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1. (WO2019048273) INJECTION MOULDING PROCESS FOR PRODUCING A FAN WITH IMPROVED WELD LINE STRENGTH
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Beschreibung

Titel

Spritzgussverfahren zum Herstellen eines Lüfters mit verbesserter

Bindenahtfestigkeit

Die Erfindung betrifft ein Spritzgussverfahren zum Herstellen mindestens eines Lüfters mit einer Lüfternabe und mit einem über mindestens zwei Lüfterblätter mit der Lüfternabe verbundenen Lüfterband.

Stand der Technik

Im Bereich der Motorkühlung von Fahrzeugen sind elektrisch angetriebene Laufräder bzw. Lüfter mit einem umlaufenden Lüfterband etabliert. Durch das umlaufende Lüfterband kann ein Geräuschpegel reduziert und der Wirkungsgrad des Lüfters erhöht werden. Derartige Lüfter werden üblicherweise spritzgegossen und bestehen aus faserverstärkten Werkstoffen. Üblicherweise sind die

Werkstoffe Thermoplaste. Im Rahmen einer Herstellung der Lüfter wird durch im Bereich einer Lüfternabe angeordnete Düsen der Werkstoff in eine Kavität einer Spritzgussform zum Formen eines Lüfters injiziert. Der in die Spritzgussform injizierte Werkstoff füllt dabei die Kavität aus. Das Lüfterband wird jedoch zuletzt aufgefüllt, so dass jeweils im Bereich zwischen den Lüfterblättern zwei aufeinander treffende Fließfronten des Werkstoffes eine Bindenaht im Lüfterband bilden können.

Bindenähte stellen wegen der ungünstigen Orientierung der Makromoleküle senkrecht zu einer Fließrichtung im Bauteil bzw. einem Lüfter eine mechanische Schwachstelle dar. Diese Schwachstelle ist vor allem bei faserverstärkten Kunststoffen stärker ausgeprägt, da die Fasern nicht über die Bindenaht hinweg ragen.

Je nach Ausführung der Spritzgussform können im Bereich der Bindenaht Gaseinschlüsse entstehen, die die Festigkeit der Bindenaht zusätzlich schwächen. Durch die Reduzierung der Materialfestigkeit im Bereich der Bindenähte kann eine Verwendung von kostengünstigen Materialien als Werkstoff für schnell drehende Lüfter mit einem Lüfterband, wie beispielsweise Polypropylen oder Rezyklate mit Restverunreinigungen, aus mechanischen Gründen ausgeschlossen sein, da aufgrund der höchsten Rotationsgeschwindigkeit im Bereich des Lüfterbandes dieser Bereich mechanisch am stärksten belastet ist.

Offenbarung der Erfindung

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden ein verbessertes Spritzgussverfahren zum Herstellen von preiswerten und robusten Lüftern vorzuschlagen.

Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.

Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Spritzgussverfahren zum Herstellen mindestens eines Lüfters mit einer Lüfternabe und mit einem über mindestens zwei Lüfterblätter mit der Lüfternabe verbundenen Lüfterband bereitgestellt. Bei dem Spritzgussverfahren weist eine Spritzgussform mindestens eine Kavität für eine Lüfternabe und mindestens eine Kavität für ein Lüfterband und mindestens zwei Kavitäten für mindestens zwei Lüfterblätter auf. Es wird ein zumindest einphasiger Werkstoff bereitgestellt und verflüssigt. Der zumindest einphasige Werkstoff wird über mindestens eine Düse in die Spritzgussform injiziert, wobei mindestens eine in einem Bereich der mindestens einen Kavität für das

Lüfterband angeordnete Bindenaht im Bereich zwischen den Lüfterblättern vermieden oder beseitigt wird.

Die Kavitäten für die mindestens eine Lüfternabe, für die mindestens zwei Lüfterblätter und das mindestens eine Lüfterband bilden mindestens eine Spritzgussform für mindestens einen Lüfter und sind vorzugsweise miteinander werkstoffleitend verbunden. Hierdurch kann ein Werkstoff an einem beliebigen Punkt in die Spritzgussform eingespritzt werden und mindestens ein Lüfter gebildet werden. Durch das erfindungsgemäße Spritzgussverfahren kann kostengünstig und technisch einfach ein Lüfter mit einem umlaufenden

Lüfterband hergestellt werden, bei dem das Lüfterband ohne eine Bindenaht im Bereich zwischen den Lüfterblättern ausgeführt ist. Das ist insbesondere deswegen möglich, da das zur mechanischen Stabilisierung verwendete

Lüfterband ohne eine Bindenaht mechanisch besonders robust ausgeführt ist, sodass auch preiswerte und weniger feste Materialien zur Herstellung des Lüfters verwendet werden können. Die Bindenaht kann hierbei bereits bei dem Spritzgussverfahren vermieden werden oder nachträglich bzw. im Rahmen einer schrittweisen Einspritzung des Werkstoffes beseitigt werden. Dies kann beispielsweise durch eine zumindest einseitig gerichtete Strömungsumkehr und eine daraus resultierende Vermischung der Fließfronten des Werkstoffes realisiert werden. Der zumindest einphasige Werkstoff kann vorzugsweise ein Thermoplast sein. Alternativ können dem zumindest einphasigen Werkstoff als weitere Phasen Treibgase, wie beispielsweise Kohlendioxid oder Stickstoffe oder Füllstoffe, wie beispielsweise Mineralstoffe, (Hohl-)Glaskugeln, Glasfasern, Karbonfasern, mechanische oder chemische Zusätze und dergleichen, zugemischt werden. Der Werkstoff kann alternativ auch ein Duroplast oder ein Harz oder eine Mischung aus mehreren Kunststoffen sein.

Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird der zumindest einphasige Werkstoff über mindestens eine in einem Bereich der mindestens einen Kavität des Lüfterbandes angeordnete Düse in die Spritzgussform injiziert. Ein im Bereich des Lüfterbandes in die Spritzgussform injizierter Werkstoff kann sich über die Kavität des Lüfterbandes in die weiteren Kavitäten der Spritzgussform ausbreiten. Hierdurch kann mindestens eine Bindenaht im Bereich der

Lüfterblätter oder der Lüfternabe entstehen, da die resultierenden Fließfronten der Polymerschmelze bzw. des verflüssigten Werkstoffes erst außerhalb des Lüfterbandes aufeinander treffen können. Vorzugsweise entsteht mindestens eine Bindenaht möglichst nahe an der Lüfternabe. Hierdurch kann die Bindenaht in einem Bereich des Lüfters angeordnet sein, welcher bei einer Rotation geringeren mechanischen Belastungen ausgesetzt ist als das Lüfterband. Eine Lüfterfestigkeit kann dadurch verbessert und eine Berstdrehzahl des Lüfters erhöht werden.

Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird der zumindest einphasige Werkstoff über mindestens eine in einem Bereich der mindestens zwei Kavitäten der mindestens zwei Lüfterblätter angeordneten Düse in die Spritzgussform injiziert. Zusätzlich zu einer Einspritzung des zumindest einphasigen Werkstoffes in die Kavität der Lüfternabe kann der Werkstoff durch mindestens eine im Bereich mindestens eines Lüfterblattes angeordnete Düse in die Spritzgussform hineingeleitet werden. Dadurch kann die mindestens eine Bindenaht in einem Bereich der Lüfterblätter und damit in einem mechanisch weniger beanspruchten Bereich des Lüfters angeordnet sein. Das Einspritzen des zumindest einphasigen Werkstoffs kann über die mindestens eine Düse im

Bereich des Lüfterbandes und über die mindestens eine Düse im Bereich der Lüfterblätter gleichzeitig oder zeitversetzt erfolgen. Hierdurch kann eine radiale Position der mindestens einen Bindenaht auf mindestens einem Lüfterblatt gezielt eingestellt werden. Die Position kann alternativ auch über

unterschiedliche Durchflussraten der jeweiligen Düsen im Bereich der Kavitäten des Lüfterbandes oder der Lüfterblätter einstellbar sein. Dies kann beispielsweise durch unterschiedliche Anguss- oder Anschnittquerschnitte oder durch unterschiedliche Temperierungen und der daraus resultierenden

unterschiedlichen Viskositäten des zumindest einphasigen Werkstoffes realisiert werden. Vorzugsweise kann mindestens eine Düse in einer Kavität für mindestens ein Lüfterband unmittelbar an einem Übergang zu der Kavität für das Lüfterband angeordnet sein. Durch eine oder mehrere derart positionierte Düsen kann eine Bindenaht im Bereich des Lüfterbandes vermieden werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird der zumindest einphasige Werkstoff über mindestens zwei Düsen sequenziell in die

Spritzgussform injiziert. Hierdurch kann der Werkstoff über mehrere Düsen zeitlich versetzt in die Spritzgussform injiziert werden, so dass die resultierenden Fließfronten kontrolliert und eine Position mindestens einer Bindenaht gezielt eingestellt werden können.

Nach einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird der zumindest einphasige Werkstoff über mindestens eine in einem Bereich der mindestens einen Kavität der Lüfternabe angeordnete Düse in die Spritzgussform injiziert. Bei einer Einspritzung des Werkstoffes im Bereich der Kavität für die Lüfternabe entsteht eine erste Strömung des Werkstoffes innerhalb der Spritzgussform.

Durch eine zusätzliche Einspritzung des Werkstoffes in die Kavität für die

Lüfternabe kann eine zweite Strömung des Werkstoffes erzeugt werden, welche der ersten Strömung entgegengerichtet ist. Die erste und die zweite Strömung können abhängig von ihrer jeweiligen Durchflussrate, einer Geometrie des Lüfter, Anzahl und Position der Düsen und abhängig von einer Viskosität der jeweiligen

Strömungen an unterschiedlichen Positionen aufeinander treffen und dadurch mindestens eine Bindenaht bilden. Hierdurch kann anhand einer Vielzahl an Paramatern die Position der Bindenaht eingestellt werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird ein Volumen der mindestens einen Kavität für das Lüfterband zumindest bereichsweise durch mindestens ein Einsetzelement reduziert und nach einem Ausbilden der mindestens einen Bindenaht das Volumen der mindestens einen Kavität für das Lüfterband durch Entfernen des mindestens einen Einsetzelementes

freigegeben. Beispielsweise kann der zumindest einphasige Werkstoff in die

Spritzgussform über die Kavität für die Lüfternabe und/oder über mindestens eine Kavität im Bereich der Lüfterblätter hineingeleitet werden. Für jede zu erwartende Bindenaht im Bereich des Lüfterbandes kann ein Einsatzelement in die Kavität positioniert werden, sodass ein Volumen der Kavität verringert wird. Das Einsetzelement kann beispielsweise ein beweglicher Werkzeugeinsatz, ein

Werkzeugschieber oder ein Werkzeugstift sein. Wenn der zumindest einphasige Werkstoff in die Spritzgussform injiziert wird, können die Einsetzelemente entfernt werden und das Volumen erneut freigeben werden. Dies kann beispielsweise während eines Füllvorganges der Spritzgussform mit dem

Werkstoff, während eines Nachdruckvorganges oder zwischen dem Füllvorgang und einem Nachdruckvorgang erfolgen. Zur Verbesserung der

Bindenahtfestigkeit kann zumindest ein Volumen durch mindestens ein

Einsetzelement zunächst reduziert oder teilgeschlossen werden. Erst nach einem Teil- oder Vollbefüllungsvorgang der Spritzgussform werden diese zusätzlichen Volumen freigegeben und der Lüfter wird vollständig ausgespritzt. Dies kann beispielsweise zeitgesteuert oder druckgesteuert werden. Hierdurch kann eine Strömung des Werkstoffes erzeugt werden. Durch die Strömung entsteht eine Teilüberdeckung der Fließfronten und somit eine Faserverstärkung der mindestens einen ursprüngliche Bindenahtposition, sodass eine Festigkeit der mindestens einen Bindenaht gesteigert werden kann.

Nach einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird durch das mindestens eine Einsetzelement ein Volumen örtlich versetzt zu der mindestens einen Bindenaht reduziert oder freigegeben. Vorzugsweise ist das Volumen derart in der Kavität für das Lüfterband angeordnet, dass bei einem Freigeben des Volumens eine Strömung des Werkstoffes erzeugt werden und die mindestens eine Bindenaht eine Positionsänderung erfahren kann. Durch die

Positionsänderung der mindestens einen Bindenaht kann die Bindenaht durch Reibungsprozesse, Scher- und Dehnströmungen sowie Verwirbelungen durchmischt werden. Hierdurch kann die Bindenaht in ihrer Bruchfestigkeit optimiert werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wir nach dem Freigeben des Volumens der mindestens einen Kavität für das Lüfterband der zumindest einphasige Werkstoff über die mindestens eine Düse zum Auffüllen des mindestens einen Volumens bereitgestellt. Vorzugsweise kann nach dem

Freigeben des mindestens einen Volumens durch das mindestens eine

Einsetzelement durch mindestens eine Düse weiterer Werkstoff in die

Spritzgussform injiziert werden. Dies kann beispielsweise im Rahmen eines Nachdruckvorganges durchgeführt werden. Durch das nachträgliche Injizieren des Werkstoffes kann die mindestens eine Bindenaht durch Verwirbelungen durchmischt und verstärkt werden.

Nach einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird nach dem Freigeben des Volumens der mindestens einen Kavität für das Lüfterband der zumindest einphasige Werkstoff über mindestens eine zuvor aufgefüllte Nebenkavität zum

Auffüllen des mindestens einen Volumens bereitgestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann dadurch unterstützt werden, dass mindestens eine zusätzliche Kavität bzw. Nebenkavität je erwarteter Bindenaht an der Kavität für das

Lüfterband angeschlossen ist. Diese Nebenkavität kann ebenfalls versetzt zu der zu erwartende Bindenaht angeordnet sein. Es ergibt sich somit eine

geometrische Anordnung aus mindestens einer geöffneten Nebenkavität, mindestens einer klassisch zu erwartenden Bindenaht und mindestens einem durch ein Einsetzelement geschlossenem Volumen. Zur Verbesserung der Bindenahtfestigkeit wird die Kavität für das Lüfterband bis auf das mindestens eine geschlossene Volumen sowie die mindestens eine Kavität bzw.

Nebenkavität zumindest teilweise mit dem Werkstoff gefüllt. Danach wird das mindestens eine Volumen durch Entfernen des mindestens einen

Einsetzelementes freigegeben und zeitgleich oder zeitversetzt der Werkstoff aus der mindestens einen Kavität bzw. Nebenkavität zurück in die Kavität für das Lüfterband gepresst. Dadurch kann der Materialstrom des Werkstoffes durch die ursprüngliche Bindenaht erhöhen. Es kann eine verbesserte Überdeckung der Faserverstärkung über die Bindenaht und eine erhöhte Bindenahtfestigkeit realisiert werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens stellt die mindestens eine Nebenkavität den zumindest einphasigen Werkstoff örtlich versetzt zu der mindestens einen Bindenaht bereit. Hierdurch kann eine Strömung des

Werkstoffes erzeugt werden, welche durch mindestens eine Bindenaht verläuft und die Bindenaht vermischt.

Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen

Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigen

Fig. 1 schematische Darstellungen zur Veranschaulichung eines

Spritzgussverfahrens mit Injizierung in eine Kavität für ein Lüfterband gemäß Ausführungsformen der Erfindung,

Fig. 2 schematische Darstellungen zur Veranschaulichung eines

Spritzgussverfahrens mit mehreren entlang einer Spritzgussform verteilten Injizierungen gemäß Ausführungsformen der Erfindung,

Fig. 3 schematische Darstellungen zur Verdeutlichung eines

Spritzgussverfahrens mit zeitlich verzögerten Injizierungen gemäß Ausführungsformen der Erfindung,

Fig. 4 schematische Darstellungen zum Verdeutlichen eines

Spritzgussverfahrens mit in einer Spritzgussform verwendeten

Einsetzelementen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 5 schematische Darstellungen zum Veranschaulichen eines

Spritzgussverfahrens mit in einer Spritzgussform verwendeten

Einsetzelementen und mit an die Spritzgussform angeschlossenen Nebenkavitäten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

In den Figuren weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils dieselben Bezugsziffern auf.

Figur 1 a und 1 b zeigen schematische Darstellungen eines Spritzgussverfahrens 1 mit einer Injizierung eines Werkstoffes in eine Kavität 2 für ein Lüfterband 4 gemäß Ausführungsformen der Erfindung. In Figur 1 a wird über eine Düse 6 ein verflüssigter Werkstoff in die Spritzgussform 3 injiziert. Über die Kavität 2 für das Lüfterband 4 gelangt der Werkstoff in zwei Kavitäten 8 für die Lüfterblätter 10 und in die Kavität 12 für die Lüfternabe 14. Die Spritzgussform 3 besteht aus der Kavität 2 für das Lüfterband 4, die Kavität 12 für die Lüfternabe 14 und die zwei Kavitäten 8 für die Lüfterblätter 10. Die Pfeile verdeutlichen einen Materialfluss des Werkstoffes innerhalb der Spritzgussform 3. An Stellen, wo sich zwei Fließfronten des Werkstoffes treffen entstehen Bindenahten 16. Hierbei entsteht eine Bindenaht 16 im Bereich eines Lüfterblattes 10.

Bei der Figur 1 b erfolgt eine Injizierung des Werkstoffes über zwei Düsen 6. Die Düsen 6 befinden sich hierbei im Bereich der Kavität 2 für das Lüfterband 4 auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Kavität 2. Hierdurch entsteht eine

Bindenaht 16 im Bereich der Lüfternabe 14.

Figur 2 zeigt schematische Darstellungen eines Spritzgussverfahrens 1 mit mehreren entlang einer Spritzgussform 3 verteilten Düsen 6 zum Injizieren des Werkstoffes gemäß Ausführungsformen der Erfindung.

In der Figur 2a wird der Werkstoff über zwei Düsen 6 in die Kavität 2 für die Lüfternabe 4 und über zwei weitere Düsen 6 in die Kavität 12 für die Lüfternabe 14 hineingeleitet. Über die vier Düsen 6 wird die Spritzgussform 3 derart ausgefüllt, dass im Bereich der Lüfterblätter 10 jeweils eine Bindenaht 16 entsteht. Im Bereich der Lüfternabe 14 entsteht zwischen den beiden Düsen 6 ebenfalls eine Bindenaht 6.

Bei der Figur 2b ist ein Ausführungsbeispiel verdeutlicht, bei dem die Düsen 6 im Bereich der Kavität 12 für die Lüfternabe 14 derart angeordnet, dass die Düsen 6 in einem Übergangsbereich zu den Kavitäten 8 der Lüfterblätter 10 angeordnet sind.

In der Figur 2c sind zwei Düsen 6 in einem Übergangsbereich zwischen der Kavität 2 für die Lüfternabe 4 und den Kavitäten 8 für die Lüfterblätter 10 angeordnet. Zwei weitere Düsen 6 sind in einem Übergangsbereich zwischen der Kavität 2 für die Lüfternabe 4 und den Kavitäten 8 für die Lüfterblätter 10 angeordnet.

Die Figur 3 verdeutlicht anhand schematischer Darstellungen ein

Spritzgussverfahrens 1 mit zeitlich verzögerten Injizierungen gemäß

Ausführungsformen der Erfindung.

In den Figuren 3a und 3b sind drei Düsen 6 zum Injizieren eines Werkstoffes in die Kavität 2 für die Lüfternabe 4 angeordnet. Mindestens eine erste Düse 6.1 kann dabei zuerst einen Materialstrom des Werkstoffes bereitstellen. Nach einer definierten Zeitspanne kann mindestens eine zweite Düse 6.2 zum Injizieren des Werkstoffes verwendet werden. Hierdurch kann der zuerst erzeugte

Materialstrom des Werkstoffes gezielt abgelenkt und eine Ausbildung einer Bindenaht 16 im Bereich der Lüfternabe 4 und der Lüfterblätter 8 unterbunden werden.

Die Figur 3c verdeutlicht ein Ausführungsbeispiel des Spritzgussverfahrens 1 , bei dem durch eine zweite Düse 6.2 zeitlich verzögert der Werkstoff in die Kavität 2 der Lüfternabe 4 injiziert wird. Die zweite Düse 6.1 ist hierbei an einer Position angeordnet, an welcher eine Bindenaht 16 entstehen würde. Durch ein zeitlich verzögertes Einleiten eines Werkstoffes an der Position der Bindenaht 16 können die Fließfronten des Werkstoffes durchmischt und eine Bildung der Bindenaht 16 unterbunden werden.

Figur 4 veranschaulicht anhand schematischer Darstellungen ein

Spritzgussverfahren 1 mit in einer Spritzgussform 3 verwendeten

Einsetzelementen 18 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Die Figur 4a zeigt einen ersten Schritt des Verfahrens 1 , bei dem die

Einsetzelemente 18 in der Kavität 2 des Lüfterbandes 4 eingesetzt sind.

Hierdurch werden mehrere Volumen 20 durch die Einsetzelemente 18 beansprucht, die durch den Werkstoff nicht ausgefüllt werden können.

In der Figur 4b wird ein weiterer Schritt des Verfahrens 1 dargestellt. Nach dem Befüllen der Spritzgussform 3 mit dem Werkstoff werden die Einsetzelemente 18 entfernt, wodurch mehrere Volumen 20 freigegeben werden.

Nach dem Freigeben der Volumen 20 in der Kavität 2 des Lüfterbandes 4 wird durch die Düsen 6 weiterer Werkstoff in die Spritzgussform 3 eingeleitet.

Insbesondere im Bereich der bereits gebildeten Bindenahten 16 entsteht hierdurch ein Materialfluss, welcher die Bindenähte 16 vermischt und verstärkt.

Die Figur 5 verdeutlicht durch schematische Darstellungen ein

Spritzgussverfahren 1 mit in einer Spritzgussform 3 verwendeten

Einsetzelementen 18 und mit an die Spritzgussform 3 angeschlossenen

Nebenkavitäten 22 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Im Unterschied zu den Figuren 4a bis 4c werden bei einem Befüllen der Spritzgussform 3 mit dem Werkstoff Nebenkavitäten 22 zumindest teilweise befüllt. Die

Nebenkavitäten 22 sind direkt mit der Kavität 2 des Lüfterbandes 4 verbunden und sind versetzt zu den theoretisch vermuteten Bindenähte 16 angeordnet.

In der Figur 5b werden die Volumen 20 durch die Einsetzelemente 18 nach einem Befüllen der Spritzgussform 3 freigegeben. Anschließend wird der in die Nebenkavitäten 22 eingeleitete Werkstoff aus den Nebenkavitäten 22 hinaus in die Kavität 2 des Lüfterbandes 4 gepresst. Hierdurch entsteht ein Materialfluss aus der jeweiligen Nebenkavität über die jeweilige Bindenaht 16 in das jeweilige freigegebene Volumen 20. Die jeweilige Bindenaht 16 kann hierdurch effektiv durchmischt und entfernt werden.

Durch die verdeutlichten Ausführungsformen des Spritzgussverfahrens 1 kann eine Bindenaht im Bereich eines mechanische stark beanspruchten Lüfterbandes 4 vermieden oder beseitigt werden und somit eine Bruchfestigkeit des Lüfters erhöht werden. Hierdurch können mechanisch verbesserte Lüfter hergestellt werden oder weniger hochwertige Werkstoffe zum Herstellen des Lüfters bei gleichbleibender Bruchfestigkeit verwendet werden.