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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial und ein Matrixmaterial.
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Aufgrund der gewichtsspezifischen Festigkeit und Steifigkeit von Faserverbundbauteilen, die aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt werden, sind derartige Bauteile aus der Luft- und Raumfahrt sowie aus vielen weiteren Anwendungsgebieten, wie beispielsweise dem Automobilbereich, heutzutage kaum mehr wegzudenken. Bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils wird dabei ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial meist unter Temperatur- und Druckbeaufschlagung ausgehärtet und bildet so nach dem Aushärten eine integrale Einheit mit dem Fasermaterial. Die Verstärkungsfasern des Fasermaterials werden hierdurch in ihre vorgegebene Richtung gezwungen und können die auftretenden Lasten in die vorgegebene Richtung abtragen.
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Faserverbundwerkstoffe, aus denen derartige Faserverbundbauteile hergestellt werden, weisen in der Regel zwei Hauptbestandteile auf, nämlich zum einen ein Fasermaterial und zum anderen ein Matrixmaterial. Hierneben können noch weitere sekundäre Bestandteile verwendet werden, wie beispielsweise Bindermaterialien oder zusätzliche Funktionselemente, die in das Bauteil integriert werden sollen. Werden für die Herstellung trockene Fasermaterialien bereitgestellt, so wird während des Herstellungsprozesses das Matrixmaterial des Faserverbundwerkstoffes in das Fasermaterial durch einen Infusionsprozess infundiert, durch den das trockene Fasermaterial mit dem Matrixmaterial imprägniert wird. Dies geschieht in der Regel aufgrund einer Druckdifferenz zwischen dem Matrixmaterial und dem Fasermaterial, indem beispielsweise das Fasermaterial mittels einer Vakuumpumpe evakuiert wird. Im Gegensatz hierzu sind auch Faserverbundwerkstoffe bekannt, bei denen das Fasermaterial mit dem Matrixmaterial bereits vorimprägniert ist (sogenannte Prepregs).
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Da ein Drucktank in der Regel in der Lage sein muss, erhebliche Kräfte aufzunehmen, wird bei der Verwendung eines isotropen Werkstoffs, beispielsweise ein metallischer Werkstoffe, die Belastbarkeit durch eine hohe Wandstärke erreicht, wodurch solche Tanks ein relativ hohes Gewicht aufweisen. Ein günstigeres Verhältnis mit Leichtbaupotenzial lässt sich dann realisieren, wenn ein Faserverbundwerkstoff verwendet wird.
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Es ist bekannt, Drucktanks als Speicher für gasförmige oder flüssige Fluides, wie beispielsweise Erdgas, Wasserstoff oder Benzin, aus solchen Faserverbundwerkstoffen herzustellen. Um bei derartigen, insbesondere rotationssymmetrischen Hohlkörpern eine optimale Belastungsgrenze im Hinblick auf das Gewicht zu erreichen, werden derartige Drucktanks in der Regel in einem Wickelverfahren hergestellt. Dabei wird ein meist quasiendloses Fasermaterial auf einen sich drehenden Formkörper als Formwerkzeug abgelegt, in dem das Fasermaterial auf den Formkörper aufgewickelt bzw. der Formkörper mit dem Fasermaterial umwickelt wird. Durch Veränderung der Faserorientierung kann hierbei ein fast isotropes Lastverhalten realisiert werden, auch wenn der zugrunde liegende Faserverbundwerkstoff anisotropes Werkstoffverhalten aufweist. Solche Drucktanks aus einem Faserverbundwerkstoff sind dabei besonders effizient, da die Fasern des Fasermaterials gemäß einer Isotensoid-Struktur in den Lastrichtungen auf den Formkörper abgelegt werden können und die Fasersteifigkeit und Faserfestigkeit somit bestmöglich ausgenutzt wird. So kann das Gewicht eines Drucktanks aus einem Faserverbundwerkstoff gegenüber einem Drucktank aus Aluminium um mehr als das zehnfache gesenkt werden. Auch die Herstellung von derartigen Hohlkörpern als Geflecht ist bekannt.
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Aus der
DE 10 2010 043 645 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Druck Drucktanks zur Aufnahme eines unter Druck stehenden Fluids bekannt, der aus mehreren Elementen aus einem textilen Flächenmaterial aus Verstärkungsfasern gebildet wird. Das Flächenmaterial wird dabei auf einen Formkörper aufgelegt und kann beispielsweise mit einem duroplastischen oder thermoplastischen Kunststoff getränkt sein. Der Formkörper, auf den das Flächenmaterial abgelegt wird, kann dabei mit einem Überdruck beaufschlagt werden, um den Formkörper leicht zu expandieren und so den Formschluss zwischen dem Formkörper und dem Fasermaterial zu verbessern. Hierdurch soll verhindert werden, dass sich beispielsweise überschüssiges Harz in Zwischenräumen zwischen dem Formkörper und dem Fasermaterial ansammelt und so unter Umständen sogenannte Harznester entstehen. Außerdem kann hierdurch gegebenenfalls der Faservolumengehalt des Fasermaterials erhöht werden.
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Nachdem der Drucktank durch Aushärten bzw. Konsolidieren des Matrixmaterials hergestellt ist, wird dieser von dem Formkörper entformt und seinem Verwendungszweck zugeführt. Es hat sich jedoch gezeigt, dass bei der Herstellung derartiger Drucktanks auch bei Expansion des Formkörpers vor und/oder während der Infusion bzw. Aushärtung die Fasern unter Umständen in dem hergestellten und ausgehärteten Bauteil nicht optimal ausgerichtet sind.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren anzugeben, mit dem die Qualität von derartigen Wickelhohlkörpern zur Verwendung als Drucktanks verbessert werden kann.
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Die Aufgabe wird mit dem Verfahren zur Herstellung eines thermoplastischen Hohlkörpers gemäß Anspruch 1 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.
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Gemäß Anspruch 1 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund-Hohlkörpers aus einem Faserverbundwerkstoff aufweisend ein Fasermaterial und ein das Fasermaterial einbettendes Matrixmaterial beansprucht, wobei zunächst eine Hohlkörper-Preform auf einem flexiblen Formkörper bereitgestellt wird. Die Preform kann dabei durch Aufwickeln des Fasermaterials auf dem flexiblen Formkörper bzw. Umwickeln des Fasermaterials um den flexiblen Formkörper gebildet sein, wobei die Preform das Fasermaterial mit dem Matrixmaterial enthält. Die Hohlkörper-Preform kann aber auch als Flechtkörper auf dem flexiblen Formkörper bereitgestellt werden.
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Vorzugsweise ist das Matrixmaterial bereits vollständig konsolidiert, sodass ein endnahes Bauteil auf dem flexiblen Formkörper bereitgestellt wird, was bspw. bei der Verwendung von thermoplastischen Matrixmaterialien besonders vorteilhaft ist. Das Matrixmaterial hat somit bereits einen Konsolidierungsprozess erfahren, sodass insbesondere ein ausgehärtetes Bauteil vorliegt. Der anschließende erfindungsgemäße Konsolidierungsprozess wird dann auch als Nachkonsolidierung bezeichnet. Es ist jedoch nicht zwingend erforderlich, dass das Matrixmaterial, welches das Fasermaterial der Preform tränkt, vollständig ausgehärtet bzw. konsolidiert ist. So ist es auch denkbar, dass das Matrixmaterial durch Abkühlung nur teilweise ausgehärtet bzw. konsolidiert ist, was bspw. bei der Verwendung von duroplastischen Matrixmaterialen der Fall ist.
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Als Matrixmaterialien kommen hierbei insbesondere thermoplastische oder duroplastische Matrixmaterialien in Betracht. Auch hybride Materialien, die sowohl ein thermoplastisches Material als auch ein duroplastisches Material enthalten, können als Matrixmaterial verwendet werden.
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Die Hohlkörper-Preform kann dabei aus einem trockenen Fasermaterial hergestellt sein, sodass nach dem Umwickeln des Formkörpers mit dem trockenen Fasermaterial dieses in einem Infusionsprozess mit einem Matrixmaterial getränkt wird. Alternativ kann auch ein vorimprägniertes Fasermaterial verwendet werden, dass bereits mit dem Matrixmaterial vorimprägniert ist (sogenannte Prepregs).
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Erfindungsgemäß wird nun eine (Nach)Konsolidierung nach der Bereitstellung der Preform vorgeschlagen, wobei die Konsolidierung im Anschluss an das Bereitstellen der Preform erfolgt, bspw. nach dem Umwickeln des Formkörpers mit dem Fasermaterial und nach dem Infundieren des Matrixmaterials in das umwickelnde Fasermaterial, sofern ein trockenes Fasermaterial verwendet wurde. Eine Nachkonsolidierung erfolgt vorzugsweise erst dann, wenn das Matrixmaterial zumindest teilweise bereits konsolidiert ist.
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Für die erfindungsgemäße (Nach)Konsolidierung als separaten Prozessschritt wird die auf dem flexiblen Formkörper bereitgestellte Preform auf eine gewünschte Prozesstemperatur mittels einer ersten Temperiereinrichtung aufgeheizt, wobei die gewünschte Prozesstemperatur vorzugsweise im Bereich der Schmelztemperatur eines thermoplastischen Matrixmaterials liegt. Hierzu können Temperaturen von 200°C bis 500°C benötigt werden, je nach Prozesseigenschaft des thermoplastischen Matrixmaterials. Die gewünschte Prozesstemperatur ist dabei insbesondere jene Temperatur, bei der das thermoplastische Matrixmaterial der Preform weich wird und gegebenenfalls plastisch verformbar wird. Bei einem duroplastischen Matrixmaterial kann die gewünschte Prozesstemperatur vorzugsweise im Bereich am 120°C liegen.
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Nachdem die Preform auf die gewünschte Prozesstemperatur temperiert wurde, wird der flexiblen Formkörper mit einem Innendruck mittels eines in das Innere des flexiblen Formkörper geleiteten Fluids derart beaufschlagt, dass der Innendruck größer ist als der die Preform umgebende Umgebungsdruck. Durch das Beaufschlagen des flexiblen Formkörper mit einem Innendruck wird der flexiblen Formkörper expandiert, wodurch insbesondere sein Querschnittsmaß, beispielsweise der Radius, vergrößert wird. Bei der Verwendung von Kunststoffen mit hohen Prozesstemperaturen und dem benötigten flexiblen Formkörper, der beispielsweise aus einem Kunststoffmaterials oder einem Gummi gefertigt sein kann, wird für die Prozesssicherheit des Konsolidierens des Weiteren das in das Innere des flexiblen Formkörper geleiteten Fluid mittels einer zweiten Temperiereinrichtung temperiert.
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Durch diesen erfindungsgemäßen Prozessschritt des insbesondere Nachkonsolidierens wird der Vorteil erreicht, dass die Fasern sich während des Konsolidierens noch einmal in eine spannungsoptimierte Ausrichtung begeben können. Außerdem wird eine optimale Temperaturführung des gesamten Aufbaus ermöglicht, um bestmögliche Werkstoffeigenschaften in allen Bereichen zu erzielen und die Bildung von Poren in einem Prozess ohne Vakuumaufbau zu reduzieren. Des Weiteren wird mit der vorliegenden Erfindung erreicht, dass der verwendete flexible Formkörper hinsichtlich der Auswahl des Materials unabhängig von der Prozesstemperatur des Matrixmaterials gewählt werden kann, da aufgrund des gekündigten Fluids zur Beaufschlagung des flexiblen Formkörper mit einem Innendruck eine Überhitzung des flexiblen Formkörper und somit die Zerstörung des Formkörper vermieden wird.
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Mittels der zweiten Temperiereinrichtung kann dabei das in das Innere des flexiblen Formkörpers geleitete Fluid gekühlt oder erwärmt werden. Bei niedrigen Prozesstemperaturen kann durch Erwärmen des Fluids der Temperaturgradient zwischen Umgebungstemperatur (temperiert durch ersten Temperiereinrichtung) und dem flexiblen Formkörper verringert werden. Bei hohen Prozesstemperaturen kann durch Kühlen des Fluids eine Beschädigung des flexiblen Formkörpers durch Überhitzung vermieden werden.
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Dabei ist es denkbar, das in einer ersten Temperstufe mittels der ersten Temperiereinrichtung die Preform von außen erwärmt wird, während der flexible Formkörper von Innen ebenfalls mit einem im Wesentlichen erwärmten Fluid erwärmt wird, um so eine optimale und schnelle und vorallem ganzheitliche Temperierung der Preform zu erreichen. Hierdurch kann der Aufheizprozess beschleunigt werden. Nach dem Ende der ersten Temperstufe kann sich eine zweite Temperstufe anschließen, bei der die erste Temperiereinrichtung die Preform weiter erwärmt, um die nötige Prozesstemperatur zu erreichen oder zu halten, während die zweite Temperiereinrichtung das in das Innere des flexiblen Formkörpers geleitete Fluid kühlt.
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Das Temperieren des in das Innere des flexiblen Formkörpers geleitete Fluid mittels der zweiten Temperiereinrichtung erfolgt während des Temperierens der Preform mittels der ersten Temperiereinrichtung.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der flexible Formkörper mit einem Innendruck derart beaufschlagt wird, dass der flexible Formkörper durch den Innendruck expandiert, vorzugsweise das der flexible Formkörper durch den Innendruck um nicht mehr als 10 Prozent, vorzugsweise nicht mehr als 5 Prozent, besonders vorzugsweise nicht mehr als 1 Prozent expandiert. Denkbar ist auch, dass der flexible Formkörper um mindestens 1 Prozent expandiert.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Preform auf dem flexiblen Formkörper derart bereitgestellt wird, dass zwischen der äußeren Manteloberfläche des flexiblen Formkörper und einer Innenwandung der Preform eine zusätzliche Isolationsschicht vorgesehen ist. Eine solche Isolationsschicht ist meist dann vorteilhaft, wenn die Prozesstemperatur des Matrixmaterials sehr hoch ist und trotz einer Kühlung des für den Innendruck notwendigen Fluids eine Beschädigung des flexiblen Formkörpers aufgrund des Wärmeeintrags nicht ausgeschlossen werden kann. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Isolationsschicht nach dem Prozess des (Nach)Konsolidierens entfernt wird, bspw. durch eine mechanische, thermische und/oder chemische Entfernung.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass während der Konsolidierung der flexible Formkörper um eine Achse, insbesondere eine Längsachse, gedreht wird. Hierdurch kann der vorteilhafte Effekt erzielt werden, dass das durch den Wärmeeintrag aufgeschmolzene Matrixmaterial (insbesondere ein thermoplastisches Matrixmaterial) sich gleichmäßig in dem Fasermaterial verteilt und bspw. aufgrund der auf die Preform variierend wirkenden Schwerkraft ungewollte Ansammlungen von Matrixmaterial vermieden wird.
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Dabei kann auch vorgesehen sein, dass die Drehgeschwindigkeit derart eingestellt wird, dass Zentrifugalkräfte auf das Matrixmaterial einwirken und den Prozess dabei unterstützen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass während der Konsolidierung die Preform mit einer Vibration beaufschlagt wird oder dieser ausgesetzt wird. Es hat sich gezeigt, dass Vibrationen, die auf die Preform insbesondere während der Nachkonsolidierung aufgebracht werden, die Ausrichtung der Fasern in die optimale Lage unterstützt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass während der Konsolidierung der beaufschlagte Innendruck variiert, insbesondere impulsartig variiert. Der Innendruck kann dabei impulsartig derart schwanken, dass schnelle und starke Druckwechsel des Innendrucks im flexiblen Formkörper erfolgen und hierdurch eine dynamische Anregung der Preform während der Konsolidierung erfolgt, um spannungsoptimiertes passives Ausrichten der Fasern zu begünstigen. Dabei werden die Bewegung der Fasern zueinander sowie das Wandern von eingeschlossenen Luftbläschen begünstigt, wodurch weniger Poren entstehen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass während der Konsolidierung Schallwellen in das in das Innere des flexiblen Formkörper geleitete Fluid eingebracht werden. Auch hierdurch kann ein spannungsoptimiertes passives Ausrichten der Fasern während der Konsolidierung begünstigt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass während der Konsolidierung ein gegenüber dem nominalen Druck verringerter Druck im Umgebungsbereich der Preform eingestellt wird. Dabei kann der Umgebungsdruck, der die Preform umgibt, bspw. auf ein Vakuum abgesenkt werden, so dass ein größerer Druckgradient zwischen dem Inneren des flexiblen Formkörper und der äußeren Umgebung entsteht. Unter dem nominalen Druck wird der Atmosphärendruck bei normal Null verstanden. Die Absenkung des Umgebungsdruckes begünstigt die Reduktion von eingeschlossenen Luftbläschen und führt zu weniger Poren.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass während der Konsolidierung mittels der ersten Temperatureinrichtung die bereitgestellte Preform auf eine Temperatur von mindestens 120°C, vorzugsweise mindestens 200°C temperiert wird.
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Geeignete thermoplastische Harze umfassen insbesondere Polyetherketone, Polyphenylensulfide, Polysulfone, Polyamide, Polyetherimide und Mischungen hiervon. Hierbei handelt es sich insbesondere um thermoplastische Kunststoffe mit einer Schmelztemperatur von mehr als 200 °C.
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Bei dem flexiblen Formkörper kann es sich beispielsweise um einen Körper aus einem flexiblen Material handeln, beispielsweise aus einem Gummi- oder Silikonmaterial. Bei dem flexiblen Formkörper kann es sich aber auch um einen Liner handeln, der später im Inneren des Hohlkörpers verbleibt. Es kann sich aber auch um einen Schlauch, ein Rohr oder eine Blase handelt. Bei dem flexiblen Formkörper kann es sich um einen Wickelkörper handeln.
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Bei dem Faserverbundwerkstoff kann es sich bevorzugt um einen Faserverbundwerkstoff mit Kohlenstofffasern handeln. Auch technische Faserwerkstoffe, wie beispielsweise Aramidfaser oder Glasfaser sind denkbar.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaften erläutert. Es zeigen:
- 1 schematische Darstellung einer Anlage zur Nachkonsolidierung gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung;
- 2 schematische Darstellung einer Ausführungsform zu 1.
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1 zeigt in einer schematisch stark vereinfachten Darstellung eine Anlage 10, die einen Konvektionsofen 11 hat, in den eine thermoplastische Preform 12 eingefahren ist. Die thermoplastische Preform 12 ist dabei auf einem flexiblen Formkörper 13 aufgebracht und in einem Wickelverfahren dort hergestellt. Der Konvektionsofen 11 als Heizeinrichtung kann dabei auch jede beliebige andere Energiequelle sein, wie beispielsweise ein Strahlungsheizer (Infrarot, Laser, etc.), ein Konvektionsstrahler (Heißgebläse) oder eine elektrische Heizvorrichtung, beispielsweise eine Induktionsheizung. Die Temperierung kann aber auch über einen direkten Kontakt zu einer aufgeheizten äußeren Formschale erfolgen, die in direktem Kontakt mit der Preform steht und diese zudem formen kann.
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Der Hohlraum 14 des flexiblen Formkörper 13 steht dabei über ein Rohrsystem 15 mit einer Pumpeneinrichtung 16 in kommunizierender Fluidverbindung. Mithilfe der Pumpeneinrichtung 16 kann dabei mithilfe eines in den Hohlraum 14 des flexiblen Formkörper 13 eingeleiteten Fluids ein Innendruck hergestellt werden, der größer ist als der Umgebungsdruck, der außerhalb der thermoplastische Preform 12 herum existiert.
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Die Pumpeneinrichtung 16 weist des Weiteren eine Kühleinrichtung 17 auf, mit der das in den Hohlraum 14 des flexiblen Formkörper 13 eingeleitete Fluid gekühlt werden kann. Mithilfe der Kühleinrichtung 17 wird der flexible Formkörper 13 von innen mit gekühltem Fluid mit Druck beaufschlagt. Der Austausch des Fluids findet über Zu- und Ableitungen des Rohrsystems 15 statt. Je nach Bedarf kann das zugeführte Fluid mehr oder weniger gekühlt werden oder aber die Menge des zugeführten Fluids wird angepasst, sodass der flexible Formkörper 13 über die für den Prozess erforderliche Temperatur hält und diese nicht überschreitet oder unterschreitet.
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Mit Hilfe der Pumpeneinrichtung 16 kann auch der Innendruck dynamisch angeregt werden (Pulsieren oder Vibrieren).
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Die Anlage 10 weist des Weiteren eine Steuereinheit 18 auf, die mit nicht dargestellten Sensoren der Anlage 10 kommunizieren verbunden ist und so sowohl den Ofen 11 als auch die Kühleinrichtung 17 entsprechend so ansteuert, dass immer ein optimaler Temperaturgradient existiert.
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Die Pumpeneinrichtung 16 ist dabei so ausgebildet, dass das für den Innendruck notwendige Fluid zirkuliert, sodass das zirkulierende Fluid mithilfe der Kühleinrichtung 17 gekühlt werden kann.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel basierend auf der 1, bei dem zwischen der thermoplastischen Preform 12 und dem flexiblen Formkörper 13 eine Isolationsschicht 19 vorgesehen ist. Dies wird meist dann notwendig, wenn ein sehr großer Temperaturunterschied zwischen der maximal erlaubten Temperatur des flexiblen Formkörper 13 und der erforderlichen Mindestprozesstemperatur besteht.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Anlage
- 11
- erste Temperiereinrichtung/Heizeinrichtung/Ofen
- 12
- thermoplastische Preform
- 13
- flexibler Formkörper
- 14
- Hohlraum des flexiblen Formkörpers
- 15
- Rohrsystem
- 16
- Pumpeneinrichtung
- 17
- zweite Temperiereinrichtung/Kühleinrichtung
- 18
- Steuereinheit
- 19
- Isolationsschicht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010043645 A1 [0006]
