5a ist in der schematischen Schnittansicht dargestellt, wie das Bauteil in das Werkzeug spritzgegossen ist. Hierbei wird mittels einer mit der zu formenden Strukturierung 1 korrespondierenden Oberflächengeometrie 3 des Werkzeugs 4 die Strukturierung 1 vorgeformt.
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In 5b ist in der schematischen Schnittansicht dargestellt, wie sich eine Geometrie der Strukturierung 1 in Folge einer Schwindung 5 um vorliegend 1 Prozent verändert. Hierdurch entsteht ein Abstand 6 zwischen der Strukturierung 1 des Bauteils 2 und der Oberflächengeometrie 3 des Werkzeugs 4.
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In 5c ist dargestellt, wie das Werkzeug 4 in einem Entformungswinkel 7 relativ zu dem Bauteil 2 bewegt wird um das Bauteil 2 aus dem Werkzeug 4 zu entformen. Hierbei beschreibt der Entformungswinkel 7 einen Winkel einer Relativbewegung des Werkzeugs 4 zum Bauteil relativ zu einer Senkrechten 10, welche auf eine durch die Oberfläche des Bauteils im Bereich der Strukturierung 1 gebildete Ebene lotrecht steht. Somit wird das Werkzeug 4 im Bereich der Strukturierung 1 im Entformungswinkel 7 relativ zu der Senkrechten 10 zum Entformen des Bauteils 2 aus dem Werkzeug 4 in einer Entformungsrichtung 8 bewegt.
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In 5d ist das aus dem Werkzeug 4 entformte Bauteil 2 mit der Strukturierung 1 dargestellt, wobei das Bauteil 2 von dem Werkzeug 4 weiter entfernt ist. Wie in 5c erkannt werden kann, kann beim Entformen des Bauteils 2 aus dem Werkzeug 4 in einem Gefahrenbereich 9 eine Kollision zwischen der Strukturierung 1 des Bauteils 2 und dem Werkzeug 4 auftreten. Eine Kollisionsgefahr in dem Gefahrenbereich 9 ist abhängig von dem Entformungswinkel 7. Somit ist der Entformungswinkel 7 insbesondere derart zu wählen, dass eine Kollisionsgefahr im Gefahrenbereich 9 besonders gering ist. Bei ausgewählter an dem Bauteil 2 zu formender Strukturierung 1 kann der Entformungswinkel 7 im Rahmen eines Planungsverfahrens in Abhängigkeit von der ausgewählten zu formenden Strukturierung 1 ermittelt werden. Ist hingegen der Entformungswinkel 7 vorgegeben, so kann eine Geometrie der Strukturierung 1 in Abhängigkeit von dem ausgewählten Entformungswinkel 7 angepasst werden um eine Kollision zwischen der Strukturierung 1 und dem Werkzeug 2 im Gefahrenbereich 9 zu vermeiden.
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In 1 sind unterschiedliche maximale Entformungswinkel 14 für die Strukturierung 1 des Bauteils 2 bei unterschiedlichen Schwindungen 5 des Bauteils 2 während des Formens der Strukturierung 1 dargestellt. So ist ein maximaler Entformungswinkel 14 bei einer Schwindung 5 von 0 Prozent kleiner als ein maximaler Entformungswinkel 14 bei einer Schwindung 5 von 3 Prozent. In 1 sind für die jeweiligen Schwindungen 5 jeweils maximale Entformungswinkel 14 dargestellt, wobei zum Entformen des Bauteils 2 von dem Werkzeug 4 als Entformungswinkel 7 ein Winkel zwischen der Senkrechten 10 und dem jeweils maximalen Entformungswinkel 14 wählbar ist. Der Entformungswinkel 7 kann alternativ oder zusätzlich in Abhängigkeit von einer Narbtiefe 11 der Strukturierung 1 beziehungsweise der Narbung ermittelt werden. Hierbei beschreibt die Narbtiefe 11 eine Tiefe der Strukturierung 1 von einer durch eine Oberfläche des Bauteils 2 im Bereich der Strukturierung 1 gebildeten Ebene bis zu einem höchsten beziehungsweise tiefsten Punkt der Strukturierung 1. Soll eine Strukturierung 1 mit einer definierten Länge und Breite an einer Oberfläche des Bauteils 2 geformt werden, so kann bei ausgewähltem Entformungswinkel 7 die Narbtiefe 11 in Abhängigkeit von dem Entformungswinkel 7 angepasst werden. Die Prozentangaben der Narbtiefe 11 beschreiben vorliegend ein Verhältnis der Tiefe der Strukturierung 1 nach der Anpassung in Abhängigkeit von dem Entformungswinkel 7 zu einer Tiefe der Strukturierung 1 vor der Anpassung in Abhängigkeit von dem Entformungswinkel 7.
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Im Rahmen eines Planungsverfahrens für die Herstellung des strukturierten Bauteils 2 wird die an der Oberfläche des Bauteils 2 zu formende Strukturierung 1 ausgewählt und bei dem Planungsverfahren wird mittels einer Recheneinrichtung 12 in Abhängigkeit von der Geometrie der ausgewählten Strukturierung 1 der Entformungswinkel 7 ermittelt, unter welchem das Werkzeug 4 nach dem Formen der Strukturierung 1 relativ zu der Oberfläche bewegbar ist. Der Entformungswinkel 7 kann in Abhängigkeit von einer Werkzeuggeometrie des Werkzeugs 4, insbesondere in Abhängigkeit von der Oberflächengeometrie 3 des Werkzeugs 4, ermittelt werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Entformungswinkel 7 in Abhängigkeit von einer während der Formung zu erwartenden Geometrieänderung des Strukturierung 1, insbesondere der Schwindung 5 ermittelt werden. Die Schwindung 5 wiederum kann von einem zur Herstellung des Bauteils 2 verwendeten Material sowie von einer Wandstärke des Bauteils 2 abhängen.
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In den 2a und 2b ist in jeweiligen schematischen Schnittansichten das in dem Werkzeug 4 aufgenommene Bauteil 2 dargestellt, wobei das Bauteil 2 bei der in 2a gezeigten Darstellung eine Schwindung von 0 Prozent aufweist und bei der in 2b gezeigten Darstellung eine Schwindung von größer 0 Prozent aufweist. Zum Entformen des Bauteils 2 aus dem Werkzeug 4 wird das Bauteil 2 in einem Entformungswinkel 7, welcher kleiner/gleich dem maximalen Entformungswinkel 14 ist, aus dem Werkzeug 4 entnommen. Wie in den 2a und 2b erkannt werden kann, ist der maximale Entformungswinkel 14 direkt proportional zur Schwindung 5. Das bedeutet, dass je größer die Schwindung 5 ist, desto größer ist der maximale Entformungswinkel 14. Der maximale Entformungswinkel 14 und die Senkrechte 10 spannen einen Entformungswinkelbereich 15 auf, in welchem der Entformungswinkel 7 gewählt werden kann.
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In den 3a und 3b ist die Strukturierung 1 schematisch und perspektivisch dargestellt, wobei unterschiedliche Bereiche einer Oberfläche der Strukturierung 1 unterschiedlich gekennzeichnet sind. Die unterschiedliche Kennzeichnung betrifft in 3a eine in dem jeweiligen Bereich maximal realisierbare Narbtiefe 11. Beim Planungsverfahren können der Entformungswinkel 7 und somit die Entformungsrichtung 8 vorgegeben sein, wobei die Geometrie der Strukturierung 1 hinsichtlich der in jeweiligen Bereichen für die vorgegebene Entformungsrichtung 8 realisierbare Narbtiefen 11 analysiert werden kann. Nach der Analyse der unterschiedlichen Bereiche der Geometrie der Strukturierung 1 können somit die jeweiligen Bereiche in Abhängigkeit von der für den jeweiligen Bereich maximal möglichen realisierbaren Narbtiefe 11 angepasst werden.
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In 3b sind unterschiedliche Bereiche der Geometrie der Strukturierung 1 hinsichtlich einem im jeweiligen Bereich realisierbaren maximalen Entformungswinkel 14 unterschiedliche gekennzeichnet. Hierbei ist die Geometrie der Strukturierung 1 vorgegeben und die jeweiligen maximal umsetzbaren Entformungswinkel 14 in den jeweiligen Bereichen sind entsprechend gekennzeichnet. Um eine Kollision der Strukturierung 1 mit dem Werkzeug 4 zu vermeiden, ist ein Entformungswinkel 7 zu wählen, welcher höchstens dem kleinsten maximalen Entformungswinkel 14 der gesamten Geometrie der Strukturierung 1 entspricht. Ist somit in einem Bereich der Strukturierung 1 ein Entformungswinkel 7 von maximal 3 Grad realisierbar, so sollte der ermittelte Entformungswinkel 7 zwischen 0 höchstens 3 Grad liegen.
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Im Rahmen des jeweiligen Planungsverfahrens kann der Entformungswinkel 7 mittels einer in der Recheneinrichtung 12 hinterlegten Zuordnungsvorschrift 16 in Abhängigkeit von der ausgewählten Strukturierung 1 ermittelt werden.
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In 4 ist ein Verfahrensschema zum Erstellen der Zuordnungsvorschrift 16 dargestellt. In einem Messungsschritt 17 werden eine Vielzahl von Testbauteilen hergestellt und mit jeweiligen Teststrukturierungen versehen. Anschließend werden die Teststrukturierungen der jeweiligen Testbauteile im Rahmen des Messungsschritts 17 erfasst, insbesondere durch optische Erfassung. Im Anschluss daran können jeweilige Geometrien der Teststrukturierungen digitalisiert und somit in der Recheneinrichtung 12 gespeichert werden. Anhand eines jeweiligen Werkzeugs 4, welches insbesondere als Spritzgießwerkzeug ausgebildet ist, können durch Herstellung einer Vielzahl von Testbauteilen gegebenenfalls Validierungsversuche und somit jeweilige Analysen der Vielzahl von Testbauteilen, welche eine gleiche Teststrukturierung aufweisen sollen, erstellt werden.
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Nach dem Messschritt 17 können in einem Narbcharakterisierungsschritt 18 jeweilige den Teststrukturierungen zuordenbare Testentformungswinkel ermittelt werden. Die Ermittlung dieser narb- und/oder materialspezifischen maximalen Testentformungswinkel für die Teststrukturierungen kann automatisiert erfolgen. In einer Datenbank 19, welche auch als zentrale Datenablage bezeichnet wird, können die Teststrukturierungen mit den maximalen Testentformungswinkeln zugeordnet gespeichert werden. Mittels der Recheneinrichtung 12 wird aus den in der Datenbank 19 gespeicherten Daten die Zuordnungsvorschrift 16 erstellt.
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Für die Analyse der Entformbarkeit wird die Zuordnungsvorschrift 16 erstellt und das Planungsverfahren durchgeführt. Im Rahmen des Messschritts 17 werden die Teststrukturierungen, insbesondere die Narbungen, dreidimensional vermessen und digitalisiert. Moderne Messsysteme wie konfokale 3D-Laserscannermikroskope, können mit einer Auflösung von bis zu 0,5 Nanometern dabei in der Lage sein, feine Erodiernarben ausreichend genau aufzulösen.
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Bei dem Planungsverfahren kann unter Hinzunahme der Zuordnungsvorschrift 16 eine Entformungsanalyse durch einen Vergleich der Geometrie der ausgewählten Strukturierung 1 mit Restriktionen aus der Datenbank beziehungsweise mit in der Zuordnungsvorschrift 16 zugeordneten Entformungswinkeln verglichen werden. Diese Entformungsanalyse kann anschließend, wie in den 3a und 3b dargestellt ist, visualisiert werden. Um eine Entformbarkeit des Bauteils 2 der Strukturierung 1 zu ermitteln, wird somit eine Vielzahl von Testbauteilen, insbesondere Versuchskunststoffbauteilen, mit unterschiedlicher Geometrie und/oder mit unterschiedlichen Materialparametern hergestellt. Im Rahmen des Messschritts 17 werden jeweilige Geometriedaten der jeweiligen Testbauteile beziehungsweise Versuchskunststoffbauteile, insbesondere deren Narbung, erfasst. Im Rahmen des Narbcharakterisierungsschritts 18 werden jeweilige narbspezifische und/oder materialspezifische Entformungswinkel, insbesondere die maximalen Testentformungswinkel der jeweiligen Testbauteile, insbesondere Versuchskunststoffbauteile aus den Geometriedaten ermittelt, insbesondere automatisiert ermittelt. Anschließend wird die Datenbank 19 mit jeweiligen Herstellungsparametern der Testbauteile und den zugehörigen Entformungsparametern, insbesondere Entformungswinkeln, der Testbauteile erstellt.
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Für ein zu fertigendes Bauteil 2 wird ein Geometriedatensatz bereitgestellt. Darauf folgt eine automatische Analyse der Entformungsparameter des zu fertigenden Bauteils 2 anhand seiner im Geometriedatensatz definierten Geometrie und eines zu verwendenden Materials für das Bauteil 2 unter Verwendung von in der Datenbank 19 gespeicherten Parametern beziehungsweise Daten. Eine Analyse der Entformungsparameter kann unter Verwendung von künstlicher Intelligenz, insbesondere neuronaler Netzwerke erfolgen.
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Das zu fertigenden Bauteil 2 kann mit mehreren Strukturierungen 1 zu versehen sein. Im Rahmen des Planungsverfahrens werden die maximalen Entformungswinkel 14 für sämtliche Strukturierungen 1 des zu fertigenden Bauteils 2 ermittelt und in Abhängigkeit davon der Entformungswinkel 7 für das Bauteil 2 ermittelt. Dieser ermittelte Entformungswinkel 7 berücksichtigt somit sämtliche maximalen Entformungswinkel 14 der an dem Bauteil 2 zu formenden Strukturierungen 1.
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Beim Narbcharakterisierungsschritt 18 werden narb- und/oder materialspezifische kleinste maximale Entformungswinkel 14 aller Bereiche der ausgewählten Strukturierung 1 des Bauteils 2 insbesondere automatisiert ermittelt. Ausgehend von einer digitalisierten Oberflächenstruktur der Strukturierung, insbesondere der 3D-Scan, soll der narbspezifische kleinste maximale Entformungswinkel 14 ermittelt werden. Durch Schwindung 5 und/oder eine reduzierte Narbtiefe 11 kann sich der maximale Entformungswinkel 14 für die jeweilige Strukturierung 1 verändern. Der für die jeweilige Strukturierung 11 maximale Entformungswinkel 14 kann in Abhängigkeit von dem eingesetzten Kunststoff und/oder dessen Wandstärke und/oder dessen Schwindung und/oder der Geometrie der Strukturierung 1 und/oder der Tiefe der Strukturierung 1 ermittelt werden.
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Ergebnisse aus dem Narbcharakterisierungsschritt 18, im Rahmen von welchem maximale Testentformungswinkel in Abhängigkeit von dem Kunststoff und/oder der Wandstärke und/oder der Narbe ermittelt worden sind, sind in der Datenbank 19 gespeichert. Dabei können in der Datenbank 19 sowohl unterschiedliche Strukturierungen 1, insbesondere Narbungen, als auch unterschiedliche Kunststofftypen verwaltet werden. Inhalte der Datenbank 19 sind insbesondere die exakte 3D-Geometrie der Teststrukturierungen und der aus den Teststrukturierungen ausgewählten zu formenden Strukturierung 1 und/oder Grenzwerte für die Entformbarkeit und somit der jeweilige kleinste für die jeweilige Strukturierung 1 realisierbare maximale Entformungswinkel 14 und/oder Kunststoffkennwerte, wie eine Volumenschwindung. Über eine geeignete Schnittstelle können Inhalte der Datenbank 19 für die Recheneinrichtung 12 zur Erstellung der Zuordnungsvorschrift 16 bereitgestellt werden.
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Dem beschriebenen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass strukturierte Oberflächen, insbesondere Narbungen, ein wichtiges Designmerkmal von Kunststoffbauteilen im Fahrzeuginterieur und auch im Fahrzeugexterieur sind. Unterschiedliche Narbungen, insbesondere Ledernarben, technische Narben et cetera, erfordern bei einer Bauteilauslegung und Werkzeugauslegung eine rechtzeitige Berücksichtigung von spezifischen Anforderungen. Diese Anforderungen sind sowohl abhängig von einer gewählten Oberflächenstruktur des Bauteils 2, insbesondere einer Narbtiefe und/oder einer Hauptentformrichtung, als auch von eingesetzten Kunststoffen zur Bauteilherstellung. Insbesondere eine richtige Auswahl des Entformungswinkels 7 ist bei der Bauteilauslegung entscheidend. Da der Entformungswinkel 7 einen entscheidenden Einfluss auf einen Realisierung eines Fahrzeugdesigns haben kann, sind belastbare Vorgaben zu einem frühen Zeitpunkt im Fahrzeugentwicklungsprozess von hoher Bedeutung. Stand heute liegen jedoch ausschließlich auf Erfahrung basierende Informationen bezüglich Narbanforderungen vor und eine Werkzeugauslegung und Bauteilauslegung wird nicht durch Simulationsmodelle unterstützt.
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In Abhängigkeit von einer spezifischen Narbung und einem eingesetzten Kunststoff des Bauteils 2 werden Vorgaben an ein Design, welches auch als Strak bezeichnet werden kann, und die Bauteilauslegung des Bauteils 2 gestellt. Diese Vorgaben beinhalten in der Regel einen kleinsten maximalen Entformungswinkel 14 der Geometrie der Strukturierung 1. Ein Einsatz geeigneter Simulationsmethoden für eine exakte Analyse der Entformbarkeit genarbter Kunststoffbauteile bietet das Potential eine Werkzeugentwicklung und eine Bauteilentwicklung durch eine schnelle und automatisierte Analyse zu verbessern und zu verkürzen. Gleichzeitig kann die Werkzeugauslegung und damit eine Bauteilqualität durch besonders präzise Aussagen in einer frühen Phase vorteilhaft beeinflusst werden.
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Mit Hilfe des im Zusammenhang mit den Figuren beschriebenen Planungsverfahrens soll die Ermittlung der Entformbarkeit verschiedener Strukturierungen 1 unterschiedlicher Bauteile 2 bereits in einer besonders frühen Design-/Konstruktionsphase erfolgen. Mittels der Planungsverfahren ist unter Berücksichtigung der Strukturierung 1, welche als digitalisierte Oberflächenstruktur erfasst werden kann, und/oder einer Bauteilgeometrie des Bauteils 2 und/oder von Materialeinflüssen und/oder Prozesseinflüssen eine automatisierte Aussage zur Herstellbarkeit möglich.
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Zum Herstellen des Bauteils 2 wird, wie in den 5a bis 5d erkannt werden kann, im Rahmen eines Spritzgießverfahrens eine heiße Kunststoffschmelze eines Kunststoffs unter hohem Druck in eine Kavität des Werkzeugs 4 gespritzt. Die Kavität inklusive der dort eingebrachten Oberflächengeometrie 3 wird vollständig mit der Kunststoffschmelze gefüllt, wie in 5a erkannt werden kann. Während der anschließenden Abkühlung schwindet der Kunststoff, sodass die Strukturierung 1 wie in 5b erkannt werden kann, teilweise entformt wird. Ein Schwindungsverhalten ist abhängig vom Kunststoff und von dessen Verarbeitung, insbesondere einer Werkzeugtemperatur oder einem Nachdruck. Nachdem der Kunststoff auf Entformungstemperatur abgekühlt ist, wird das Werkzeug 4 geöffnet und das Bauteil 2 wird vollständig entformt, wie in den und erkannt werden kann. Für eine defektfreie Entformung des aus dem Kunststoff gebildeten Bauteils 2 sollte es zu keiner Kollision zwischen der strukturierten Bauteiloberfläche des Bauteils 2, insbesondere der genarbten Kunststoffoberfläche, und dem Werkzeug 4 kommen.
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Im Rahmen des Planungsverfahrens kann das Bauteil schnell und einfach hinsichtlich seiner Entformbarkeit untersucht werden. Als erstes wird die Bauteilgeometrie in die Recheneinrichtung 12 eingelesen. Anschließend wird die Strukturierung 1, welche an der Oberfläche des Bauteils 2 zu formen ist, definiert. Hierfür kann die Strukturierung 1 ausgewählt und deren Narbtiefe 11 für die Recheneinrichtung 12 bereitgestellt werden. Anschließend können Werkzeugspezifikationen, wie die Entformungsrichtung 8 oder eine Art des Werkzeugs 4, insbesondere ein Schieber, sowie eine Definition des Kunststoffs für die Recheneinrichtung 12 bereitgestellt werden. Anschließend kann mittels der Recheneinrichtung 12 die Schwindung 5 des Bauteils 2 automatisch berechnet werden, insbesondere durch eine Multiplikation der Wandstärke des Bauteils 2 mit Schwindungswerten aus der Datenbank 19. Ergebnisse dieser Entformungsanalyse können visualisiert werden, wobei Bereiche der Geometrie der Strukturierung 1 in Abhängigkeit von deren Entformbarkeit eingefärbt werden können. Alternativ oder zusätzlich kann im Rahmen der Visualisierung eine für die Strukturierung 1 in jeweiligen Bereichen realisierbare Narbtiefe 11 dargestellt werden. Alternativ oder zusätzlich kann über eine Einfärbung unterschiedlicher Bereiche in der Visualisierung ein jeweiliger für den Bereich maximaler Entformungswinkel 14 auf der Oberfläche der Strukturierung 1 dargestellt werden. Bei dem Verfahren können Bereiche einer Kernaufschwindung ermittelt werden und für die Entformung hinsichtlich ihres jeweiligen Entformungswinkels entsprechend berücksichtigt werden. Unter der Kernaufschwindung ist zu verstehen, dass im Herstellprozess Teilbereiche des Bauteils auf das Werkzeug aufschwinden beziehungsweise während des Schwindens an das Werkzeug angepresst werden. Für die Entformung wird entsprechend der Kernaufschwindung ein angepasster Entformungswinkel benötigt. Hierbei kann bei Kernaufschwindung aufweisenden Bereichen ein beispielsweise um den Faktor 3 kleinerer Entformungswinkel erforderlich sein.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine Software zur Narbdefinition geschaffen werden kann.
