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Diese Erfindung betrifft das Transfergießen von Harz und insbesondere ein Gerät
zum Transfergießen von Harz sowie ein Verfahren des Transfergießens von Harz.
Beim Transfergießen von Harz (RTM) wird eine Faserverstärkung in einen
Formenhohlraum gebracht, und die Form wird geschlossen. Dann wird flüssiges Harz
in den Formenhohiraum eingespritzt, so daß es durch die Verstärkung strömt, um
dabei die Verstärkung gründlich zu benetzen. Dann läßt man das Harz aushärten, und
nach dem Aushärten wird das gegossene Erzeugnis aus der Form ausgeworfen.
Es ist auf diese Weise möglich, ziemlich komplizierte Gußerzeugnisse herzustellen.
Die Verstärkung kann so ausgebildet sein, daß sie die notwendige Stärke in
Bereichen liefert, wo Stärke erforderlich ist, da die Verstärkung unabhängig vom
Gießvorgang "entworfen" werden kann.
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Damit RTM ein einsatzfähiges Verfahren für die Massenfertigung von Gegenständen
wird, ist es wünschenswert, die Zyklusdauer, d.h. die Zeit zwischen dem Auswurf
eines Erzeugnisses aus der Form und dem Auswurf des nächsten Erzeugnisses aus
derselben Form, zu minimieren. Es gibt viele Faktoren, die die Zyklusdauer
beeinflussen können.
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Ein Verfahren zum Transfergießen von Harz wird in der Zeitschrift "Composites
Manufacturing", Bd. 3, Nr. 4,1992, auf S.235-249 beschrieben. In diesem Artikel wird
das Vorwärmen des Harzes erörtert (S. 241), und es werden damit
zusammenhängende Probleme aufgezeigt. Dieser Artikel offenbart auch die
Verwendung eines Haushalts-Mikrowellenherdes (S.246) als mögliche Technik zum
Vorwärmen von Harzchargen, doch kann diese Technik nicht zum Erwärmen eines
kontinuierlichen Harzstromes verwendet werden.
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JP-A-60 007 136 beschreibt ein Verfahren zum Verkapseln von Halbleiterbauteilen, in
dem festes Harzgranulat durch Mikrowellenenergie vorgewärmt wird, bevor es zur
Verflüssigung des Harzes emeut erwärmt wird und dann in einen Formenhohlraum
gepreßtwird.
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Im Einklang mit der vorliegenden Erfindung wird ein Gerät zum Transfergießen von
Harz bereitgestellt, wobei das Gerät eine Form umfaßt sowie eine Vorrichtung zur
Erwärmung der Form, ein Reservoir zur Aufnahme von flüssigem Harz, das mit einem
Katalysator gemischt ist und sich bei einer Temperatur unterhalb der
Aktivierungstemperatur des Katalysators befindet, und eine Leitung, durch die Harz in
einem kontinuierlichen Strom aus dem Reservoir in die Form fließen kann, dadurch
gekennzeichnet, daß die Mikrowellenheizvorrichtung so angeordnet ist, daß sie das
Harz, das die Leitung entlang strömt, unmittelbar vor dem Eintreten des Harzes in die
Form erwärmt, so daß dem Harz in der Mitte der Leitung mehr Wärmeenergie
zugeführt wird als dem Harz nahe der Wände der Leitung.
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Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Transfergießen von Harz bereit, in dem
flüssiges katalysiertes Harz in einem kontinuierlichen Strom in eine Form strömt,
dadurch gekennzeichnet, daß das katalysierte Harz unmittelbar vor seinem Eintritt in
die Form durch eine Erwärmung mit Mikrowellen auf eine Temperatur oberhalb der
Lagertemperatur des Harzes, aber unterhalb der Aktivierungstemperatur des
Katalysators in einem Mikrowellenmodus erwärmt wird, der den Innenbereich des
fließenden Harzes bevorzugt vor den Rändern des Stroms erwärmt.
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Es gibt zwei Zeiträume, die in Anbetracht des Verfahrens nach dem Beginn des
Eintritts des Harzes in die Form berücksichtigt werden müssen. Erstens gibt es die
Benetzungszeit, d.h. die Zeit, die benötigt wird, damit das Harz vom Harzeinlaß zu
allen Teilen der Form und durch die Verstärkung hindurch strömt, wobei eine
gründliche Benetzung der Verstärkung sichergestellt sein muß. Um diese
Benetzungszeit zu verringern, sollte die Viskosität des Harzes so niedrig wie möglich
sein. Ein Verfahren, mit dem man dies erreicht, besteht darin, das Harz zu erwärmen,
es aber nicht so stark zu erwärmen, daß das Aushärten stattfindet, bevor das Harz
alle Teile der Form erreicht hat.
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Zweitens ist es erforderlich, die Zeit zwischen dem Eintritt des Harzes in die Form und
der Vollendung des Aushärtens des Harzes zu berücksichtigen. Bei den für das
Transfergießen von Harz verwendeten wärmeaushärtenden Harzen tritt das
Aushärten durch Erhöhung der Temperatur des Harzes ein. Je stärker die Temperatur
erhöht wird, desto schneller erfolgt das Aushärten.
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Um die Aushärtzeit so weit wie möglich zu reduzieren, ist es nötig, die Form
aufzuheizen. Um die Benetzungszeit zu verringern, wird empfohlen, das Harz vor
seiner Einführung in die Form zu erhitzen. Das Beheizen beider Teile des Gerätes
muß allerdings unter vollständig kontrollierten Bedingungen vollzogen werden, um ein
verfrühtes Aushärten des Harzes zu verhindern und Harzabfall zwischen den
Arbeitszyklen zu vermeiden.
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In den meisten Fällen wird das Harz in einer rohrförmigen Leitung zur Form fließen.
Der Harzfluß wird laminar sein, was bedeutet, daß das Harz in der Mitte des Rohres
schneller strömt als das Harz nahe der Ränder. Um einen gleichmäßigen
Temperaturgradienten entlang dem strömenden Harz zu erhalten, ist es
wünschenswert, dem Harz in der Mitte des Rohres mehr Wärmeenergie zuzuführen
als dem Harz nahe der Rohrwände Diese Art des Verlaufes des Heizvorganges kann
vorteilhaft durch die Verwendung von Erwärmung durch Mikrowellen erreicht werden.
Wo Erwärmung durch Mikrowellen eingesetzt wird, werden die Mikrowellen durch ein
Magnetron erzeugt und über einen Wellenleiter zu einer Bestrahlungsvorrichtung
geleitet, wo sie (zumindest teilweise) vom Harz absorbiert werden, das hierdurch
erwärmt wird.
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Die Verwendung einer Bestrahlungsvorrichtung mit TM&sub0;&sub2;&sub0;-Modus ist dann besonders
vorteilhaft. Die Bestrahlungsvorrichtung weist vorzugsweise die Form eines
zylindrischen Gehäuses auf, durch das sich eine zylindrische Kammer erstreckt, die
das Harz enthält.
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Die zylindrische Kammer muß Wände besitzen, die für Mikrowellen durchlässig sind,
und PTFE stellt ein geeignetes Material für diese Wände dar. Der Durchmesser der
zylindrischen Kammer kann größer als der Durchmesser der rohrförmigen Leitung
sein, durch die das Harz in die Kammer strömt.
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Die Schnittstelle zwischen dem Wellenleiter und der Bestrahlungsvorrichtung kann ein
Fenster umfassen, dessen Größe verändert werden kann, um die Abstimmung der
Bestrahlungsvorrichtung zu ermöglichen, damit die gewünschte Charakteristik eines
TM&sub0;&sub2;&sub0;-Resonanzmodus erzeugt werden kann.
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Die Erfindung wird nun auf dem Weg eines Beispiels weiter beschrieben, wobei auf
die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen:
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Abbildung 1 eine schematische Ansicht ist, die ein herkömmliches Verfahren zum
Transfergießen von Harz veranschaulicht;
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Abbildung 2 das Gerät zum Transfergießen von Harz im Einklang mit der Erfindung
schematisch veranschaulicht;
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Abbildung 3 ein Grundriß einer Mikrowellenbestrahlungsvorrichtung für die
Verwendung im Gerät von Abbildung 2 ist;
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Abbildung 4 ein Querschnitt durch die Bestrahlungsvorrichtung von Abbildung 3 ist;
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Abbildung 5 eine graphische Darstellung des elektrischen Feldes in der
Bestrahlungsvorrichtung der Abbildungen 3 und 4 ist; und
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die Abbildungen 6 und 7 die Aushärt- und Benetzungszeiten des Gerätes im Einklang
mit der Erfindung bzw. eines Gerätes nach dem Stand der Technik veranschaulichen.
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Abbildung 1 veranschaulicht ein Verfahren, in dem ein Erzeugnis 30 durch
Transfergießen von Harz hergestellt wird. Eine Verstärkungsmatte wird zunächst in
einen Vorformling umgewandelt und dann in eine Form gebracht, in die Harz
eingeführt wird, um das Erzeugnis herzustellen. Abbildung 1 zeigt links die
Herstellung des Vorformlings und rechts den Gießvorgang selbst. Als erste Stufe bei
der Herstellung des Vorformlings wird eine Matte 10 in einem Heizgerät 12 erwärmt,
um ein thermoplastisches Bindemittel aufzuweichen, so daß die Matte geformt werden
kann. Die Matte kann aus einem einzelnen Typ von Faserverstärkung (z.B. Glasfaser,
Kohlefaser, Kevlar ) hergestellt werden, das mit einem Bindemittel beschichtet wird,
und diese Fasern können im Einklang mit den Anforderungen, denen später das
Endprodukt genügen muß, in jeder geeigneten Weise kombiniert werden.
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Die Matte wird dann in einem Gerät 14 geformt, das, wenn es geschlossen wird, die
Matte abkühlt, um das Bindemittel zu verfestigen, wodurch die gewünschte Form
beibehalten wird. Die Matte wird bei 20 zugeschnitten, um einen Vorformling 18 zu
bilden, der dann in die untere Hälfte 22 einer Form gebracht wird. Die Form weist eine
obere Hälfte 24 mit einem Harzeinlaß 26 auf, wobei der Fluß des Harzes durch ein
Ventil 28 gesteuert wird. Befindet sich der Vorformling in Position, so werden die
Formhälften 22, 24 geschlossen und das Harz wird durch den Einlaß 26 eingespritzt,
um den Formenhohlraum zu füllen und den Vorformling 18 gründlich zu benetzen.
Wenn die Form mit Harz gefüllt ist, läßt man dem Harz genügend Zeit, um
auszuhärten, und die Form wird dann geöffnet, so daß das Erzeugnis 30
ausgeworfen werden kann. Eine Endstufe des Verfahrens ist die Entfernung des
Preßgrates 32 von den Kanten des Erzeugnisses 30. Die vorliegende Erfindung
betrifft besonders die Stufe des Einspritzens von Harz, die in Abbildung 1 mit der
Bezugsziffer 34 bezeichnet ist.
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Abbildung 2 zeigt die Ausrüstung zur Handhabung des Harzes, mit deren Hilfe das
Harz in die Form 22, 24 eingeführt wird.
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Mit Katalysator vermischtes Harz wird in einem Reservoir 36 neben einem mit Luft
gefüllten Hohlraum 38 gespeichert. Das Reservoir 36 wird durch den Harzeinlaß 40
wieder aufgefüllt, und wenn in der Form 22, 24 Harz benötigt wird, führt man es in
dieser Richtung über eine Leitung 42 zu. Um das Reservoir 36 wieder aufzufüllen,
wird das Ventil 44 geschlossen, das Ventil 46 geöffnet und die Luft aus dem
Hohlraum 38 gepumpt, um das Harz durch den Einlaß 40 in das Reservoir zu ziehen.
Um Harz in die Form 22, 24 zu pumpen, wird das Ventil 46 geschlossen, das Ventil 44
geöffnet und der Hohlraum 38 unter Druck gesetzt, um das Harz durch die Leitung 42
zu zwingen.
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Das katalysierte Harz wird im Reservoir 36 auf einer Temperatur gehalten, die deutlich
unterhalb der Aktivierungstemperatur des Katalysators liegt, so daß während eines
längeren Zeitraumes ein Vorrat an katalysiertem Harz in einem verwendbaren
Zustand aufbewahrt werden kann.
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Wird das Harz der Form 22, 24 zugeführt, so strömt es die Leitung 42 entlang zu
20 einer Mikrowellenheizeinheit 48, wo die Harztemperatur erhöht wird, unmittelbar bevor
das Harz in den Formenhohlraum strömt. Die Mikrowellenheizeinheit 48 umfaßt ein
Magnetron 50, in dem die Mikrowellen erzeugt werden, einen Wellenleiter 52, den die
Wellen durchlaufen, und eine Bestrahlungsvorrichtung 54, in der die Wellen auf das
Harz einwirken, um die Harztemperatur zu erhöhen. Das Magnetron 50 wird durch
eine Reglereinheit 56 gesteuert. Der Wellenleiter umfaßt eine Wasserendlast 58 in
einem Zweig des Wellenleiters 52, und ein Zirkulator 60 regelt die Ausbreitung der
Mikrowellen im Wellenleiter. Abstimmungsschrauben 62 im Wellenleiter können
hinein- oder herausgedreht werden, um die Form des elektromagnetischen Feldes
innerhalb des Wellenleiters zu verändem. Der Wellenleiter 52 und der Zirkulator 60
sind so eingerichtet, daß die durch das Magnetron 50 erzeugten Mikrowellen
vollständig zur Bestrahlungsvorrichtung 54 geleitet werden. Die Mikrowellenenergie
wird vom Harz in der Leitung 42 absorbiert, doch ein Teil der Mikrowellenenergie wird
nicht absorbiert und reflektiert. Der Zirkulator 60 leitet die reflektierte Energie in die
Wasserendlast 58, durch die Wasser mit einer bekannten Durchsatzrate strömt.
Durch Überwachung des Temperaturanstiegs in der Wasserendlast 58, und aufgrund
der Kenntnis der vom Magnetron 50 erzeugten Mikrowellenenergiemenge ist es
möglich, ein Ergebnis zu erhalten, das sich auf die Menge der vom Harz absorbierten
Energie oder Leistung bezieht.
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Um die Steuerung des Systems zu ermöglichen, überwachen Thermoelemente 64 die
Wassertemperatur und Thermoelemente 66 die Harztemperatur. Signale von diesen
Thermoelementen und von der Reglereinheit 56 werden alle in eine Rechnereinheit
68 gespeist, die ein Rückkopplungssignal erzeugen kann, um die Reglereinheit 56 zu
steuern und somit die Leistungsabgabe des Magnetrons zu regeln.
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Die Bestrahlungsvorrichtung selbst ist genauer in den Abbildungen 3 und 4 gezeigt.
Sie umfaßt ein abgeschlossenes trommelähnliches Gehäuse 68 aus einem Metall,
etwa Messing, das Mikrowellen reflektiert. Im Zentrum des Gehäuses befindet sich ein
Kanal, durch den Harz 70 strömt. Der Kanal wird durch eine Kammer 72 aus PTFE
gebildet, die in einer Reihe mit der Harzzuführleitung 42 verbunden ist, wie in
Abbildung 4 gezeigt. Das PTFE-Material ist für Mikrowellen transparent und absorbiert
sie nicht.
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Die Abmessungen des Gehäuses 68 sind beim Bestreben, den
Mikrowellenresonanzmodus für die Anwendung geeignet zu gestalten, von kritischer
Bedeutung. Mikrowellenresonanzmodi werden mit der TM-Notation (transversal
magnetisch) bezeichnet. Typische TM-Notationen sind TM&sub0;&sub1;&sub1; und TM&sub0;&sub2;&sub0;. Die erste
Ziffer hinter dem "TM" bezeichnet die Anzahl der vollständigen Perioden des
elektrischen Feldes in winkelrichtung, die während einer Umdrehung um eine Achse
zu finden sind. Die zweite Ziffer bezieht sich auf die Zahl der Minima des elektrischen
Feldes in Radialrichtung von der Achse zum Rand. Die dritte Ziffer ist die Anzahl
halber Wellenlängen des elektrischen Feldes in der Axialrichtung einer stehenden
Welle in der Bestrahlungsvorrichtung.
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Um ein gewisses Maß an Abstimmbarkeit des Hohlraumes der
Bestrahlungsvorrichtung 68 zu erhalten, endet der Wellenleiter 52 in einem
metallischen, d.h. reflektierenden, Fenster 86, dessen Größe verändert werden kann,
um ein gewisses Maß an Feinabstimmung zu gewährleisten. Die Veränderung der
Fenstergröße beeinflußt die in die Bestrahlungsvorrichtung eingekoppelte
Energiemenge, d.h. unterschiedliche Größen verändern die Energiemenge, die
reflektiert und damit von der Wasserendlast 58 absorbiert wird.
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Abbildung 4 zeigt eine Wellenform 74 im Gehäuse 68, wobei diese Wellenform eine
TM&sub0;&sub2;&sub0;-Wellenform darstellt. Abbildung 5 zeigt dies genauer, und man wird erkennen,
daß die Feldstärke an dem Punkt, an dem das Harz 70 die Wand der PTFE-Kammer
72 berührt, gleich null ist. Daher tritt an dieser Wand keine Erwärmungswirkung durch
die Mikrowellen auf. Die maximale Erwärmung wird im Zentrum des Hohlraumes 72
stattfindet, wobei die Erwärmungswirkung von den Wänden zum Zentrum hin
kontinuierlich zunimmt.
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Es wäre sehr wünschenswert, einen Verlauf der Wellenform 74 zu erzeugen, der mit
dem Geschwindigkeitsverlauf des den Hohlraum durchströmenden Harzes
übereinstimmt, da dies dann zu einer im wesentlichen gleichförmigen
Temperaturverteilung an jedem Punkt im vorwärts strömenden Harz führen sollte.
Ein besonderer Vorteil der Erwärmung durch Mikrowellen ist es, daß diese innerhalb
sehr kurzer Zeiträume an- und ausgeschaltet werden kann. Das Transfergießen von
Harz ist ein intermittierendes Verfahren; wenn nämlich eine Form mit Harz gefüllt
wurde, muß der Harzfluß stoppen, und es muß so lange gewartet werden, bis das
Erzeugnis ausgeworfen wurde, bevor der Strom wieder gestartet werden kann, um die
Form im nächsten Arbeitsvorgang wieder zu füllen. Um Verschwendung von Harz zu
vermeiden, ist es wichtig, daß sich das Harz nicht zersetzt, während es in der
Versorgungsleitung ruht, und die Verwendung von Erwärmung durch Mikrowellen, die
eigens für die Zeiträume, in denen das Harz strömt, angeschaltet werden kann, und
die dem Harz keine zusätzliche thermische Belastung zufügt, kann sehr wirksam sein.
In der Praxis kann der Mikrowellenschaltkreis kurze Zeit vor dem Ende des
Einspritzens abgeschaltet werden, so daß die Versorgungsleitung 42 vollständig mit
Harz gefüllt ist, das noch überhaupt keiner Erwärmung ausgesetzt war, wenn das
Einspritzen beendet ist.
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Die Abbildungen 6 und 7 sind Verläufe der Temperatur gegen die Zeit. In Abbildung 7,
die den Stand der Technik darstellt, worin das einströmende Harz nicht erwärmt wird,
beträgt die Gesamtzeit 78 für den Arbeitsvorgang mehr als 700 Sekunden, und die
Benetzungszeit 80 beträgt etwa 150 Sekunden. In diesem Gerät nach dem Stand der
Technik wird die Form auf einer gewünschten, hohen Temperatur gehalten, bevor
jegliches Harz eingefüllt wird. Wird das kalte Harz eingefüllt, so erfährt ein Teil der
Form um den Einlaß des Harzes herum eine "thermische Abschreckwirkung", d.h.
durch den Einfluß des einströmenden kalten Harzes wird ein Temperaturabfall der
Form bewirkt. Steigt die Berührungsdauer zwischen dem Harz und der Form an, so
erwärmt sich das Harz. Erreicht das Harz als Ergebnis der Erwärmung durch die
heißeren Wände der Form ein gewisses Temperaturniveau, so findet eine exotherme
Reaktion statt, die die Temperaturspitzen 82 erzeugt. Im weiteren Verlauf der
Reaktion verringert sich der exotherme Effekt, so daß die Temperatur abfällt.
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Betrachtet man Abbildung 7, so werden die Kurven 82a, 82b und 82c von
Temperaturfühlern erzeugt, die sich nahe des Harzeinlasses befinden. Man sieht, daß
ein scharfer Temperaturabfall eintritt, wenn anfangs kaltes Harz eingeführt wird. Ist
die Einwirkung vollständig, so beginnt die Temperatur zu steigen, bis sie den
Schwellenwert erreicht, der zu den exothermen Spitzen 84a, 84b und 84c führt. Im
Gegensatz dazu beziehen sich die Kurven 82d, 82e und 82f auf Temperaturfühler, die
sich in einer gewissen Entfernung vom Harzeinlaß befinden. Wenn das Harz diese
Punkte erreicht, hat es sich durch die Berührung mit dem Gerät erwärmt, und somit
treten die exothermen Spitzen bereits relativ früh im Arbeitsvorgang auf. In der Folge
findet das Aushärten im entfemten Bereich des Gerätes sehr viel früher statt als nahe
am Einlaß, wie auch in Abbildung 7 deutlich gezeigt ist, und da das Erzeugnis nicht
ausgeworfen werden kann, bevor das Aushärten vollständig ist, erfordert das
Aushärten eine beträchtliche Zeitspanne.
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Wird im Gegensatz dazu das Harz jedoch vorgewärmt, so wird eine Situation erzeugt,
wie sie in Abbildung 6 gezeigt ist, in der ein sehr geringer Temperaturabfall
(thermischer Schock) auftritt, wenn das Harz in die Form eintritt. Die exothermen
Spitzen 84d, e und f und die Spitzen 84a, b und c liegen sehr dicht beieinander. Was
sich tatsächlich ereignet, ist, daß die Spitzen 84d, e und f ungefähr zu demselben
Zeitpunkt auftreten wie in Abbildung 7, daß jedoch die Spitzen 84a, b und c sehr viel
früher und dichter bei der anderen Gruppe von Spitzen erscheinen. Die Gesamtzeit
für den Arbeitsvorgang verringert sich dann auf dramatische Weise.