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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Faserverbundhalbzeug nach dem Anspruch 8, das bei dem Herstellungsverfahren verwendbar ist.
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Die Herstellung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen erfolgt mit Hilfe von Faserhalbzeugen. In einem gattungsgemäßen Verfahren weist ein Faserverbundhalbzeug zumindest eine mit Matrixmaterial vorimprägnierte Faserlage auf. Diese wird im Prozessverlauf mittels einer Handhabungseinheit halb- oder vollautomatisch zwischen Arbeitsstationen transferiert und in einem Einlege-Prozessschritt in ein Werkzeug (zum Beispiel ein Umformwerkzeug) einer Formgebungsstation eingelegt bzw. darin drapiert. Das im Umformwerkzeug eingelegte Faserverbundhalbzeug kann beispielhaft einem Drapier- und Konsolidiervorgang unterworfen werden, und zwar unter Herstellung des faserverstärkten Kunststoffbauteils.
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Das Faserverbundhalbzeug ist in der oben skizzierten Prozessabfolge mit Hilfe herkömmlicher Handhabungseinheiten, etwa Transfereinheiten bzw. Drapiereinheiten, nur mit fertigungstechnisch hohem Aufwand handhabbar oder drapierbar.
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Aus der
DE 10 2015 114 041 A1 ist ein Faser-Verbund-Kunststoff-Rotor für eine Elektromaschine sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung bekannt. Aus der
EP 1 522 827 A1 ist ein magnetisch-induktives Messgerät bekannt. Aus der
US 2015/0174832 A1 ist ein Verfahren zur automatisierten Herstellung einer räumlichen Struktur aus faserverstärktem Kunststoff bekannt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils sowie ein Faserverbundhalbzeug bereitzustellen, das im Vergleich zum Stand der Technik in einer Großserienfertigung einfacher und kostengünstiger handhabbar ist.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 oder des Anspruches 8 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Gemäß Anspruch 1 weist das Faserverbundhalbzeug magnetisierbare oder magnetische Bestandteile auf. Beim Transfer- oder Drapiervorgang kann die Handhabungseinheit unter Ausübung einer Magnetkraft mit den magnetisierbaren Bestandteilen des Faserverbundhalbzeuges zusammenwirken und beispielhaft eine magnetische Haltekraft auf das Faserverbundhalbzeug ausüben, wodurch die Transfer- und Drapiervorgänge während des Herstellungsprozesses fertigungstechnisch einfach durchführbar sind.
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Die Erfindung geht von dem Sachverhalt aus, dass herkömmliche Faserverbundhalbzeuge im formstabilen Zustand nur schwer handhab- und drapierbar sind. Ein erfindungsgemäßes Faserverbundhalbzeug ist dagegen magnetisierbar ausgeführt. Das Faserverbundhalbzeug kann daher sowohl magnetisch gehandhabt und transportiert als auch in ihrer Formung durch magnetische Anziehung bzw. durch Ausnutzung der Reluktanzkraft unterstützt werden. In der Anwendung ist die Kombination mit einer zusätzlichen hohen elektrischen Leitfähigkeit zu präferieren, da damit auch gleichzeitig ein EMV-Schutz im späteren Endbauteil (das heißt fertiggestelltes faserverstärktes Kunststoffbauteil) realisierbar ist. Das erfindungsgemäße Faserverbundhalbzeug kann durch unterschiedliche Methoden magnetisiert werden.
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Die magnetische Wirkung kann entweder durch magnetische Partikel, Fasern etc. im Granulat (das heißt Ausgangskomponente des Matrixmaterials) erzeugt werden oder aber durch Partikel im FVK-Matrix-Werkstoff, die erst nach der Herstellung des Halbzeugs durch einen Magnetisierprozess magnetisch werden. Für die Ausnutzung der Reluktanzkraft ist eine Magnetisierung nicht zwingend notwendig, da beispielsweise Eisenpartikel die Induktion im Magnetfeld verstärken und somit auch eine Anziehungskraft erzielen. Eisen reagiert sehr stark auf Magnete. Für das Verständnis des Wirkmechanismus sind die Bestandteile der einzelnen Atome zu betrachten: Diese haben einen sogenannten Spin und rotieren um sich selbst. Diese Drehung produziert ein magnetisches Moment, wodurch die Atome als Mini-Magneten wirken. Wenn man einen Magneten an das Eisen hält, richten sich die Mini-Magnete aus, ähnlich einer Kompassnadel im Erdmagnetfeld. Eisen enthält bereits ohne äußeres Magnetfeld Bereiche, die magnetisch gleich ausgerichtet sind, sogenannte magnetisierte Domänen. Viele solcher Domänen liegen mit verschiedenen Ausrichtungen nebeneinander. Beim Kontakt mit dem großen (Elektro-} Magneten richten sich alle gleich aus, und das Eisen wird angezogen. Physikalisch erfolgt eine Magnetisierung von Metallen durch die Ausrichtung von sogenannten Blochwänden. Die Blochwände sind „Trennelemente“ von sog. Weiß'schen Bezirken. Die Blochwände liegen in einem unmagnetisierten Eisen oder ferromagnetischen Stahl (oder vergleichsweise Metalle) unorientiert gemäß einer stochastischen Verteilung vor. Solange diese Blochwände nicht orientiert sind, ist das Metall unmagnetisch. Werden diese Blochwände im Werkstück wiederum einem starken Magnetfeld ausgesetzt, richten diese sich demgemäß aus und das Werkstück wird magnetisch.
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Eine Entmagnetisierung erfolgt, wenn das magnetisierte Werkstück oberhalb der Marie-Curie-Temperatur ausgesetzt wird. Hierbei re-orientieren sich die Blochwände wieder und eine Entmagnetisierung erfolgt. Auch ein Sturz kann dieses erzwingen. Die Bauteile können daher nicht „aktiv“ entmagnetisiert werden, da die Marie-Curie-Temperatur > 700°C ist und dabei die üblichen Kunststoffe thermisch degradiert und pyrolytisch zersetzt werden.
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Der Vorteil der nachträglichen Magnetisierung der FVK-Bauteile liegt in der Herstellung eines Compounds für das Spritzgießen. Eine hohe Füllmenge magnetischer bzw. magnetisierbarer Partikel, insbesondere im Compoundierprozess, kann aufgrund der hohen Scherraten zu einem unkontrollierten Verpuffungsereignis führen. Zudem erschweren die bereits magnetisierten Partikel eine ausreichende Homogenisierung bei der Compoundierung. Ohne Verdünnung des Compounds durch Rohpolymer ist der Werkstoff nicht ausreichend gut zu verarbeiten. Eine Einbringung von unproblematischen (metallischen) Anteilen im Compound, die erst nachträglich zur Thermoplastverarbeitung magnetisiert werden könnten, böte entsprechende Vorteile.
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Das Faserverbundhalbzeug kann einen Lagenaufbau bestehend aus übereinander geschichteten UD-Tapes aufweisen. UD-Tapes sind Verbundwerkstoffe auf Basis unidirektional ausgerichteter Verstärkungsfasern mit thermoplastischer Faser-Schlichte und Matrix. Alternativ dazu kann das Faserverbundhalbzeug Organobleche aufweisen. Organobleche sind endlosfaserverstärkte Laminate mit thermoplastischer Matrix. Sie können aus UD-Tapes durch verschieden ausgerichtetes Übereinanderlegen (Gelege) oder durch thermoplastisch infiltrierte Gewebelagen oder durch unverwebte Fasern in einer thermoplastischen Matrix als „Bleche“ hergestellt werden.
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Die Lösung des technischen Problems erfolgt durch einen Lagenaufbau des Faserverbundhalbzeugs, zum Beispiel durch Übereinanderlegen von UD-Tapes mit einer aus matrixwerkstoff-ähnlichen Folie, welche wiederum mit magnetisierbaren bzw. Magnetfeld verstärkenden Partikeln (zum Beispiel Eisen) beschichtet ist. Beispielsweise könnte ein Halbzeug dann aufgebaut sein aus 0°-90°-UD-Tape und dazwischen liegender Folie, zum Beispiel PAG-Folie. Je nach Erfordernis, können mehrere Tapelagen übereinander erfolgen, mit je nach Bedarf jeweiliger Zwischenlage der Partikelbeschichteten Folien. Um eine Abschirmwirkung zusätzlich zu erzeugen, kann zusätzlich eine Metallvlieslage eingelegt werden. Die Partikel, können flächig oder auch nur lokal aufgebracht werden. Anstelle einer Metallvlieslage können auch ähnliche Zwischenlagen mit metallischen Eigenschaften verwendet werden. Grundsätzlich sind auch metallische Folien denkbar, die jedoch beim Drapiervorgang an komplexen Geometrien reißen könnten.
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Wird ein Tape mit den Partikeln ins Elektromagnetfeld eingebracht, steigt die Induktivität und somit die Reluktanzkraft. Das Tape richtet sich nach der Reluktanzkraft im Magnetfeld im Werkzeug aus. Das Wirkprinzip funktioniert dann ähnlich zu einem „Schrottgreifer“ (Hubgreifer}, das heißt ein Elektromagnet. Der Elektromagnet ist ein stromdurchflossener Leiter, der ein Magnetfeld in seiner Umgebung verursacht. Die Lenz'sche Regel besagt sinngemäß, dass eine Kraft oder Bewegung so gerichtet ist, dass sie ihrer Ursache - in diesem Fall dem Stromfluss - entgegenwirkt. Folglich ist ein Magnetkreis um eine stromdurchflossene Spule bestrebt, seinen magnetischen Widerstand zu verringern und auch Luftspalte zu schließen: Dadurch erhöht sich die Induktivität, und in der Spule wird eine Spannung induziert, die die gleiche Polarität wie die Speisespannung hat - der Strom verringert sich während des Zueinander-Bewegens der Eisenteile des Magnetkreises.
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Das Tape wird somit durch Aufbringung von Partikeln/Fasern auf einer Kunststofffolienlage modifiziert und kann analog zu bestehenden Taperollen hergestellt werden. Eine Änderung der Tapematrix ist somit nicht zwingend erforderlich. Im Kalander muss das Tape dann mittels Folie und Partikeln beschichtet und aufgerollt werden. Anschließend können die Tapeabschnitte normal wie andere Tapes weiterverarbeitet werden.
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Ein solches Tape bietet die folgenden Vorteile: Zunächst kann die Handhabung und der Transport des Tapes durch (schaltbare) Elektromagneten erfolgen. Ein spezieller Greifer ist am Endeffektor nicht nötig, dies spart Kosten und ist auch zuschnittsflexibel. Die Berechnung der „Greif-“ bzw. Haltekraft ist überschlägig möglich in Abhängigkeit des Spulenstroms und der Tapelage. Ferner kann das Tape auch „vordrapiert“ werden, indem die abzubildende Werkzeugform schaltbar magnetisch (durch Spule erzeugtes Magnetfeld) ist. Die Tapes legen sich beim Ablegen auf der Werkzeugform somit selbstständig an die Werkzeugoberfläche an. Ein (im Stand der Technik in der Regel notwendiges und erfolgendes) „Heften“ oder lokales „Verschweißen“ der Tapes ist daher nicht mehr erforderlich. Auch dies kann durch nur lokal vorliegende Partikel auch nur in Teilbereichen des Tapes umgesetzt werden. Weiterhin vorteilhaft ist, dass Prozesszeiten einsparbar sind, da das Tape, auch bei komplexen Formen, direkt im Werkzeug abgelegt werden kann. Somit werden auch komplexere 3D-Geometrien realisierbar.
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Die zusätzlich erforderliche Abschirmwirkung kann durch zwei Maßnahmen erzeugt werden: Erstens wird das Faserverbundhalbzeug durch die eingebrachten Partikel/Fasern leitfähig und kann es dadurch Feldlinien eines umgebenden Magnetfeldes in Feldlinienrichtung zwingen. Wenn ein Magnetfeld mit Metallen umgeben wird, die mit möglichst beweglichen Leitungselektronen ausgestattet sind, so entsteht die Lorentz-Kraft und die Elektronen bewegen sich um die magnetischen Feldlinien herum. Dabei werden Kreisströme generiert, sodass sich ein zweites, entgegengesetzt gepoltes Magnetfeld bildet und eine Abschirmung entsteht. Sind zweitens die Faserverbundhalbzeuge selbst magnetisiert worden, unterliegen sie einem abschirmenden Magnetfeld, das dem ursprünglichen entgegensteht.
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Zusammenfassend weist das erfindungsgemäße Faserverbundhalbzeug die folgenden Vorteile auf, wonach die Handhabung vereinfacht ist und eine effektive Drapierbarkeit durch Direktablage erzielbar ist. Das heißt es ist kein Fügen durch zum Beispiel einen „Löt“- oder „Heft-“ oder „Ultraschallschweiß“-Schritt notwendig. Zudem erfolgt ein integrierter EMV Schutz über breites Frequenzband, deren Stärke variabel ist, je nach Partikel/Vlies. Ferner ergibt sich eine bessere Verarbeitbarkeit als bei magnetischen Compounds, was zu einer Gefahrenreduktion gegenüber Werker in der Produktion (Verpuffung, Brandgefahr) führt.
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Nachfolgend sind relevante Erfindungsaspekte im Einzelnen hervorgehoben: So können in einer technischen Umsetzung die magnetisierbaren Bestandteile magnetische Partikel oder Fasern sein. Die magnetisierbaren Bestandteile des Faserverbundhalbzeugs können in einer Ausführungsvariante erst nach Herstellung des Faserverbundhalbzeugs in einem separaten Magnetisierprozess magnetisiert werden.
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Die magnetisierbaren Bestandteile können in unterschiedlicher Weise in das Faserverbundhalbzeug eingebracht werden: So kann zur Herstellung des Faserverbundhalbzeugs die noch trockene Faserlage in einem Imprägnier-Schritt mit einer Matrix-Ausgangskomponente vorimprägniert werden. In diesem Fall können die magnetisierbaren Bestandteile noch vor dem Vorimprägnier-Schritt mit der Matrix-Ausgangskomponente durchmischt werden. In diesem Fall wird also die mit magnetisierbaren Bestandteilen durchsetzte Matrix-Ausgangskomponente im Imprägnier-Schritt in die Faserlage infiltriert.
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Alternativ dazu können die magnetisierbaren Bestandteile (das heißt magnetisierbare Partikeln oder Fasern) in einem Material einer Trägerfolie eingebettet werden. In diesem Fall kann das Faserverbundhalbzeug als ein Lagenaufbau bereitgestellt werden, der aus zumindest einer mit der Matrix-Ausgangskomponente vorimprägnierten Faserlage und aus der magnetisierbaren Trägerfolie aufgebaut ist. Bevorzugt können das Folienmaterial und die Matrix-Ausgangskomponente materialgleich oder zumindest materialähnlich ausgelegt sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsvariante kann das Faserverbundhalbzeug eine EMV-Schutzwirkung aufweisen. Die EMV-Schutzwirkung kann beispielhaft durch die magnetisierbaren Bestandteile bewirkt werden. Alternativ dazu kann die EMV-Schutzwirkung durch eine zusätzliche EMV-Lage im Lagenaufbau des Faserverbundhalbzeugs realisiert werden.
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In einer konkreten Ausführung kann der Lagenaufbau des Faserverbundhalbzeugs zumindest ein Dreilagenaufbau sein, und zwar mit zwei vorimprägnierten Faserlagen, die jeweils die äußeren Deckschichten bilden, und mit einer magnetisierbaren Trägerfolie als Zwischenschicht. Die beiden Deckschichten des Dreilagenaufbaus können bevorzugt UD-Tapes mit jeweils gleichgerichteten Fasern sein. Die Faserausrichtungen der beiden UD-Tapes kann zueinander versetzt sein.
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Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 bis 4 unterschiedliche Ausführungsbeispiele eines magnetisierbaren Faserhalbzeugs;
- 5 eine Ansicht, anhand der eine Prozessabfolge zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils veranschaulicht ist.
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In der 1 ist in perspektivischer Darstellung ein Dreilagenaufbau eines magnetisierbaren Faserverbundhalbzeugs 1 gezeigt. Der Dreilagenaufbau weist in der 1 als obere Deckschicht eine Trägerfolie 3 mit magnetisierbaren Partikeln 15, als Zwischenschicht ein UD-Tape 5 sowie als untere Deckschicht ein weiteres UD-Tape 5 auf. Alternativ dazu weist in der 2 das magnetisierbare Faserverbundhalbzeug 1 einen Fünflagenaufbau auf, bei dem insgesamt vier UD-Tapes 5 sowie eine magnetisierbare Trägerfolie 3 übereinandergestapelt sind, wobei die magnetisierbare Trägerfolie 3 im Fünflagenaufbau eine Zwischenlage bildet.
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In der 3 weist das Faserverbundhalbzeug 1 einen Zweilagenaufbau auf, und zwar bestehend aus der magnetisierbaren Trägerfolie 1 und einem UD-Tape 5. Das Faserverbundhalbzeug 1 ist in der 3 als eine Endlosbahnware bereitgestellt, die auf einer Wickelspule 7 aufgewickelt ist.
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In der 4 ist ein weiteres Faserhalbzeug mit einem Vierlagenaufbau angedeutet, bestehend aus zwei UD-Tapes 5, einer magnetisierbaren Trägerfolie 3 und einer EMV-Lage 17. Demzufolge weist jedes der beiden UD-Tapes 5 als Faserlage unidirektional ausgerichtete Endlosfasern 9 auf, die mit einer Matrix-Ausgangskomponente 11 vorimprägniert sind. Die als Zwischenschicht realisierte magnetisierbare Trägerfolie 1 ist in der 4 aus einem Folienmaterial 13 ausgebildet, in dem magnetisierbare Partikel 15 oder Fasern eingebettet sind. Das Folienmaterial 13 ist bevorzugt materialgleich oder materialähnlich mit der Matrix-Ausgangskomponente 11 der beiden UD-Tapes 5. In den beiden UD-Tapes 5 sind die Endlos-Verstärkungsfasern 9 jeweils gleichgerichtet. Die Faserausrichtungen in den beiden UD-Tapes 5 sind zueinander um 90° versetzt.
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Anhand der 5 wird ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils 19 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel beschrieben. In der 5 sind die Prozessstationen I bis V zur Herstellung des faserverstärkten Kunststoffbauteils 19 insoweit dargestellt, als es für das Verständnis der Erfindung erforderlich ist. Demzufolge werden in einer Fertigungsstation I zunächst exemplarisch zwei noch trockene Faserlagen 9 in einem kontinuierlichen Prozess auf ein Endlostransportband 21 gebracht. Die so gebildete textile Lagenstruktur 23 wird in einem Vorimprägnier-Schritt mit einer Matrix-Ausgangskomponente 11 eines reaktiven thermoplastischen Matrixmaterials, etwa Lactam, durchtränkt, und zwar unter Wärmebeaufschlagung 25 bei einer Temperatur unterhalb der Starttemperatur für eine Polymerisation der Matrix-Ausgangskomponente 11 des reaktiven thermoplastischen Matrixmaterials.
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Wie in der 5 angedeutet ist, weist die Fertigungsstation I ein Reservoir 22 auf, in dem magnetisierbare Partikel 15 gelagert sind. Diese werden mit der Matrix-Ausgangskomponente 11 durchmischt, und zwar vor Durchführung des Vorimprägnier-Schrittes. Im Imprägnier-Schritt durchtränkt daher die mit den magnetisierbaren Partikeln 15 durchsetzte Matrix-Ausgangskomponente 11 die beiden Faserlagen 9.
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Im weiteren Prozessverlauf wird die vorimprägnierte textile Lagenstruktur 23 in einer Kühleinheit 27 konsolidiert sowie in einer nachfolgenden Schneidstation II zu einzelnen vorimprägnierten Faserverbundhalbzeugen 1 konfektioniert.
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Die konfektionierten Faserverbundhalbzeuge 1 werden mittels einer Transfereinheit 29 in eine Stapelstation III transferiert und dort übereinander gestapelt und gelagert. Je nach Bedarf werden die übereinander gestapelten Faserverbundhalbzeuge 1 mittels einer weiteren Transfereinheit 29 zu einer prozesstechnisch nachgeschalteten Assemblierstation IV übertragen. In der Assemblierstation IV werden die vorimprägnierten, textilen Faserhalbzeuge 15 zugeschnitten und/oder gegebenenfalls zu einem Lagenpaket übereinander geschichtet abgelegt. Das Lagenpaket kann entsprechend von Lasterfordernissen und Geometrieanforderungen des fertiggestellten Kunststoffbauteils 19 zugeschnitten werden.
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Das in der Assemblierstation IV gebildete Lagenpaket wird mittels einer weiteren Transfereinheit 29 in ein Umformwerkzeug 31 einer Press- und/oder Tiefziehstation V eingelegt sowie darin drapiert. In dem Umformwerkzeug 31 wird das Lagenpaket auf eine Temperatur oberhalb der Polymerisationstemperatur erwärmt und gleichzeitig in die Form des herzustellenden faserverstärkten Kunststoffbauteils 19 tiefgezogen/gepresst.
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Anschließend wird das fertiggestellte faserverstärkte Kunststoffbauteil 19 mittels einer weiteren (nicht gezeigten) Transfereinheit aus dem Umformwerkzeug 31 entnommen.
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Erfindungsgemäß wirken die Transfereinheiten 29 unter Ausübung einer Magnetkraft auf das magnetisierbare Faserverbundhalbzeug, so dass bei Transfer- oder Drapiervorgängen die Transfereinheit 29 das Faserverbundhalbzeug 1 fertigungstechnisch einfach transferieren bzw. drapieren kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Faserverbundhalbzeug
- 3
- magnetisierbare Trägerfolie
- 5
- UD-Tapes
- 7
- Wickelspule
- 9
- Faserlage
- 11
- Matrix-Ausgangskomponente
- 13
- Folienmaterial
- 15
- magnetisierbare Bestandteile
- 17
- EMV-Lage
- 19
- faserverstärktes Kunststoffbauteil
- 21
- Endlostransferband
- 22
- Reservoir
- 23
- Lagenstruktur
- 25
- Heizeinheit
- 27
- Kühleinheit
- 29
- Transfereinheiten
- 31
- Umformwerkzeug
- I
- Fertigungsstation
- II
- Schneidstation
- III
- Stapelstation
- IV
- Assemblierstation
- V
- Formgebungsstation
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015114041 A1 [0004]
- EP 1522827 A1 [0004]
- US 2015/0174832 A1 [0004]
