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Die
Erfindung betrifft einen Crimp-Stempel, eine Crimp-Vorrichtung,
ein Verfahren zur Herstellung einer Crimp-Verbindung und ein Verfahren
zur Herstellung eines Crimp-Stempels.
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Beim
Crimpen wird durch mechanische Verformung eines Stücks Metall
eine elektrische und/oder mechanische Verbindung hergestellt. Crimp-Verbindungen
werden heute umfangreich dazu genutzt, elektrische Kontakte und
Verbinder an Kabeln anzuschlagen. Hierbei werden Metall-Laschen
eines Kontaktes oder Verbinders so verformt, daß sie das zu kontaktierende
Kabel umschließen und
festklemmen.
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Für das maschinelle
Herstellen derartiger Crimp-Verbindungen werden Crimp-Vorrichtungen eingesetzt,
in denen ein Abschnitt eines Kabels und entsprechende Crimp-Laschen zwischen
einem oberen und einem unteren Crimp-Stempel positioniert werden.
Durch Zusammenbringen des oberen und unteren Crimp-Stempels werden
die Crimp-Laschen um
das Kabel verformt und mit diesem vercrimpt.
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Bekannte
Crimp-Stempel umfassen einen Haltebereich zur Anbringung und Halterung
des Crimp-Stempels an einer entsprechenden Bearbeitungseinrichtung
und einen Bearbeitungsbereich zum Herstellen der Crimp-Verbindung.
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Derartige
Crimp-Stempel müssen
zur Herstellung einer genauen und festen Verbindung einerseits hohe
maßliche
Anforderungen erfüllen.
Andererseits lasten beim Crimp-Vorgang erhebliche Kräfte auf
den jeweiligen Bearbeitungsbereichen der Crimp-Stempel. Aus diesem
Grund werden Crimp-Stempel aus hochlegiertem, abrieb- und verschleißfestem
Werkzeugstahl hergestellt.
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Derartige
Crimp-Stempel zeigen zwar im Einsatz gute Eigenschaften. Die Herstellung
ist aber relativ aufwendig und teuer, da die hochgenaue Bearbeitung
des verwendeten Stahls bspw. durch Drahterosion ausgesprochen zeit-
und kostenintensiv ist.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, einen Crimp-Stempel, eine Crimp-Vorrichtung
und ein Verfahren zur Herstellung einer Crimp-Verbindung sowie ein
Verfahren zur Herstellung eines Crimp-Stempels vorzuschlagen, bei
denen Kosten und Aufwand gegenüber
herkömmlichen
Vorrichtungen und Verfahren gesenkt werden.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch einen Crimp-Stempel nach Anspruch 1, eine Crimp-Vorrichtung nach
Anspruch 14, ein Verfahren zur Herstellung einer Crimp-Verbindung
nach Anspruch 15 und ein Verfahren zur Herstellung eines Crimp-Stempels
nach Anspruch 16. Abhängige
Ansprüche
beziehen sich auf vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
daß der Crimp-Stempel
mindestens teilweise aus einem Leichtmetall besteht. Dieses Leichtmetall,
das mindestens am Bearbeitungsbereich des Crimp-Stempels vorgesehen
ist, ist mindestens auf einem Teil seiner Oberfläche mit einer Keramikbeschichtung versehen.
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Die
Verwendung von Keramik-beschichtetem Leichtmetall für Crimp-Stempel
oder Teile von Crimp-Stempeln bringt gegenüber herkömmlichen Crimp-Stempeln aus
Stahl eine große
Anzahl von Vorteilen. So weisen ganz oder teilweise aus Leichtmetall
hergestellte Crimp-Stempel ein geringeres Gewicht auf, so daß bei der
Verwendung in maschinellen Crimp-Vorrichtungen die bewegten Massen deutlich
geringer sind. Vor allem aber sind Leichtmetalle erheblich schneller
und einfacher zu bearbeiten, so daß die Herstellung schneller
und kostengünstiger wird.
Zusätzlich
kann durch eine geeignete Keramikbeschichtung eine solche Oberflächenbeschaffenheit erreicht
werden, daß die
Oberfläche
härter
und glatter als bei herkömmlichen
Crimp-Stempeln ist und so noch bessere Crimp-Ergebnisse und höhere Standzeiten der Crimpvorrichtung
erzielt werden.
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Bevorzugt
ist der Crimp-Stempel einstückig gefertigt.
Hierbei kann der Crimp-Stempel mehrere Materialien umfassen, die
materialschlüssig
verbunden sind, bspw. einen Stahl- und einen Leichtmetallteil. Besonders
bevorzugt besteht der Crimp-Stempel aber vollständig aus dem Leichtmetall.
Dies gewährleistet
eine besonders einfache Herstellung und maximale Gewichtsersparnis.
Alternativ kann der Crimp-Stempel jedoch auch aus einem anderen
Material, bspw. Stahl bestehen und mindestens teilweise mit dem
Leichtmetall beschichtet sein. Dann verbleibt von den vorgenannten
Vorteilen jedenfalls noch der der besseren Oberflächenbeschaffenheit und
Härtegrad.
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Eine
erfindungsgemäß hergestellter
Crimpstempel weist gegenüber
herkömmlichen
Crimpstempeln den Vorteil der höheren
Bruch- und Standfestigkeit auf, da der Kern gegenüber der
harten Oberfläche
weich und elastisch bleibt und die Stöße des Crimpvorgangs elastisch
aufgefangen werden.
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Das
eingesetzte Leichtmetall ist überwiegend
ein Nicht-Eisen-Metall. Bevorzugt handelt es sich um Aluminium,
Titan oder Magnesium bzw. um eine Legierung, die mindestens 50%
eines der genannten Metalle aufweist. Besonders bevorzugt sind hochfeste
Aluminium-Werkstoffe,
bspw. Aluminium-Legierungen mit mindestens 3% Zn. An Aluminium-Werkstoffen kommen
wegen der hohen Zugfestigkeit insbesondere Aluminium 7075 und Aluminium 7020
in Frage.
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Das
Leichtmetall sollte die für
den Einsatz als Crimp-Stempel notwendige Festigkeit aufweisen. Gemäß einer
Weiterbildung ist vorgesehen, ein Leichtmetall-Material mit einer
Zugfestigkeit von mehr als 350 N/mm2 zu
verwenden. Noch besser sind höhere
Festigkeiten von bevorzugt mehr als 400 N/mm2,
besonders bevorzugt von 500 N/mm2 oder mehr.
Bspw. die bekannte Aluminium-Legierung 7075 weist die letztgenannte
Eigenschaft auf.
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Bezüglich der
Keramikbeschichtung auf dem Leichtmetall-Werkstoff kann es sich
gemäß einer Weiterbildung
um eine Oxid-Keramikschicht handeln, die bevorzugt plasmatechnisch
erzeugt wird. Diese weist eine sehr enge Verbindung mit dem Leichtmetall-Material
auf, da sie unmittelbar an und aus diesem erzeugt wurde. Die Härte der
Keramikbeschichtung ist bevorzugt sehr hoch, d.h. mehr als 1000
HV. Bevorzugt liegt die Härte
der Beschichtung bei mehr als 1200 HV, oder sogar bei mehr als 1500
HV.
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Die
Keramikbeschichtung wird bevorzugt durch plasmachemische Oxidation
in einem Elektrolyten hergestellt. Die Schicht kann eine Dicke von bpsw.
1 bis 150 μm
aufweisen. Zur Verbesserung der Eigenschaften einer Oxid-Keramikschicht
kann diese eingelagerte Komponenten aufweisen, bspw. Ni, Cu, Co,
Fe, Cr, Mo, Ti, Al, Sb, Ag, Zn, Cd, Pb, Sn, Bi, In, Ga sowie Legierungen
hiervon und Karbide, Oxide, Nitride, Boride und Silizide von Metal len,
insbesondere Metalle der Gruppen IVB bis VIB des Periodensystems.
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Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß ein Crimp-Stempel am Bearbeitungbereich
eine 3-D Geometrie aufweist. Hierunter wird eine Geometrie verstanden,
bei der mindestens eine der bei der Verformung der Crimplasche beteiligten
Flächen
eine Form aufweist, die in Längsrichtung des
zu crimpenden Kabels nicht gerade ist. Im Fall eines bevorzugten
plattenförmigen
Crimpstempels, insbesondere oberen Crimpstempels mit Einlaufflächen, entspricht
diese Längsrichtung
der Dickenrichtung des Crimpstempels.
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Mit
einer solchen 3-D Geometrie können Crimpverbindungen
mit speziellen Funktionen erzeugt werden. Die Crimpverbindung kann
bspw. konisch verlaufen oder eine Einprägung umfassen, so daß die Zugfestigkeit
verbessert wird.
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Nachfolgend
werden Ausführungsformen der
Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen
zeigen:
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1 in
perspektivischer Ansicht einen oberen und unteren Crimp-Stempel
mit herzustellender Crimp-Verbindung gemäß einer ersten Ausführungsform;
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2 in
Frontansicht die Crimp-Stempel mit herzustellender Crimp-Verbindung
aus 1;
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2A vergrößerte Ansicht
des Bereiches Z aus 2;
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3 symbolische
Illustration eines Keramisierungsverfahrens;
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4 symbolische
Darstellung eines Teils eines Crimp-Stempels aus 1 mit
Keramikschicht;
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5 eine
perspektivische Ansicht eines oberen Crimpstempels gemäß einer
zweiten Ausführungsform;
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6 eine
perspektivische Ansicht eines unteren Crimpstempels gemäß einer
zweiten Ausführungsform;
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7 eine
perspektivische, vergrößerte Ansicht
einer Crimpverbindung hergestellt mit den Crimpstempeln aus 5, 6.
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In 1 und 2 sind
von einer ersten Ausführungsform
der Erfindung jeweils ein oberer Crimp-Stempel 10 und ein
unterer Crimp-Stempel 12 dargestellt. Bei den Crimp-Stempeln
handelt es sich um flache Körper.
Der obere Crimp-Stempel 10 umfaßt einen Haltebereich 14 und
einen Bearbeitungsbereich 16. Der Haltebereich 14 dient
zur Anbringung und Halterung des Crimp-Stempel 10 an einem Crimp-Werkzeugkopf
(nicht dargestellt). Eine zentrale Öffnung dient zur positionsgenauen
Aufnahme dort.
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Der
Bearbeitungsbereich 16 des Crimp-Stempels 10 ist
nach einer speziellen Stempelgeometrie geformt. Der in 2a vergrößert dargestellte
Bearbeitungsbereich umfaßt
zwei Wangen 18, jeweils mit einer gerundet nach innen verlaufenden
Einlauffläche 20.
Am Ende der Einlauffläche 20 befindet
sich zwischen den Backen ein Crimp-Herz 22.
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Der
untere Crimp-Stempel 12 weist ebenfalls einen unteren Halte-
und Befestigungsbereich zur Aufnahme und Befestigung an einem Unterwerkzeug auf
(nicht dargestellt). Ein Bearbeitungsbereich 26 weist einen
Anschlagkopf 28 auf.
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Zum
Herstellen einer Crimp-Verbindung wird wie in 1, 2, 2a dargestellt
ein Kabel 30 zwischen die Bearbeitungsbereiche 16, 26 des
oberen und unteren Crimp-Stempels 10, 12 eingebracht. An
eine zu kontaktierende Ader 32 des Kabel 30 wird eine
Metall-Kontaktlasche 34 angelegt.
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Die
Crimp-Stempel 12, 10 werden nun wie mit dem Pfeil
in 2 dargestellt zusammengebracht, wobei der Anschlagkopf 28 Ader 32 und Crimp-Lasche 34 in
den Spalt zischen den Einlaufflächen 20 eindrückt. Hierbei
verformt sich die Crimp-Lasche 34 so, daß die Ader 32 umfaßt wird. Zwischen
dem Anschlagkopf 28 und dem Crimp-Herz 22 wird
die Metall-Lasche 34 schließlich zum Herstellen eines
sicheren mechanischen und elektrischen Kontaktes um die Ader 32 zusammengedrückt.
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Bei
den dargestellten Crimp-Stempeln 10, 12 handelt
es sich lediglich um ein Beispiel solcher Crimp-Stempel. Je nach
Einsatz und Anwendung können
hier verschiedenste Typen verwendet werden. So kann einerseits der
Aufnahme- und Befestigungsbereich 14, 24 je nach
beabsichtigter Befestigung sehr unterschiedlich ausgestaltet sein.
Die Gestaltung der Bearbeitungsbereiche 16, 26 wird
je nach gewünschter
Crimp-Verbindung, d.h. bspw. abhängig
vom Aderdurchmesser, Form der Lasche 34 etc. unterschiedlich
gewählt
werden.
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Schließlich kann
eine Crimp-Verbindung nicht nur an der Ader 32 des Kabels 30,
sondern bspw. auch an dessen Isolation hergestellt werden, so daß ein entsprechend
an die Geometrie angepaßter
Crimp-Stempel verwendet würde.
Mehrere Crimp-Verbindungen hintereinander können mit verschiedenen oberen
Stempeln 10 auf einem einstückig ausgebildeten unteren
Stempel mit verschiedenen Abschnitten (nicht dargestellt) ausgeführt werden.
Insbesondere obere Crimpstempel gemäß der in der in 1–2a gezeigten
ersten Ausführungsform
sind durchgängig
plattenförmig
ausgebildet. Ihr Bearbeitungsbereich weist eine reine 2-D Geometrie
auf, d.h. in Dickenrichtung verlaufen die Bearbeitungsflächen (Crimp-Herz 22,
Einlaufflächen 20)
stets gerade.
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Hierbei
können
insbesondere die als Flachstücke
ausgeführten
oberen Stempel 10 sehr verschiedene Stärken aufweisen. Während im
gezeigten Beispiel die Dicke des oberen und unteren Crimp-Stempels 10, 12 jeweils
ca. 2 mm beträgt,
können
Stärken
von bspw. 0,5 mm bis 10 mm je nach Anwendung sinnvoll sein.
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Angesichts
obiger Darstellung des Crimp-Vorgangs wird klar, daß einerseits
die Crimp-Stempel
eine sehr hohe Maßhaltigkeit
erfüllen müssen. Eine
gute Crimp-Verbindung, die einen sicheren elektrischen Kontakt und
eine gute mechanische Verbindung gewährleistet muß sehr exakt
hergestellt werden. Bei bestimmten Anforderungen muß die Verbindung
aus Gründen
des Korrosionsschutzes gasdicht sein. Diese Forderung erfordert
eine äußerst präsize und
mikrometergenaue Herstellung der geometrischen Formen und Abmessungen
der beiden Stempel.
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Andererseits
sind die insbesondere am Anschlagkopf 28 des Unterstempels 12 und
am Crimp-Herz 22 des oberen Crimp-Stempels 10 auftretenden
Kräfte
recht groß.
Durch diese Kräfte
werden insbesondere die Wangen 18 des oberen Crimp-Stempels 10 auseinandergedrückt. Die Crimp-Stempel
müssen
deshalb eine ausreichende Festigkeit aufweisen, so daß sie auch
nach einer großen
Anzahl von mit hoher Kraft durchgeführten Crimp-Vorgängen weiterhin
exakte Maße
aufweisen.
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Schließlich kommt
es auch auf die Beschaffenheit der Oberflächen, hier insbesondere der
Einlaufflächen 20 an.
Hier ist ein Gleiten der Crimp-Lasche 34 erforderlich,
so daß eine
glatte Oberfläche
zu einem verbesserten Ergebnis führt.
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Die
in 1, 2, 2A dargestellten Crimp-Stempel 10, 12 sind
aus einem hochfesten Aluminium-Werkstoff, Aluminium 7075, hergestellt. Diese
Aluminiumlegierung weist eine Zugfestigkeit von 500 N/mm2 oder mehr auf. Sie ist daher zur Aufnahme
der beim Crimpen entstehenden Kräfte
geeignet.
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Die
Crimp-Stempel 10, 12 werden aus dem Rohmaterial
Aluminium 7075 zunächst
ausgeschnitten und dann durch Zerspanung mit einer HSC- oder CNC-Fräse hochgenau
bearbeitet. Weiter kann die Bearbeitung durch Erodieren, Laser-Schneiden
oder Wasserstrahlschneiden erfolgen.
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Anschließend werden
die Oberflächen
der Crimp-Stempel 10, 12 in einem speziellen Verfahren keramisiert.
Dies erfolgt wie in 3 im Prinzip dargestellt durch
eine elektrochemische Behandlung in einem Elektrolyt-Bad. Auf der
Oberfläche
des Aluminium-Werkstoffs
wird hierbei eine dünne
Keramikschicht von bspw. 1 bis 150 μm Dicke erzeugt. Die Keramikschicht
ist untrennbar mit dem Aluminium-Körper verbunden.
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In 4 ist
als Ergebnis der Keramik-Beschichtung in symbolischer Form ein Teil
eines Aluminium-Substrats 40 gezeigt, das Teil des Crimp-Stempels 10 ist.
Auf der Oberfläche
des dargestellten Ausschnittes ist eine Keramik-Schicht 42 aufgebracht, die
eine Härte
von 1000 bis 2000 HV aufweist. Die Schicht 32 ist unlösbar mit
dem Aluminium-Werkstoff 30 verbunden.
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Es
sind verschiedene Verfahren bekannt zur Erstellung von derartigen
Oxid-Keramikschichten. Die
Verfahren sehen jeweils eine plasmatechnische Oxidation der Substratoberfläche vor.
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So
ist in der EP-A-545 230 ein als Kepla-Coat bezeichnetes Verfahren
und entsprechende Oxid-Keramik-Schicht auf Sperrschicht bildenden Metallen
beschrieben. In einem Elektrolyt-Bad werden Keramikschichten bspw.
auf Aluminium, Magnesium und Titan sowie entsprechenden Legierungen durch
plasmachemische anodische Oxidation bei einer hohen Stromdichte
hergestellt. Hierbei werden sehr hohe Härten der Oxid-Keramik-Schicht
erreicht, die in den dargestellten Beispielen bei 750 bis 2000 HV
liegt. Auf den genauen Inhalt dieser Veröffentlichung wird Bezug genommen
als ein mögliches
Verfahren zur Herstellung der Schicht.
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Ein
weiteres als "Keronite" bekanntes Verfahren
ist beschrieben in EP-A-1 231 299. Dort wird ebenfalls in einem
Elektrolyt-Bad die Oberfläche
eines Nicht-Eisen-Metalls oder einer entsprechenden Legierung oxidiert.
Bei diesem Verfahren werden in die Oberfläche der Oxid-Keramik zusätzliche
Materialien eingelagert. Die Schicht kann danach einer Oberflächenbehandlung
unterzogen werden.
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Für weitere
Details wird auf die o. g. Druckschriften verwiesen, die mit allen
Aspekten zur Durchführung
der Beschichtung hier einbezogen werden.
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Die
Crimp-Stempel 10, 12 werden entsprechend dem o.
g. Verfahren beschichtet. Hierbei würde es ausreichen, die Bearbeitungsbereiche 16, 26 zu
beschichten.
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Die
so beschichteten Werkstücke
weisen die für
die Verwendung als Crimp-Stempel notwendigen Eigenschaften auf.
Die Oberflächen,
mindestens der Bearbeitungsbereiche 16, 26 weisen
nach der Beschichtung eine hohe Härte auf. Auch nach einer Vielzahl
von durchgeführten
Crimp-Prozessen ist die Oberfläche
der Bearbeitungsbereiche 16, 26 daher unverändert.
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Die
Oberfläche
ist auch ausreichend glatt, so daß es zu guten Crimp-Ergebnissen
kommt. Ggf. kann die Oberfläche
an den Bearbeitungsbereichen noch entsprechend nachbearbeitet, bspw.
poliert, geläppt
etc. werden.
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Insbesondere
aber ergibt sich eine erhebliche Einsparung, einerseits hinsichtlich
des Gewichtes, aber vor allem bei Bearbeitungsdauer, Kosten und
Standzeiten.
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Bei
der in 5–7 dargestellten
zweiten Ausführungsform
weisen Crimpstempel 10', 12' jeweils einen
veränderten
Bearbeitungsbereich 16', 26' auf. Im Übrigen stimmen
die Stempel 10', 12' hinsichtlich
ihrer Form, Beschaffenheit und Herstellung mit den oben beschriebenen
Stempeln 10, 12 überein.
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Der
Bearbeitungsbereich 16' des
oberen Stempels 10' weist
keine reine 2D-Geometrie auf. Die Einlaufflächen 20' verlaufen in Dickenrichtung nicht
gerade, sondern es ist an beiden Einlaufflächen 20' je eine Wulst 50 gebildet.
Auch der Bearbeitungsbereich 26' des unteren Stempels 12' weist keine
reine 2D-Geometrie auf. Hier ist auf beiden Seiten jeweils eine
Nut 52 gebildet.
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In 7 ist
eine mit den Stempeln 10', 12' hergestellte
Crimpverbindung dargestellt. Die Metallasche 34 ist um
die Ader 32 des Kabels 30 gelegt und fest vercrimpt.
Durch die Zusammenwirkung der Wülste 50 des
oberen Crimpstempels 10' und
der Nuten 52 des unteren Crimpstempels 12' ist eine Nut 54 in
die Metallasche 34 geprägt
worden. Diese Nut 54 dient dazu, die Zugfestigkeit der
Verbindung in Längsrichtung
zu erhöhen.
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Die
Bearbeitungsbereiche der Stempel 10', 12' werden durch 3D-Formfräsen erzeugt.
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Die
in den 5–7 dargestellte
3-D Geometrie der Bearbeitungsbereiche 16', 26' ist nur als ein Beispiel möglicher
3-D Geometrien gezeigt. An den aus Leichtmetall bestehenden Bearbeitungsbereichen
von Crimpstempeln kann durch 3-D Formfräsen einfach jede gewünschte Geometrie
erzeugt werden.
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Weitere
Beispiele umfassen Geometrien, bei denen der Bearbeitungsbereich
in Dickenrichtung bspw. konisch verläuft.
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Durch
die erfindungsgemäße Herstellung von
Crimpstempeln aus Leichtmetall kann der Aufwand bei der Lagerhaltung
verringert werden. Aufgrund der schnellen Bearbeitbarkeit durch
Fräsen
ist es möglich,
zunächst
Rohlinge von Crimp-Stempeln herzustellen mit teilweise oder vollständig vorgefertigtem
Halte- und Befestigungsbereich 14, 24, aber noch
ungeformten Bearbeitungsbereich 16, 26. Diese
Rohlinge können
in den verschiedenen benötigten Stärken vorrätig gehalten
werden. Wird nun ein spezieller Crimp-Stempel benötigt, kann
just-in-time der Bearbeitungsbereich des gewünschten speziellen Crimp-Stempels hergestellt
werden, bspw. durch 3D-Formfräsen.
Nach der anschließenden
Beschichtung steht der gewünschte
Crimp-Stempel sehr schnell zur Verfügung.