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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer endlosfaserverstärkten Hohlkörperstruktur. Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zur Herstellung von endlosfaserverstärkten Hohlkörperstrukturen bekannt, die folgende Schritte umfassen:
- – Bereitstellen eines profilförmigen Hohlkörpers, wobei der Hohlkörper aus einem Verbund gebildet ist, der in eine thermoplastische Matrix eingebettete temperaturstabile Endlosverstärkungsfasern umfasst,
- – Anordnen eines Stützmediums innerhalb des Hohlkörpers,
- – Aufnehmen des Hohlkörpers innerhalb eines Formwerkzeug-Hohlraumes eines Spritzgusswerkzeuges, wobei der Hohlraum von mindestens einer Formwerkzeug-Wandung umschlossen wird, welche die Endkontur der Hohlkörperstruktur definiert,
- – Anspritzen von weiterem thermoplastischen Kunststoffmaterial mittels eines Spritzgießverfahrens auf die äußere Oberfläche des Hohlkörpers zur Ausbildung der Endkontur der Hohlkörperstruktur, wobei aufgrund des Schmelzedrucks und der Wärmeenergie der Schmelze des weiteren thermoplastischen Kunststoffmaterials eine stoffschlüssige Verbindung des Hohlkörpers mit dem weiteren thermoplastischen Material erfolgt,
- – Abkühlen der gebildeten Hohlkörperstruktur und Entnehmen der gebildeten Hohlkörperstruktur aus dem Spritzgusswerkzeug.
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Nachteilig am Verfahren des Stands der Technik ist, dass diese Hohlkörperstrukturen aufgrund des Schmelzedrucks von innen gestützt werden müssen, wobei hierfür ein Fluid, vornehmlich Wasser oder Öl, verwendet wird. Die Verwendung eines Fluids führt dazu, dass sehr hohe Anforderungen an die Dichtheit des Gesamtsystems gestellt, und zudem im Spritzguss erhebliche Einschränkungen bzgl. der Geometrie in Kauf genommen werden müssen. Insbesondere bei hohen Anspritztemperaturen bzw. Schmelzetemperaturen führt die Wärmeenergie der Schmelze dazu, dass der Hohlkörper bereichsweise durchschmilzt und das Fluid aus dem Hohlkörper austreten kann. Insbesondere bei dünnwandigen Hohlkörpern, wie sie insbesondere im Automobilbau aufgrund der Gewichtseinsparung angestrebt werden, tritt dieser Effekt umso stärker zutage. Insbesondere bei den bereits erwähnten dünnwandigen Hohlkörpern (in der Regel Wandstärke kleiner 4 mm) kann selbst für den Fall, dass es nicht zu einem Durchschmelzen des Hohlkörpers kommt, dahingehend ein Problem entstehen, dass das innerhalb des Hohlkörpers befindliche Fluid die Wandung des Hohlkörpers in die Bereiche der Formwerkzeug-Wandung drückt, welche eigentlich für die Aufnahme des weiteren thermoplastischen Kunststoffmaterials vorgesehen sind. Hierdurch ergeben sich auch Beschränkungen hinsichtlich der Strukturen die von dem weiteren thermoplastischen Material gebildet werden, da diese Strukturen nur sehr filigran bzw. nicht zu großflächig ausgebildet werden dürfen.
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Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung einer endlosfaserverstärkten Hohlkörperstruktur dahingehend zu verbessern, dass die Anforderungen an die Dichtheit des Gesamtsystems reduziert und gleichzeitig die Geometriebeschränkungen im Spritzgießverfahren verringert werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer endlosfaserverstärkten Hohlkörperstruktur, umfassend die folgenden Schritte:
- – Bereitstellen eines profilförmigen Hohlkörpers, wobei der Hohlkörper aus einem Verbund gebildet ist, der in eine thermoplastische Matrix eingebettete temperaturstabile Endlosverstärkungsfasern umfasst,
- – Anordnen eines Stützmediums innerhalb des Hohlkörpers,
- – Aufnehmen des Hohlkörpers innerhalb eines Formwerkzeug-Hohlraumes eines Spritzgusswerkzeuges, wobei der Hohlraum von mindestens einer Formwerkzeug-Wandung umschlossen wird, welche die Endkontur der Hohlkörperstruktur definiert,
- – Anspritzen von weiterem thermoplastischen Kunststoffmaterial mittels eines Spritzgießverfahrens auf die äußere Oberfläche des Hohlkörpers zur Ausbildung der Endkontur der Hohlkörperstruktur, wobei aufgrund des Schmelzedrucks und der Wärmeenergie der Schmelze des weiteren thermoplastischen Kunststoffmaterials eine stoffschlüssige Verbindung des Hohlkörpers mit dem weiteren thermoplastischen Material erfolgt,
- – Abkühlen der gebildeten Hohlkörperstruktur und Entnehmen der gebildeten Hohlkörperstruktur,
wobei erfindungsgemäß das Stützmedium eine Granulat-Mischung, umfassend 30 Gewichts-% bis 70 Gewichts-%, vorzugsweise 35 Gewichts-% bis 65 Gewichts-% Granulat A mit einer Kornklasse 0,3 mm bis 1 mm und umfassend 70 Gewichts-% bis 30 Gewichts-%, vorzugsweise 65 Gewichts-% bis 35 Gewichts-% Granulat B mit einer Kornklasse 1,6 mm bis 6 mm, jeweils bezogen auf die Summe der Granulate A und B als 100 Gewichts-%, umfasst.
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Der Schritt des Anordnens eines Stützmediums innerhalb des Hohlkörpers kann vor oder nach jedem der Schritte erfolgen, die vor dem Schritt des Anspritzens von weiterem thermoplastischen Kunststoffmaterial liegt oder liegen. Die Kornklasse ist die Bezeichnung eines Granulats mittels unterer (d) und oberer (D) Siebgröße, also des Granulats welches zwischen zwei benachbarten Prüfsieben anfällt, ausgedrückt als d bis D. Die Bezeichnung schließt ein, dass es weder ein Unter- noch ein Überkorn gibt.
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Nach dem Anordnen des Stützmediums innerhalb des Hohlkörpers kann der Hohlkörper endseitig verschlossen werden. Das endseitige Verschließen kann mittels wenigstens zweier Verschlusselemente (z.B. Stopfen und/oder Expansionselementen, also sich bei Druckbeaufschlagung mit einem Fluid ausdehnende Elemente) erfolgen. Das endseitige Verschließen kann alternativ oder ergänzend mittels in das Spritzgusswerkzeug integrierter Verschlusselemente (z.B. verfahrbare Schieber oder Stempel) erfolgen.
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Nach dem Anordnen des Stützmediums innerhalb des Hohlkörpers kann das Stützmedium nachverdichtet werden. Das Stützmedium kann insbesondere mittels einer Vibrationsanregung des Stützmediums nachverdichtet werden.
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Die erfindungsgemäße Granulat-Mischung hat sich als besonders geeignet für ein Stützmedium erwiesen, da dieses sowohl den Hohlkörper ausreichend von Innen stützt als auch eine geringe Sedimentation und eine geringe Abzeichnung der Granulat-Mischung auf der Außenoberfläche des Hohlkörpers bewirkt. Darüber hinaus bleibt die Wiederverwendbarkeit der Granulat-Mischung gegenüber einem verlorenen Kern als Stützmedium erhalten.
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Bevorzugt besteht das Granulat A und/oder das Granulat B aus einem metallischen Werkstoff. Der metallische Werkstoff des Granulats A und/oder des Granulats B kann Aluminium, Eisen, Kupfer, Titan, Magnesium, Nickel, Chrom, Kobalt, Blei, Vanadium, Zirkonium, Niob, Zink und / oder Zinn umfassen.
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Insbesondere Stahlrundgranulat, wie es gewöhnlicher weise für sog. Strahlmittel benutzt wird, hat sich in Versuchen als besonders geeignet für die Herstellung der Granulat-Mischung erwiesen.
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Alternativ oder in Kombination kann das Granulat A und/oder das Granulat B aus einem keramischen Werkstoff bestehen. Dies bedeutet, dass entweder das Granulat A oder das Granulat B aus einem metallischen Werkstoff und entsprechend entweder das Granulat B oder das Granulat A aus einem keramischen Werkstoff bestehen kann oder, dass das Granulat A und das Granulat B aus einem keramischen Werkstoffen bestehen kann.
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Der keramische Werkstoff des Granulats A und/oder des Granulat B kann ein Metalloxid, ein Carbid, Nitrit und/oder ein Silizid umfassen. Beispiele für keramische Werkstoffe sind Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Zirkoniumoxid, Titandioxid, Aluminiumnitrit, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid oder Borcarbid.
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Alternativ oder in Kombination kann das Granulat A und/oder das Granulat B aus einem Wachs, insbesondere einem gefüllten Wachs und/oder einem Hochtemperatur-Polymer bestehen. Dies bedeutet, dass entweder das Granulat A oder das Granulat B aus einem metallischen Werkstoff oder einem keramischen Werkstoff oder einem Wachs oder einem Hochtemperatur-Polymer und entsprechend entweder das Granulat B oder das Granulat A aus einem Wachs oder einem Hochtemperatur-Polymer bestehen kann oder, dass das Granulat A und das Granulat B aus einem Wachs oder einem Hochtemperatur-Polymer bestehen kann.
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Als Wachs eignen sich insbesondere Bienenwachs, Wollwachs, Karnaubawachs, Lipide, Erdwachse, Paraffine oder andere synthetische Wachse. Das Hochtemperatur-Polymer des Granulats A und/oder des Granulats B kann ein Polyaryle, ein Polyphenylensulfide, ein Polyethersulfone, ein Polyetherketone, ein Polyarylate, ein Polyamide, ein Poly-m-phenylenisophthalamid, ein Polyimide, ein Polybenzimidazole, ein Polyetherimid, ein Fluorpolymere, ein Polytetrafluorethylen, ein Perfluoralkoxylalkan und/oder ein Polyphenylene umfassen.
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Bevorzugt wird im Teilbereich der Anspritzbereichs des weiteren thermoplastischen Kunststoffmaterials der Hohlkörper zusätzlich vorgewärmt. Bevorzugt wird der Hohlkörper bzw. der Teilbereich des Hohlkörpers auf eine Temperatur im Bereich von 80°C bis 220°C vorgewärmt. Weiter bevorzugt wird der Hohlkörper bzw. der Teilbereich des Hohlkörpers bis an oder bis über die Schmelztemperatur der thermoplastischen Matrix vorgewärmt.
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Das weitere thermoplastische Material kann eine Verstärkungsstruktur und/oder einen Verbindungspunkt und/oder eine Schicht und/oder einen Dekorbereich und/oder einen Dichtungsabschnitt bilden.
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Zwischen dem Stützmedium und der Innenfläche des Hohlkörpers kann zusätzlich ein Dichtschlauch oder eine Dichtschlauchfolie angeordnet sein. Der Dichtschlauch kann insbesondere aus einem Elastomer, beispielsweise einem Silikonmaterial, bestehen und die Dichtschlauchfolie aus einem Hochtemperatur-Polymer, wie beispielsweise ein Polyaryle, ein Polyphenylensulfide, ein Polyethersulfone, ein Polyetherketone, ein Polyarylate, ein Polyamide, ein Poly-m-phenylenisophthalamid, ein Polyimide, ein Polybenzimidazole, ein Polyetherimid, ein Fluorpolymere, ein Polytetrafluorethylen, ein Perfluoralkoxylalkan und/oder ein Polyphenylene. Eine Schlauchfolie aus einer Schicht aus Polyamid 6.6 hat sich als besonders geeignet erwiesen.
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Die Dichtschlauchfolie kann wenigstens zwei Schichten umfassen, wobei die Schmelztemperatur des Materials wenigstens einer der Schichten größer ist als die Schmelztemperatur der thermoplastischen Matrix. Insbesondere weist die Außenschicht, also diejenige Schicht der Dichtschlauchfolie, welche der Innenfläche des Hohlkörpers zugewandt ist, eine Verträglichkeit zu dem Material der thermoplastischen Matrix und/oder die gleiche Schmelztemperatur wie die thermoplastische Matrix auf, so dass eine stoffschlüssige Verbindung im Wege des Verschweißens oder Lötens realisiert werden kann. Vorzugsweise ist das Material der Außenschicht der mehrschichtigen Dichtschlauchfolie identisch oder artgleich zu dem Material der thermoplastischen Matrix und mindestens eine der weiteren Schichten der Dichtschlauchfolie ist durch ein Material gebildet dessen Schmelztemperatur größer ist als die Schmelztemperatur der thermoplastischen Matrix. Die Außenschicht kann somit als Übergangsschichtschicht zu der Innenfläche des Hohlkörpers dienen.
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Die Dichtschlauchfolie weist vorzugsweise eine Wanddicke im Bereich von 0,01 mm bis 0,2 mm, weiter vorzugsweise im Bereich von 0,02 mm bis 0,1mm, weiter vorzugsweise im Bereich von 0,03 mm bis 0,08 mm auf.
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Die temperaturstabilen Endlos-Verstärkungsfasern können durch Mineralfasern, insbesondere Glasfasern, und/oder durch Carbonfasern, und/oder durch hochtemperaturpolymere Fasern, und/oder durch Basaltfasern und/oder durch Fasern von nachwachsenden Rohstoffen gebildet sein. Temperaturstabil meint, dass die Endlos-Verstärkungsfasern während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens keine signifikante thermische Schädigung erfahren und selbst nicht aufschmelzen. Endlos-Verstärkungsfasern sind Fasern, die den jeweiligen Hohlkörper in zumindest einer Richtung im Wesentlichen vollständig durchziehen. Ein profilförmiger Hohlkörper lässt sich bevorzugt aus einem sogenannten Verbund-Schlauch aus einem gewebten oder geflochtenen Verbund aus thermoplastischen Matrixfasern und temperaturstabilen Endlos-Verstärkungsfasern herstellen. Ein derartiger Verbund kann als Hybridgarn-Verbund bezeichnet werden. Bevorzugt handelt es sich bei dem Verbund-Schlauch um einen rundgeflochtenen Verbund-Schlauch. Die Matrixfasern können auch als thermoplastische Bänder oder Bändchen ausgebildet sein.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand lediglich Ausführungsbeispiele darstellender Zeichnungen erläutert. Es zeigen schematisch:
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1: eine Querschnittsdarstellung durch einen profilförmigen Hohlkörper mit einem innerhalb des Hohlkörpers angeordneten Stützmedium gemäß der Erfindung;
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2 eine alternative Ausführungsform zu 1 in einer Querschnittsdarstellung;
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3a bis 3f Querschnittsdarstellungen zur Erläuterung des Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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4 eine Darstellung des profilförmigen Hohlkörpers.
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In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt einen Querschnitt eines profilförmigen Hohlkörpers 2, wobei der Hohlkörper 2 aus einem Verbund gebildet ist, der in eine thermoplastische Matrix 3 eingebettete temperaturstabile Endlosverstärkungsfasern 4 umfasst (vgl. 4). Innerhalb des Hohlkörpers 2 ist ein Stützmedium 10 angeordnet. Das Stützmedium 10 umfasst eine Granulat-Mischung, umfassend 30 Gewichts-% bis 70 Gewichts-%, vorzugsweise 35 Gewichts-% bis 65 Gewichts-% Granulat A mit einer Kornklasse 0,3 mm bis 1 mm und umfassend 70 Gewichts-% bis 30 Gewichts-%, vorzugsweise 65 Gewichts-% bis 35 Gewichts-% Granulat B mit einer Kornklasse 1,6 mm bis 6 mm, jeweils bezogen auf die Summe der Granulate A und B als 100 Gewichts-%.
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2 unterscheidet sich zu der 1 dahingehend, dass zwischen dem Stützmedium 10 und der Innenfläche des Hohlkörpers 2 ein Dichtschlauch 20 oder eine Dichtfolie 20‘ angeordnet ist.
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In den 3a bis 3f ist schematisch der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer endlosfaserverstärkten Hohlkörperstruktur 1 dargestellt. Das Verfahren zur Herstellung einer endlosfaserverstärkten Hohlkörperstruktur 1 umfasst die folgenden Schritte:
- – Bereitstellen eines profilförmigen Hohlkörpers 2, wobei der Hohlkörper 2 aus einem Verbund gebildet ist, der in eine thermoplastische Matrix 3 eingebettete temperaturstabile Endlosverstärkungsfasern 4) umfasst (vgl. 3a),
- – Anordnen eines Stützmediums 10 innerhalb des Hohlkörpers 2 (vgl. 3a),
- – Aufnehmen des Hohlkörpers 2 innerhalb eines Formwerkzeug-Hohlraumes 5 eines Spritzgusswerkzeuges 6, wobei der Hohlraum von mindestens einer Formwerkzeug-Wandung 7, 7‘ umschlossen wird, welche die Endkontur der Hohlkörperstruktur 1 definiert (vgl. 3b und 3c),
- – Anspritzen von weiterem thermoplastischen Kunststoffmaterial 8 mittels eines Spritzgießverfahrens auf die äußere Oberfläche 9 des Hohlkörpers 2 zur Ausbildung der Endkontur der Hohlkörperstruktur 1, wobei aufgrund des Schmelzedrucks und der Wärmeenergie der Schmelze des weiteren thermoplastischen Kunststoffmaterials 8 eine stoffschlüssige Verbindung des Hohlkörpers mit dem weiteren thermoplastischen Material 8 erfolgt (vgl. 3d),
- – Abkühlen der gebildeten Hohlkörperstruktur 1 und Entnehmen der gebildeten Hohlkörperstruktur 1 aus dem Spritzgusswerkzeug 6 (vgl. 3e und 3f).
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Erfindungsgemäß umfasst das Stützmedium 10 eine Granulat-Mischung, umfassend 30 Gewichts-% bis 70 Gewichts-%, vorzugsweise 35 Gewichts-% bis 65 Gewichts-% Granulat A mit einer Kornklasse 0,3 mm bis 1 mm und umfassend 70 Gewichts-% bis 30 Gewichts-%, vorzugsweise 65 Gewichts-% bis 35 Gewichts-% Granulat B mit einer Kornklasse 1,6 mm bis 6 mm, jeweils bezogen auf die Summe der Granulate A und B als 100 Gewichts-%.
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Das in den vorstehenden Figuren beschriebene Granulat A und/oder Granulat B kann aus einem metallischen Werkstoff bestehen. Der metallische Werkstoff kann Aluminium, Eisen, Kupfer, Titan, Magnesium, Nickel, Chrom, Kobalt, Blei, Vanadium, Zirkonium, Niob, Zink und / oder Zinn umfassen.
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Alternativ oder in Kombination kann das Granulat A und/oder das Granulat B aus einem keramischen Werkstoff bestehen. Bevorzugt umfasst der keramische Werkstoff ein Metalloxid, ein Carbid, ein Nitrit, ein Borid oder ein Silizid.
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Alternativ oder in Kombination kann das Granulat A und/oder das Granulat B aus einem Wachs, vorzugsweise einem gefüllten Wachs und/oder einem Hochtemperatur-Polymer bestehen. Das Hochtemperatur-Polymer kann ein Polyaryle, ein Polyphenylensulfide, ein Polyethersulfone, ein Polyetherketone, ein Polyarylate, ein Polyamide, ein Poly-m-phenylenisophthalamid, ein Polyimide, ein Polybenzimidazole, ein Polyetherimid, ein Fluorpolymere, ein Polytetrafluorethylen, ein Perfluoralkoxylalkan und/oder ein Polyphenylene umfassen.
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Zumindest im Teilbereich 14 der Anspritzbereiche des weiteren thermoplastischen Kunststoffmaterials 8 kann der Hohlkörper 2 zusätzlich vorgewärmt werden. Bevorzugt wird der Hohlkörper 2 bzw. der Teilbereich 14 des Hohlkörpers 2 auf eine Temperatur im Bereich von 80°C bis 220°C vorgewärmt. Vorzugsweise erfolgt das Vorwärmen bis an oder bis über die Schmelztemperatur der thermoplastischen Matrix 3 des Hohlkörpers 2. Das weitere thermoplastische Material 8 bildet in den 3a bis 3f gezeigten Ausführungsbeispielen eine Verstärkungsstruktur 15 in Form von Rippen und einem Verbindungspunkt 16 in Form eines Schraubdomes und eine Schicht 17 in Form einer Versteifungs- oder Schutzschicht.
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Wie bereits in der 2 beschrieben, kann auch in den in den 3a bis 3f gezeigten Ausführungsbeispielen zwischen dem Stützmedium 10 und der Innenfläche des Hohlkörpers 2 ein Dichtschlauch 20 oder eine Dichtfolie 20‘ angeordnet sein.
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Generell gilt für alle Ausführungsbeispiele, dass nach dem Anordnen des Stützmediums 10 innerhalb des Hohlkörpers 2 der Hohlkörper 2 endseitig verschlossen werden kann. Das endseitige Verschließen kann mittels wenigstens zweier Verschlusselemente (z.B. Stopfen und/oder Expansionselementen, also sich bei Druckbeaufschlagung mit einem Fluid ausdehnende Elemente) erfolgen. Das endseitige Verschließen kann alternativ oder ergänzend mittels in das Spritzgusswerkzeug 6 integrierter Verschlusselemente (z.B. verfahrbare Schieber oder Stempel) erfolgen. Nach dem Anordnen des Stützmediums 10 innerhalb des Hohlkörpers 2 kann das Stützmedium 10 nachverdichtet werden. Das Stützmedium 10 kann insbesondere mittels einer Vibrationsanregung des Stützmediums 10 nachverdichtet werden.
