DE102021126270A1 - Process for manufacturing a component using additive manufacturing and PUR flooding - Google Patents

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Abstract

Die vorgeschlagene Lösung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (2`), z.B. für den Innenraum eines Fahrzeugs, mit mindestens einer Sichtfläche (21, 21.1, 21.2), wobei das Verfahren wenigstens die folgenden Schritte aufweist:- Additives Herstellen eines Bauteilrohlings (2) mit wenigstens einer Grundfläche (20) für die Sichtfläche und- Herstellen der Sichtfläche (21, 21.1, 21.2) an der Grundfläche (20) des additiv hergestellten Bauteilrohlings (2) durch PUR-Fluten.The proposed solution relates to a method for producing a component (2`), e.g. for the interior of a vehicle, with at least one visible surface (21, 21.1, 21.2), the method having at least the following steps: - Additive manufacturing of a component blank (2nd ) with at least one base (20) for the visible surface and producing the visible surface (21, 21.1, 21.2) on the base (20) of the additively manufactured component blank (2) by PUR flooding.

Description

Die vorgeschlagene Lösung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mittels additiver Fertigung und PUR-Fluten.The proposed solution concerns a method for manufacturing a component using additive manufacturing and PUR flooding.

Insbesondere im Fahrzeugbereich werden zunehmend mehr Bauteile im Wege der additiven Fertigung, d.h. im Wege eines 3D-Druckverfahrens, hergestellt. Hierbei ist jedoch häufig aufgrund der physikalischen Gegebenheiten des jeweiligen Druckverfahrens eine Oberflächenqualität nicht in dem Maße realisierbar, wie sie von einem Endverbraucher in bestimmten Anwendungsbereichen erwartet und gefordert wird. So werden insbesondere bei Bauteilen für einen Fahrzeuginnenraum regelmäßig besonders hohe Anforderungen an die Oberflächenqualität an Sichtflächen gestellt, sowohl im Hinblick auf Haptik als auch Optik.In the automotive sector in particular, more and more components are being manufactured using additive manufacturing, i.e. using a 3D printing process. However, due to the physical conditions of the respective printing process, it is often not possible to achieve a surface quality that is expected and required by an end user in certain areas of application. In the case of components for a vehicle interior in particular, particularly high demands are regularly made on the surface quality of visible surfaces, both with regard to haptics and optics.

Hier wird mit dem vorgeschlagenen Herstellungsverfahrens Abhilfe geschaffen.This is remedied with the proposed manufacturing process.

So ist ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere eines Bauteils für den Innenraum eines Fahrzeugs (Fahrzeuginnenraum), vorgeschlagen, wobei das hergestellte Bauteil mindestens eine Sichtfläche umfasst - also eine im bestimmungsgemäß eingebauten Zustand des Bauteils zumindest teilweise sichtbare und gegebenenfalls auch zugängliche Fläche - und das Verfahren wenigstens die folgenden Schritte aufweist:

  • - Additives Herstellen eines Bauteilrohlings mit wenigstens einer Grundfläche für die Sichtfläche und
  • - Herstellen der Sichtfläche an der Grundfläche des additiv hergestellten Bauteilrohlings durch PUR-Fluten
A method for producing a component, in particular a component for the interior of a vehicle (vehicle interior), is proposed, the component produced comprising at least one visible surface - i.e. a surface that is at least partially visible and possibly also accessible when the component is installed as intended - and the method comprises at least the following steps:
  • - Additive manufacturing of a component blank with at least one base for the visible surface and
  • - Production of the visible surface on the base of the additively manufactured component blank by PUR flooding

Die vorgeschlagene Lösung geht damit von dem Grundgedanken aus, eine additive Herstellung eines Bauteilrohlings mit einer Herstellung wenigstens einer Sichtfläche durch zumindest teilweises Überfluten einer additiv hergestellten Grundfläche mit Polyurethan zu kombinieren. Derart kann an der 3D-gedruckten Grundfläche des Bauteilrohlings in vergleichsweise einfacher Weise eine Sichtfläche bereitgestellt werden, deren Oberfläche gegenüber der gedruckten Grundfläche abweichende funktionelle Eigenschaften aufweist, zum Beispiel hinsichtlich Haptik und Optik, aber auch mit Blick auf mechanische, thermische und/oder chemische Beständigkeit gegenüber der gedruckten Grundfläche des Bauteilrohlings verbessert ist. Derart lässt sich insbesondere bei einem additiv aus Kunststoff hergestellten Bauteilrohling eine Sichtfläche hoher Güte und insbesondere mit spezifischen Oberflächeneigenschaften, die allein im Wege des additiven Herstellungsprozesses nicht ohne weiteres erreichbar wären, einstellen.The proposed solution is based on the basic idea of combining additive manufacturing of a component blank with manufacturing of at least one visible surface by at least partially flooding an additively manufactured base surface with polyurethane. In this way, a visible surface can be provided on the 3D-printed base area of the component blank in a comparatively simple manner, the surface of which has functional properties that differ from the printed base area, for example in terms of haptics and optics, but also with regard to mechanical, thermal and/or chemical resistance is improved compared to the printed footprint of the component blank. In this way, a visible surface of high quality and in particular with specific surface properties, which would not be readily achievable solely by means of the additive manufacturing process, can be set, particularly in the case of a component blank additively manufactured from plastic.

Beispielsweise umfasst das Herstellen der Sichtfläche durch PUR-Fluten das Einlegen des Bauteilrohlings in ein Werkzeug, in dem der Grundfläche eine glatte oder strukturierte innere Mantelfläche eines Teils des Werkzeugs gegenüberliegt. Diese innere Mantelfläche eines Teils des Werkzeugs, beispielsweise eines Spritzgießwerkzeugs, gibt im Rahmen des nachfolgenden Prozesses des PUR-Flutens die mit der Sichtfläche gebildete Oberfläche vor. Über eine glatte innere Mantelfläche, d.h. eine innere Mantelfläche mit einem Mittenrauwert ≤ 0,2 µm, insbesondere ≤ 0,1 µm kann somit eine entsprechend glatte Oberfläche an der Sichtfläche hergestellt werden. Über eine strukturierte innere Mantelfläche an einem Teil des Werkzeugs kann wiederum eine entsprechend strukturierte und mithin z.B. genarbte Oberfläche an der Sichtfläche realisiert werden.For example, the production of the visible surface by PUR flooding includes the insertion of the component blank into a tool in which the base surface is opposite a smooth or structured inner lateral surface of a part of the tool. This inner lateral surface of a part of the tool, for example an injection molding tool, specifies the surface formed with the visible surface in the context of the subsequent process of PUR flooding. A smooth inner lateral surface, i.e. an inner lateral surface with a mean roughness value ≤ 0.2 µm, in particular ≤ 0.1 µm, can thus be used to produce a correspondingly smooth surface on the visible surface. In turn, a correspondingly structured and thus, for example, grained surface can be realized on the visible surface via a structured inner lateral surface on part of the tool.

Alternativ oder ergänzend kann das Herstellen der Sichtfläche durch PUR-Fluten das Einlegen des Bauteilrohlings in ein Werkzeug umfassen, aus dem das Bauteil nach einer thermischen Vernetzung des für die Herstellung der Sichtfläche in das Werkzeug eingebrachten Polyurethans entnommen wird. Dementsprechend wird mit der Entnahme des Bauteils aus dem für das PUR-Fluten vorgesehenen Werkzeug eine vorgegebene Zeitdauer gewartet, bis ein Aushärtungsprozess für das Polyurethan abgeschlossen ist. Nach dem PUR-Fluten kann in einer solchen Variante das Bauteil folglich mit der gewünschten Sichtfläche fertiggestellt vorliegen.Alternatively or additionally, producing the visible surface by PUR flooding can include placing the component blank in a tool, from which the component is removed after thermal crosslinking of the polyurethane introduced into the tool to produce the visible surface. Accordingly, before removing the component from the tool provided for PUR flooding, a predetermined period of time is waited until a curing process for the polyurethane is complete. In such a variant, after the PUR flooding, the component can therefore be finished with the desired visible surface.

Durch die additive Herstellung des Bauteilrohlings kann in einer Ausführungsvariante gezielt wenigstens eine Dichtkante an dem Bauteilrohling für das anschließende PUR-Fluten ausgebildet werden. So lassen sich eine Dichtkante oder auch mehrere Dichtkanten an dem Bauteilrohling additiv ohne weiteres an das für das PUR-Fluten genutzte Werkzeug angepasst ausbilden, da bei der additiven Herstellung des Bauteilrohlings nicht auf Werkzeugentformungsrichtungen geachtet werden muss. Eine oder mehrere Dichtkanten können somit an dem Bauteilrohling an spezifisch für das nachfolgende PUR-Fluten ausgebildeten Stellen additiv ausgebildet werden, um den Abschnitt der Grundfläche, der mit Polyurethan für die Bildung der Sichtfläche überflutet werden soll, innerhalb des entsprechenden Werkzeugs gezielt gegen andere Bereiche des Bauteilrohlings abzudichten.In one embodiment, additive manufacturing of the component blank allows at least one sealing edge to be specifically formed on the component blank for the subsequent PUR flooding. In this way, one or more sealing edges on the component blank can easily be additively adapted to the tool used for PUR flooding, since the additive manufacturing of the component blank does not have to be taken into account the direction of tool demoulding. One or more sealing edges can thus be additively formed on the component blank at points specifically designed for the subsequent PUR flooding, in order to specifically seal the section of the base area, which is to be flooded with polyurethane to form the visible surface, within the corresponding tool against other areas of the Seal component blank.

Grundsätzlich kann im Wege des PUR-Flutens auch eine gefärbte Sichtfläche hergestellt werden. So kann das zur Herstellung der Sichtfläche genutzte Werkzeug z.B. Teil einer RIM-Anlage sein („RIM“, kurz für Englisch „Reaction Injection Moulding“, zu Deutsch „Reaktions-Injektions-Formen“). Hier wird dann das für das PUR-Fluten genutzte Polyurethanmaterial durch Vermischung bereitgestellt und erst danach in das Werkzeug eingebracht. Derart können nicht nur eine Rezeptur ohne Weiteres angepasst werden, sondern lassen sich auch zusätzliche Additive, zum Beispiel für eine Einfärbung der Oberfläche der Dichtfläche, zumischen.In principle, a colored visible surface can also be produced by means of PUR flooding. For example, the tool used to produce the visible surface can be part of a RIM system (“RIM”, short for “Reaction Injection Moul”. ding", in German "Reaction-Injection-Forms"). The polyurethane material used for the PUR flooding is then prepared here by mixing and only then is it introduced into the tool. In this way, not only can a recipe be easily adapted, but additional additives can also be mixed in, for example to color the surface of the sealing surface.

Die beigefügten Figuren veranschaulichen exemplarisch mögliche Ausführungsvarianten der vorgeschlagenen Lösung.The attached figures illustrate exemplary possible embodiment variants of the proposed solution.

Hierbei zeigen:

  • 1-4 unterschiedliche Phasen eines Herstellungsprozesses für eine Ausführungsvariante der vorgeschlagenen Lösung, bei der ein additiv gefertigter Bauteilrohling mit einer durch PUR-Fluten hergestellten Sichtfläche versehen wird;
  • 5A-5B weitere Varianten ebenfalls im Zuge einer Ausführungsvariante der vorgeschlagenen Lösung hergestellter Bauteile.
Here show:
  • 1-4 different phases of a manufacturing process for a variant of the proposed solution, in which an additively manufactured component blank is provided with a visible surface produced by PUR flooding;
  • 5A-5B other variants also in the course of an embodiment variant of the proposed solution manufactured components.

Die 1 zeigt insbesondere einen additiv aus Kunststoff hergestellten Bauteilrohling 2, der an einer von mehreren Außenflächen eine Grundfläche 20 aufweist. Diese Grundfläche 20 ist in einem bestimmungsgemäß eingebauten Zustand eines mit dem Bauteilrohling 2 bereitzustellenden Bauteils 2' sichtbar und gegebenenfalls auch für einen Endverbraucher zugänglich. Beispielsweise wird ein aus dem Bauteilrohling 2 bereitgestelltes Bauteil 2' in einem Fahrzeuginnenraum verbaut. Um hierbei an der Grundfläche 20 eine - gegenüber der Oberfläche der gedruckten Grundfläche 20 - optisch und/oder haptisch ansprechendere und gegebenenfalls auch mechanisch, thermisch und/oder chemisch beständigere Sichtfläche 21 (vergleiche insbesondere 3 und 4) bereitzustellen, wird der Bauteilrohling 2 mithilfe eines (Spritzgieß- oder RIM-) Werkzeugs 1 weiterbearbeitet.The 1 shows in particular a component blank 2 additively produced from plastic, which has a base surface 20 on one of several outer surfaces. This base area 20 is visible in a properly installed state of a component 2 ′ to be provided with the component blank 2 and possibly also accessible to an end user. For example, a component 2′ provided from the component blank 2 is installed in a vehicle interior. In order to have a visible surface 21 that is visually and/or haptically more appealing and possibly also mechanically, thermally and/or chemically more resistant than the surface of the printed base surface 20 on the base surface 20 (compare in particular 3 and 4 ) provide, the component blank 2 is further processed using an (injection molding or RIM) tool 1.

Dieses in der 1 dargestellte Werkzeug 1 weist einerseits ein Unterteil 11 mit einer Kavität 12 auf, in die der Bauteilrohling 2 einsetzbar ist. Zum Verschließen der Kavität 12 weist das Werkzeug 1 zusätzlich ein Oberteil 10 auf. Dieses Oberteil 10 bildet eine innere Mantelfläche 101 aus, die der Grundfläche 20 des Bauteilrohlings 2 gegenüberliegt, wenn der Bauteilrohling 2 entsprechend der Darstellung der 2 bestimmungsgemäß in das Werkzeug 1 eingelegt wurde.This in the 1 The tool 1 shown has on the one hand a lower part 11 with a cavity 12 into which the component blank 2 can be inserted. The tool 1 also has an upper part 10 for closing the cavity 12 . This upper part 10 forms an inner lateral surface 101, which is opposite to the base surface 20 of the component blank 2 when the component blank 2 as shown in FIG 2 was inserted into the tool 1 as intended.

Wird anschließend das Werkzeug 1 und damit die Kavität 12 verschlossen, liegt zwischen der Grundfläche 20 des Bauteilrohlings 2 und der inneren Mantelfläche 101 des Oberteils 10 ein schmaler Spalt s vor. Dieser Spalt s kann entsprechend der Darstellung der 3 mit Polyurethanmaterial, d.h. Polyurethan, gegebenenfalls mit wenigstens einem zugemischten Additiv und/oder einem zugemischten Farbzusatz, gefüllt werden. Das Werkzeug 1 ist hierfür vorliegend Teil einer in der 3 schematisch dargestellten RIM-Anlage 3 oder wird in eine solche RIM-Anlage 3 eingesetzt. Diese RIM-Anlage 3 stellt das für das PUR-Fluten verwendende Polyurethan bereit, das über das Werkzeug 1 in den Spalt s eingebracht wird.If the tool 1 and thus the cavity 12 are then closed, there is a narrow gap s between the base surface 20 of the component blank 2 and the inner lateral surface 101 of the upper part 10 . This gap s can be as shown in the 3 filled with polyurethane material, ie polyurethane, optionally with at least one admixed additive and/or an admixed coloring additive. The tool 1 is this part of a present in the 3 RIM system 3 shown schematically or is used in such a RIM system 3. This RIM system 3 provides the polyurethane used for the PUR flooding, which is introduced via the tool 1 into the gap s.

Hierbei kann das Polyurethan über einen Mischkopf 30 der RIM-Anlage 3 bereitgestellt werden, an dem einerseits Polyol und andererseits Isocyanat aus zwei entsprechenden Reservoirs der RIM-Anlage gemischt werden, die dann über Polyaddition zu dem zu nutzenden Polyurethan reagieren. Diese Reaktion findet in dem Mischkopf 30 statt, in dem die beiden vorgenannten Komponenten (und gegebenenfalls noch etwaige Additive, wie zum Beispiel ein Färbemittel) vermischt werden.Here, the polyurethane can be provided via a mixing head 30 of the RIM system 3, on the one hand polyol and on the other hand isocyanate are mixed from two corresponding reservoirs of the RIM system, which then react via polyaddition to form the polyurethane to be used. This reaction takes place in the mixing head 30, in which the two aforementioned components (and optionally any additives such as a colorant) are mixed.

Nach Abschluss eines Aushärtungsprozesses kann das fertige Bauteil 2' aus dem Werkzeug 1 entnommen werden. Wie anhand der 4 veranschaulicht ist, ist dann an der ursprünglichen Grundfläche 20 des Bauteilrohlings 2 eine Oberflächenveredelung durchgeführt worden und eine mit spezifischen Oberflächeneigenschaften eingestellte Sichtfläche 21 hergestellt. Die Oberfläche dieser Sichtfläche 21 ist insbesondere durch die innere Mantelfläche 101 des Oberteils 10 vorgegeben. Ist die innere Oberfläche 101 an dem der Grundfläche 20 des Bauteilrohlings 2 gegenüberliegenden Abschnitt glatt oder strukturiert, wird auch die Oberfläche der Sichtfläche 21 entsprechend glatt oder strukturiert ausgebildet.After completion of a curing process, the finished component 2' can be removed from the tool 1. How based on 4 is illustrated, a surface refinement has then been carried out on the original base surface 20 of the component blank 2 and a visible surface 21 set with specific surface properties is produced. The surface of this visible surface 21 is specified in particular by the inner lateral surface 101 of the upper part 10 . If the inner surface 101 is smooth or structured on the section opposite the base surface 20 of the component blank 2, the surface of the visible surface 21 is also correspondingly smooth or structured.

Wie anhand der 5A und 5D näher veranschaulicht ist, ist es in Abweichung von der Darstellung der 1 bis 4 nicht zwingend, dass an einer additiv hergestellten Grundfläche 20 des Bauteilrohlings 2 eine durchgehende Sichtfläche 21 mittels PUR-Fluten hergestellt wird.How based on 5A and 5D is illustrated in more detail, it is in deviation from the representation of the 1 until 4 it is not mandatory that a continuous visible surface 21 is produced by means of PUR flooding on an additively produced base surface 20 of the component blank 2 .

So sieht eine Ausführungsvariante der 5A beispielsweise ein fertiggestelltes Bauteil 2` vor, an dem lediglich ein Teil der ursprünglichen Grundfläche 20 mit einer Sichtfläche 21 versehen wurde. Anhand der 5A ist hierbei auch näher veranschaulicht, dass über das PUR-Fluten etwaige Vorsprünge und Vertiefungen an der Grundfläche, die sich durch das 3D-Druckverfahren unter Umständen ergeben haben, über das PUR-Fluten ausgeglichen werden können. Mindestens eine Vertiefung und/oder mindestens ein Vorsprung kann an der Grundfläche 20 des Bauteilrohlings 2 aber auch gezielt additiv hergestellt sein, um das beim PUR-Fluten aufgebrachte Polyurethanmaterial nach der thermischen Vernetzung und Aushärtung zusätzlich formschlüssig mit der Grundfläche 2 zu verbinden.This is how an embodiment of the 5A For example, a finished component 2`, on which only part of the original base area 20 has been provided with a visible surface 21. Based on 5A It is also illustrated in more detail here that any protrusions and depressions on the base area that may have resulted from the 3D printing process can be compensated for by PUR flooding. At least one indentation and/or at least one projection can also be produced additively in a targeted manner on the base area 20 of the component blank 2 in order to connect the polyurethane material applied during PUR flooding with an additional positive fit to the base area 2 after thermal crosslinking and curing.

Bei der Ausführungsvariante der 5B sind beim PUR-Fluten zwei voneinander räumlich separierte Sichtflächen 21.1 und 21.2 an der Grundfläche 2 ausgebildet worden. Dies ist durch eine entsprechende Gestaltung des Werkzeugs 1 erreicht, in dem dann beispielsweise zwei separat mit Polyurethanmaterial füllbare Spalte s vorgesehen werden.In the variant of the 5B two spatially separated visible surfaces 21.1 and 21.2 have been formed on the base surface 2 during PUR flooding. This is achieved by a corresponding design of the tool 1 in which, for example, two gaps s that can be separately filled with polyurethane material are then provided.

Bezugszeichenlistereference list

11
WerkzeugTool
1010
Oberteiltop
1111
Unterteillower part
101101
Innere MantelflächeInner lateral surface
1212
Kavitätcavity
22
Bauteilrohlingcomponent blank
2'2'
Bauteilcomponent
2020
GrundflächeFloor space
ss
Spaltgap
33
RIM-AnlageRIM facility
3030
Mischkopfmixing head
21, 21.1, 21.221, 21.1, 21.2
Sichtflächeface

Claims (7)

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (2`) mit mindestens einer Sichtfläche (21, 21.1, 21.2), aufweisend wenigstens die folgenden Schritte: - Additives Herstellen eines Bauteilrohlings (2) mit wenigstens einer Grundfläche (20) für die Sichtfläche und - Herstellen der Sichtfläche (21, 21.1, 21.2) an der Grundfläche (20) des additiv hergestellten Bauteilrohlings (2) durch PUR-Fluten.Method for producing a component (2`) with at least one visible surface (21, 21.1, 21.2), having at least the following steps: - Additive manufacturing of a component blank (2) with at least one base (20) for the visible surface and - Production of the visible surface (21, 21.1, 21.2) on the base (20) of the additively manufactured component blank (2) by PUR flooding. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellen der Sichtfläche (21, 21.1, 21.2) durch PUR-Fluten das Einlegen des Bauteilrohlings (2) in ein Werkzeug (1) umfasst, in dem der Grundfläche (20) eine glatte innere Mantelfläche (101) eines Teils (10) des Werkzeugs (1) gegenüberliegt.procedure after claim 1 , characterized in that the production of the visible surface (21, 21.1, 21.2) by PUR flooding includes the insertion of the component blank (2) in a tool (1) in which the base (20) has a smooth inner lateral surface (101) of a Part (10) of the tool (1) opposite. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellen der Sichtfläche (21, 21.1, 21.2) durch PUR-Fluten das Einlegen des Bauteilrohlings (2) in ein Werkzeug (1) umfasst, in dem der Grundfläche (20) eine strukturierte innere Mantelfläche (101) eines Teils (10) des Werkzeugs (1) gegenüberliegt.procedure after claim 1 , characterized in that the production of the visible surface (21, 21.1, 21.2) by PUR flooding includes the insertion of the component blank (2) in a tool (1) in which the base (20) has a structured inner lateral surface (101) of a Part (10) of the tool (1) opposite. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellen der Sichtfläche (21, 21.1, 21.2) durch PUR-Fluten das Einlegen des Bauteilrohlings (2) in ein Werkzeug (1) umfasst, aus dem das Bauteil (2') nach einer thermischen Vernetzung des für die Herstellung der Sichtfläche (21, 21.1, 21.2) in das Werkzeug (1) eingebrachten Polyurethans entnommen wird.Procedure according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that the production of the visible surface (21, 21.1, 21.2) by PUR flooding includes the insertion of the component blank (2) in a tool (1) from which the component (2 ') after thermal crosslinking of the for Production of the visible surface (21, 21.1, 21.2) introduced into the tool (1) polyurethane is removed. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem additiven Herstellen des Bauteilrohlings (2) wenigstens eine Dichtkante an dem Bauteilrohling (2) für das anschließende PUR-Fluten ausgebildet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that during the additive manufacturing of the component blank (2) at least one sealing edge is formed on the component blank (2) for the subsequent PUR flooding. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtkante für ein zum PUR-Fluten genutztes Werkzeug (1) ausgebildet wird, in das der Bauteilrohling (2) eingelegt wird.procedure after claim 5 , characterized in that the sealing edge is formed for a tool (1) used for PUR flooding, into which the component blank (2) is inserted. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem PUR-Fluten eine gefärbte Sichtfläche (21, 21.1, 21.2) hergestellt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a colored visible surface (21, 21.1, 21.2) is produced with the PUR flooding.
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