DE102021121058A1 - Method for producing a composite component for a vehicle and composite component for a vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundbauteils (10) für ein Fahrzeug, bei dem zunächst ein Trägerteil (12) in ein Formgebungswerkzeug (24) eingelegt wird. Anschließend wird wenigstens eine Faser (16) in das Formgebungswerkzeug (24) eingebracht. Danach wird das Formgebungswerkzeug (24) geschlossen und die Faser (16) wird stoffschlüssig mit dem Trägerteil (12) verbunden. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verbundbauteil (10) für ein Fahrzeug, das mit einem derartigen Verfahren hergestellt ist.The invention relates to a method for producing a composite component (10) for a vehicle, in which a support part (12) is first placed in a shaping tool (24). At least one fiber (16) is then introduced into the shaping tool (24). The shaping tool (24) is then closed and the fiber (16) is bonded to the carrier part (12). The invention also relates to a composite component (10) for a vehicle, which is produced using such a method.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundbauteils für ein Fahrzeug sowie ein entsprechend hergestelltes Verbundbauteil für ein Fahrzeug.The present invention relates to a method for producing a composite component for a vehicle and a correspondingly produced composite component for a vehicle.
Während eines Crashs dürfen bei einer Türverkleidung eines Fahrzeugs keine scharfen Kanten Richtung Insasse oder Airbag entstehen oder Bauteile separieren, die die Insassen gefährden können. Durch die starke Intrusion während des Crashs ist die Bauteilintegrität aber oft nicht gegeben und muss durch diverse Optimierungen abgestellt werden. Ein Hauptproblem sind aufgrund der Zwangsverformungen große Biegungen und Dehnungen, wodurch das Teil bricht. Bei einer gegebenen Zwangsverformung kann auch ein noch so stabiles Material oder eine noch so stabile Konstruktion nicht zielführend sein. Oft muss der Bereich flexibel werden, was aber mit anderen Anforderungen kollidiert, wie beispielsweise der Kundenwertigkeit und/oder der Bauteilfunktion.During a crash, the door trim of a vehicle must not have any sharp edges in the direction of the occupants or the airbag, or separate components that could endanger the occupants. Due to the strong intrusion during the crash, however, the component integrity is often not given and must be remedied by various optimizations. A major problem is large deflections and strains due to the constraint, causing the part to break. With a given forced deformation, no matter how stable the material or construction, it cannot be expedient. The area often has to be flexible, but this collides with other requirements, such as customer value and/or the component function.
Zur Erhöhung der Stabilität einer Türverkleidung können Fangbänder auf der Türverkleidung integriert werden, um Bruchstücke nicht wegfliegen zu lassen. Eine derartige Konstruktion verursacht jedoch hohe Kosten. Darüber hinaus können zähe Materialien für die Türverkleidung verwendet werden, welche eine höhere Dehnung aufweisen. Dies ist jedoch nachteilig für die Haptik und die Bauteilsteifigkeit und resultiert in einem hören Gewicht und höheren Kosten.To increase the stability of a door panel, tethers can be integrated on the door panel to prevent fragments from flying off. However, such a construction causes high costs. In addition, tough materials can be used for the door panel, which have a higher elongation. However, this is disadvantageous for the feel and the component rigidity and results in increased weight and higher costs.
Eine weitere Alternative zur Erhöhung der Stabilität ist auf eine Naturfaser-Polypropylen-Matte als Trägerteil ein Fasernetz aufzupressen. Dieses Verbundbauteil hält den Verbund beim Crash aufrecht, so dass offenkantige Brüche durch Biegung nicht entstehen. Zwar reißt die Oberseite ein, aber die Fasern halten den Verbund aufrecht. Nachteilig hierbei ist, dass für die Fertigung ein Silikonstempelwerkzeug auf der Rippenseite erforderlich ist, das nur eine geringe Standzeit aufweist. Ferner erzeugen die Endlosfasern Probleme im Tiefziehvorgang.Another alternative to increase stability is to press a fiber mesh onto a natural fiber polypropylene mat as a carrier part. This composite component maintains the bond in the event of a crash, so that open-edged fractures do not occur due to bending. Although the upper side tears, the fibers maintain the bond. The disadvantage here is that a silicone stamping tool is required on the rib side for production, which only has a short service life. Furthermore, the continuous fibers create problems in the deep-drawing process.
Alternativ zum Aufpressen eines Fasernetzes kann auf eine Naturfaser-Polypropylen-Matte (NF-PP-Matte) als Trägerteil eine Rippenstruktur aufgespritzt werden. Problematisch hierbei ist, dass bei einer großen Durchbiegung, insbesondere im Fall eines sogenannten Pfahlcrashs, die Türverkleidung und die Rippen durchbrechen und nach dem Aufreißen der Träger eine scharfe Kante bilden, da das Material für die Biegung zu spröde ist. Derartige offene, scharfkantige Brüche sind nicht erlaubt, da dies eine Gefährdung für die Insassen und den Airbag darstellt.As an alternative to pressing on a fiber network, a ribbed structure can be sprayed onto a natural fiber polypropylene mat (NF-PP mat) as a carrier part. The problem here is that in the event of a large deflection, especially in the case of a so-called pole crash, the door panel and the ribs break through and form a sharp edge after the beam tears open, since the material is too brittle for the deflection. Such open, sharp-edged fractures are not permitted as they pose a risk to the occupants and the airbag.
Aus
Schließlich ist aus
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils sowie ein derartiges Verbundbauteil zu schaffen, die ein verbessertes Crashverhalten aufweisen.The present invention is based on the object of creating a method for producing a composite component and such a composite component which have improved crash behavior.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verbundbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 10 vorgeschlagen.To solve the problem, a method with the features of claim 1 and a composite component with the features of
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.Advantageous configurations of the method are the subject matter of the dependent claims.
Bei einem Verfahren zum Herstellen eines Verbundbauteils für ein Fahrzeug wird zunächst ein Trägerteil in ein Formgebungswerkzeug eingelegt. Anschließend wird wenigstens eine Faser in das Formgebungswerkzeug eingebracht, und schließlich wird das Formgebungswerkzeug geschlossen und die Faser wird stoffschlüssig mit dem Trägerteil verbunden.In a method for producing a composite component for a vehicle, a support part is first placed in a shaping tool. At least one fiber is then introduced into the shaping tool, and finally the shaping tool is closed and the fiber is bonded to the carrier part.
Durch das stoffschlüssige Verbinden der wenigstens einen Faser mit dem Trägerteil wird eine punktuelle Verstärkung des Trägerteils geschaffen. Dadurch wird im Crashfall ein scharfkantiger Bruch oder separierende Teile, die den Insassen gefährden könnten, verhindert. Somit weist das mittels dem Verfahren hergestellte Verbundbauteil ein verbessertes Crashverhalten auf. Darüber hinaus ermöglichen die Fasern neue Designmöglichkeiten für Exterieur- und oder Interieurteile eines Fahrzeuges. Beispielsweise können auf Designoberflächen im Interieur Strukturen erzeugt werden.The integral connection of the at least one fiber to the carrier part creates a punctiform reinforcement of the carrier part. In the event of a crash, this becomes a sharp-edged Breakage or separating parts that could endanger the occupants are prevented. The composite component produced using the method thus has improved crash behavior. In addition, the fibers enable new design options for exterior and/or interior parts of a vehicle. For example, structures can be created on design surfaces in the interior.
Das Verbundbauteil für ein Fahrzeug kann ein Exterieurteil oder ein Interieurteil sein. Ein Exterieurteil kann beispielsweise eine Fronthaube, eine Heckklappe oder ein Strukturbauteil, wie beispielsweise eine Fahrzeugsäule, sein. Ein Interieurteil kann eine Türverkleidung, eine Konsole oder ein Armaturenbrett sein.The composite component for a vehicle can be an exterior part or an interior part. An exterior part can be, for example, a front hood, a tailgate or a structural component such as a vehicle pillar. An interior part can be a door panel, a console or a dashboard.
Das Trägerteil kann auch als Grundbauteil bezeichnet werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Trägerteil ein Platten- beziehungsweise Mattenelement, welches in das Formgebungswerkzeug eingelegt und durch Formpressen in eine dreidimensionale Form umgeformt wird. Im Anschluss an das Formpressen kann ein Randbeschnitt des Trägerteils erfolgen. Vor dem Einlegen des Trägerteils in das Formgebungswerkzeug kann selbiges in eine Heizvorrichtung eingelegt werden, so dass das Trägerteil für den Umformprozess aufgeheizt und kalibriert wird. Anstelle des Formpressens kann das Trägerteil im Spritzgussverfahren hergestellt werden.The carrier part can also be referred to as a basic component. In an advantageous embodiment, the carrier part is a plate or mat element, which is placed in the shaping tool and formed into a three-dimensional shape by compression molding. Following the compression molding, the edge of the carrier part can be trimmed. Before the carrier part is placed in the forming tool, the same can be placed in a heating device so that the carrier part is heated and calibrated for the forming process. Instead of compression molding, the carrier part can be produced by injection molding.
Das Formgebungswerkzeug kann aus zwei Formgebungswerkzeughälften gebildet sein. Vorteilhaft erfolgt der stoffschlüssige Verbund der wenigstens einen Faser mit der Trägerteil innerhalb des geschlossenen Formgebungswerkzeuges. Das Formgebungswerkzeug kann ein Spritzgusswerkzeug sein.The forming tool can be formed from two forming tool halves. The cohesive connection of the at least one fiber to the carrier part advantageously takes place within the closed shaping tool. The shaping tool can be an injection molding tool.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird zunächst das Trägerteil bereitgestellt. Hierzu kann ein plattenförmiges Werkstück zunächst in ein Heizwerkzeug eingelegt und für den Formgebungsprozess aufgeheizt und kalibriert werden. Im noch erwärmten Zustand wird das plattenförmige Werkstück in ein Formpresswerkzeug eingelegt. Anschließend wird das Formpresswerkzeug geschlossen, und aus dem plattenförmigen Werkstück wird ein dreidimensionales Trägerteil geformt. Während oder nach dem Formpressen des Trägerteils kann ein Randbeschnitt erfolgen. Anschließend wird das Trägerteil in ein Spritzgusswerkzeug eingelegt und wenigstens eine Faser wird in das Spritzgusswerkzeug eingebracht. Hierzu kann entweder die Faser auf das Trägerteil gelegt werden, oder die Faser kann über in das Spritzgusswerkzeug eingebrachte Kanäle in das Spritzgusswerkzeug eingebracht werden. Anschließend wird die wenigstens eine Faser mit dem Trägerteil stoffschlüssig verbunden. Nach dem Verbinden kann das Spritzgusswerkzeug geöffnet und das Verbundbauteil entnommen werden. Anstelle des Tiefziehens kann das Trägerteil im Spritzgussverfahren hergestellt werden. Das dabei eingesetzte Spritzgusswerkzeug kann auch dazu verwendet werden, um die wenigstens eine Faser mit dem Trägerteil stoffschlüssig zu verbinden. Sowohl das Zuführen des Trägerteils in eine Heizvorrichtung als auch das Zuführen und Entnehmen des Trägerteils kann automatisiert mittels eines Roboters erfolgen.In an advantageous embodiment, the carrier part is provided first. For this purpose, a plate-shaped workpiece can first be placed in a heating tool and heated and calibrated for the shaping process. While still warm, the plate-shaped workpiece is placed in a compression molding tool. The compression molding tool is then closed and a three-dimensional carrier part is formed from the plate-shaped workpiece. Edge trimming can take place during or after the compression molding of the carrier part. The carrier part is then placed in an injection molding tool and at least one fiber is introduced into the injection molding tool. For this purpose, either the fiber can be placed on the carrier part, or the fiber can be introduced into the injection mold via channels introduced into the injection mold. The at least one fiber is then cohesively connected to the carrier part. After connecting, the injection molding tool can be opened and the composite component can be removed. Instead of deep-drawing, the carrier part can be produced using the injection molding process. The injection molding tool used here can also be used to materially connect the at least one fiber to the carrier part. Both the feeding of the carrier part into a heating device and the feeding and removal of the carrier part can be automated by means of a robot.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die wenigstens eine Faser durch Einspritzen von Kunststoff in das Formgebungswerkzeug stoffschlüssig mit dem Trägerteil verbunden. Der Stoffschluss kann durch Anspritzen der wenigstens einen Faser von der Faserseite erfolgen. Dies wird auch als Hinterspritzen bezeichnet. Des Weiteren kann der Stoffschluss der wenigstens eine Faser durch Durchspritzen von Kunststoff durch das Trägerteil erfolgen. Hierzu kann ein Durchgang in das Trägerteil eingebracht sein, über welchen der Kunststoff an die zu verbindende Faser geführt wird. Beim Hinterspritzen kommt der Kunststoff von oben, das heißt, von der der Faser zugewandten Seite des Trägerteils, wohingegen beim Durchspritzen der Kunststoff von unten kommt, das heißt von der der Faser abgewandten Seite des Trägerteils.In an advantageous embodiment, the at least one fiber is cohesively connected to the carrier part by injecting plastic into the shaping tool. The bond can be made by injecting the at least one fiber from the fiber side. This is also referred to as back injection. Furthermore, the material connection of the at least one fiber can be achieved by injecting plastic through the carrier part. For this purpose, a passage can be made in the carrier part, via which the plastic is guided to the fiber to be connected. With back injection, the plastic comes from above, that is, from the side of the carrier part facing the fiber, whereas with through-injection, the plastic comes from below, that is, from the side of the carrier part that faces away from the fiber.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden eine Vielzahl an Fasern in das Formgebungswerkzeug eingebracht. Dadurch kann die punktuelle Verstärkung des Trägerteils erhöht werden.In an advantageous embodiment, a large number of fibers are introduced into the shaping tool. As a result, the selective reinforcement of the carrier part can be increased.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die wenigstens eine Faser eine Endlosfaser. Eine Endlosfaser weist eine ausreichende Festigkeit auf und ist zudem kostengünstig.In an advantageous embodiment, the at least one fiber is an endless fiber. A continuous fiber has sufficient strength and is also inexpensive.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die wenigstens eine Faser in das Formgebungswerkzeug eingeblasen. Hierzu kann das Formgebungswerkzeug einen oder mehrere Kanäle aufweisen, in den oder in die wenigstens eine Faser entweder durch Luftstrom eingeblasen wird oder in den oder in die wenigstens eine Faser eingezogen wird. Wenn mehrere Kanäle in das Formgebungswerkzeug eingebracht sind, so können die Kanäle miteinander verbunden sein. Das Einblasen der wenigstens einen Faser in den Kanal oder die Kanäle des Formgebungswerkzeugs kann mittels Überdruck oder Unterdruck erfolgen. Wenn die Kanäle miteinander verbunden sind, dann sind diese mäanderförmig angeordnet.In an advantageous embodiment, the at least one fiber is blown into the shaping tool. For this purpose, the shaping tool can have one or more channels into which at least one fiber is either blown by an air stream or into which at least one fiber is drawn. If several channels are introduced into the shaping tool, the channels can be connected to one another. The at least one fiber can be blown into the channel or channels of the shaping tool by means of positive or negative pressure. If the channels are connected to one another, then they are arranged in a meandering pattern.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die wenigstens eine Faser mittels eines Roboters in das Formgebungswerkzeug eingelegt. Hierzu kann die wenigstens eine Faser unmittelbar auf dem Bauteil oder auf dem Formgebungswerkzeug mittels eines Roboters abgelegt werden. Wenn die wenigstens eine Faser unmittelbar auf dem Formgebungswerkzeug abgelegt wird, so wird die wenigstens eine Faser vorteilhaft in wenigstens einen in das Formgebungswerkzeug eingebrachten Kanal oder in mehrere in das Formgebungswerkzeug eingebrachte Kanäle abgelegt.In an advantageous embodiment, the at least one fiber is inserted into the shaping tool by means of a robot. For this purpose, the at least one fiber directly on the component or on the shaping tool by means of a be put down. If the at least one fiber is laid down directly on the shaping tool, the at least one fiber is advantageously laid down in at least one channel introduced into the shaping tool or in several channels introduced into the shaping tool.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die wenigstens eine Faser in wenigstens einen Kanal des Formgebungswerkzeugs eingebracht. Im geschlossenen Zustand des Formgebungswerkzeuges schließt sich der Kanal an das Trägerteil an.In an advantageous embodiment, the at least one fiber is introduced into at least one channel of the shaping tool. In the closed state of the shaping tool, the channel connects to the carrier part.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird ein Querschnitt des Kanals mittels eines Schiebers verändert. Der Kanal wird somit durch den Schieber begrenzt. Der Schieber kann auf das Trägerteil zubewegt oder von dem Trägerteil wegbewegt werden. Dadurch kann der Kanal, insbesondere dessen Querschnitt, vergrößert oder verkleinert werden. Vor dem Einblasen oder Einziehen in den durch den Schieber gebildeten Kanal wird der Schieber von dem Trägerteil weg bewegt, so dass ein großer Kanal erzeugt wird. Anschließend wird die wenigstens eine Faser in den Kanal eingeblasen oder eingezogen. Nach dem Einblasen oder Einziehen wird der Schieber auf die Faser beziehungsweise das Trägerteil zu bewegt und presst die Faser auf das Trägerteil. Schließlich wird die Faser stoffschlüssig mit dem Trägerteil durch Einspritzen von Kunststoff verbunden. Wenn das Formgebungswerkzeug mehrere Kanäle aufweist, dann weist jeder Kanal einen bewegbaren Schieber auf.In an advantageous embodiment, a cross section of the channel is changed by means of a slide. The channel is thus limited by the slider. The slide can be moved towards the carrier part or moved away from the carrier part. As a result, the channel, in particular its cross section, can be enlarged or reduced. Before blowing or drawing into the channel formed by the slider, the slider is moved away from the support member so that a large channel is created. The at least one fiber is then blown or drawn into the channel. After blowing in or drawing in, the slide is moved towards the fiber or the carrier part and presses the fiber onto the carrier part. Finally, the fiber is integrally connected to the carrier part by injecting plastic. If the forming tool has multiple channels, then each channel has a moveable slide.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Trägerteil aus einem Faserverbundwerkstoff. Vorteilhaft ist der Faserverbundwerkstoff ein Naturfaser-Polypropylen (NF-PP). Der Faserverbundwerkstoff kann auch ein Naturfaserbauteil sein. Ferner kann das Trägerteil ein Spritzgussteil sein.In an advantageous embodiment, the carrier part is made of a fiber composite material. The fiber composite material is advantageously a natural fiber polypropylene (NF-PP). The fiber composite material can also be a natural fiber component. Furthermore, the carrier part can be an injection molded part.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die wenigstens eine Faser eine Carbon-, Glas-, Hanf-, Kenaf- und/oder lichtleitende Faser.In an advantageous embodiment, the at least one fiber is a carbon, glass, hemp, kenaf and/or light-conducting fiber.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der zum stoffschlüssigen Verbinden der wenigstens einen Faser mit dem Trägerteil verwendete Kunststoff Polypropylen (PP) oder Acrylnitril-Butadien-Styrol-Polycarbonat (ABS-PC).In an advantageous embodiment, the plastic used to materially connect the at least one fiber to the carrier part is polypropylene (PP) or acrylonitrile butadiene styrene polycarbonate (ABS-PC).
Des Weiteren wird ein Verbundbauteil für ein Fahrzeug vorgeschlagen, das mit einem derartigen Verfahren hergestellt ist.Furthermore, a composite component for a vehicle is proposed, which is produced using such a method.
Nachfolgend werden ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils, ein Verbundbauteil sowie weitere Merkmale und Vorteile anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Figuren schematisch dargestellt sind. Hierbei zeigen:
-
1 ein Verbundbauteil mit aufgespritzter Rippenstruktur; -
2 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung des Verbundbauteils; -
3 ein Trägerteil mit einer darauf abgelegten Faser; -
4 ein Trägerteil mit einer durch Luftstrom aufgebrachten Faser; -
5 eine schematische Darstellung eine Einblasvorgangs von Fasern in Kanäle eines Spritzgusswerkzeuges und dem anschließenden stoffschlüssigen Verbinden der Fasern mit dem Trägerteil; und -
6 eine schematische Darstellung eine Einblasvorgangs einer Faser in einen Kanal eines Spritzgusswerkzeuges, der durch einen Schieber begrenzt ist, und dem anschließenden Verpressen der Faser sowie dem stoffschlüssigen Verbinden der Faser mit dem Trägerteil.
-
1 a composite component with a sprayed-on rib structure; -
2 a schematic representation of a method for producing the composite component; -
3 a support member having a fiber deposited thereon; -
4 a support member having airlaid fiber; -
5 a schematic representation of a process of blowing fibers into channels of an injection molding tool and the subsequent material connection of the fibers to the carrier part; and -
6 a schematic representation of a blowing process of a fiber into a channel of an injection molding tool, which is delimited by a slide, and the subsequent compression of the fiber and the material connection of the fiber to the carrier part.
In
Das Verbundbauteil 10 weist ein Trägerteil 12 und eine darauf aufgebrachte Rippenstruktur 14 auf.The
Das Trägerteil 12 ist aus einem Faserverbundwerkstoff, insbesondere aus Naturfaser-Polypropylen (NF-PP).The
Die Rippenstruktur 14 ist aus Fasern 16 und einem Kunststoff 18, welcher die Fasern 16 mit dem Trägerteil 12 stoffschlüssig verbindet. Die Fasern sind Endlosfasern und können Carbon-, Glas-, Hanf-, Kenaf- oder lichtleitende Fasern sein. Der Kunststoff kann Polypropylen (PP) oder Acrylnitril-Butadien-Styrol-Polycarbonat (ABS-PC) sein.The
Zur Herstellung des Verbundbauteils 10 wird, wie in
Die Fasern 16 können mittels des Roboters 20 in das Formgebungswerkzeug 24 eingelegt werden, wie dies schematisch in
Alternativ können die Fasern 16 in Kanäle 26 des Spritzgusswerkzeugs 24 eingeblasen oder eingezogen werden, wie dies in den
Wie in
In
Durch das stoffschlüssige Verbinden der Fasern 16 mit dem Trägerteil 12 wird eine punktuelle Verstärkung des Trägerteils 12 geschaffen. Dadurch wird im Crashfall ein scharfkantiger Bruch oder separierende Teile, die den Insassen gefährden könnten, verhindert. Somit weist das mittels dem Verfahren hergestellte Verbundbauteil 10 ein verbessertes Crashverhalten auf. Darüber hinaus ermöglichen die Fasern 16 neue Designmöglichkeiten für Exterieur- und oder Interieurteile eines Fahrzeuges. Beispielsweise können auf Designoberflächen im Interieur Strukturen erzeugt werden.The integral connection of the
BezugszeichenlisteReference List
- 1010
- Verbundbauteilcomposite component
- 1212
- Trägerteilcarrier part
- 1414
- Rippenstrukturrib structure
- 1616
- Faserfiber
- 1818
- Kunststoffplastic
- 2020
- Roboterrobot
- 2222
- Heizvorrichtungheating device
- 2323
- Formpresswerkzeugcompression molding tool
- 2424
- Formgebungswerkzeugshaping tool
- 2525
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- 2828
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
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- DE 102013113230 A1 [0007]DE 102013113230 A1 [0007]
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Gebken, Tobias: Integration von Endlosfasern in hybride Spritzgussbauteile. Dissertation, Technische Universität Braunschweig, 2020, Vulkan-Verlag GmbH, ISBN 978-3-8027-8359-3, Erscheinungsdatum 08.02.2021 |
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