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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Bauteileverbund nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauteilverbunds.
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Ein derartiger Bauteilverbund zwischen zwei der Stromführung dienenden Bauteilen ist aus dem Stand der Technik allgemein bekannt. Dabei wird das erste Bauteil, das in Form einer Kontaktfahne oder ähnliches ausgebildet ist, mit einer Aufnahmeöffnung in Form einer Durchgangsbohrung ausgestattet. In die so ausgebildete Aufnahmeöffnung wird anschließend ein stiftförmiger Verbindungsabschnitt des zweiten Bauteils eingeführt, wobei die Maßtolerierung zwischen dem Durchmesser der Durchgangsbohrung und dem Außendurchmesser des Verbindungsabschnitts derart aufeinander abgestimmt sind, dass zwischen den beiden Bauteilen eine Presspassverbindung ausgebildet ist. Eine derartige Presspassverbindung hat den Vorteil, dass sie keinerlei zusätzliche Verbindungselemente, wie beispielsweise Schrauben oder ähnliches benötigt und auch keine Verschweißung zwischen den beiden Bauteilen.
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Insbesondere bei aus ungleichen Materialen bestehenden Bauteilen, beispielsweise bei einem ersten Bauteil, das aus Kupfer besteht, und einem zweiten Bauteil, das aus Aluminium besteht, besteht die Problematik, dass aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten die Festigkeit der Presspassverbindung zwischen den beiden Bauteilen temperaturabhängig ist. Darüber hinaus sind derartige, ungeschützte elektrische Verbindungen zwischen zwei Bauteilen grundsätzlich korrosionsgefährdet. Beim Auftreten einer Korrosion im Übergangsbereich zwischen den beiden Bauteilen wird der Übergangswiderstand erhöht. Diese unerwünschte Widerstandserhöhung kann je nach Anwendungsfall so hoch werden, dass die an die Verbindung zwischen den beiden Bauteilen gestellten Anforderungen nicht mehr erfüllt werden, der Betrieb eines elektrischen Geräts oder ähnliches somit über die Lebensdauer betrachtet nicht mehr zuverlässig gewährleistet ist. Insbesondere bei den angesprochenen artungleichen Materialien (Kupfer und Aluminium) ist die Verbindung hinsichtlich der Korrosion besonders empfindlich. Derartige Bauteilverbunde sind beispielsweise bei der elektrischen Kontaktierung von Lithium-Ionen-Batterien mit der Stromführung dienenden Leitungen erforderlich. Diese Verbindungen sind aufgrund des unterschiedlichen elektrochemischen Potenzials besonders anfällig für den Angriff korrosiver Medien. Insbesondere, wenn das Elektrolyt in der Batterie an die Kontaktstelle zwischen dem Kupfer und dem Aluminium gelangt, neigt die Verbindungsstelle sehr stark zur Korrosion.
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Aus der
DE 10 2009 054 476 A1 ist darüber hinaus ein Verfahren zur elektrischen Kontaktierung einer Batteriezelle bekannt, bei der ein Verbindungselement ein ringförmiges Element aufweist, das in eine ringförmige Aussparung des Verbindungselements mittels einer Presspassung eingefügt ist. Beim Verbinden eines stiftförmigen Pols der Batterie mit dem Verbindungselement durchsetzt der Pol das ringförmige Element, das aus demselben Material besteht wie der Pol. Zusätzlich ist die Verbindungsstelle (bei der keine Presspassverbindung vorgesehen ist) mit einer Schweißverbindung ausgestattet. Bei dieser Lösung ist zwar der unmittelbare Verbindungsbereich zwischen dem Pol der Batterie und dem ringförmigen Element dadurch, dass beide Bereiche aus demselben Material bestehen, tendenziell weniger korrosionsanfällig, das Verbindungselement selbst ist jedoch relativ aufwendig gestaltet. Darüber hinaus ist bei allen Bauteilverbunden, bei denen die Aufnahmeöffnung in Form einer Durchgangsöffnung bzw. einem Durchgangsloch ausgebildet ist problematisch, dass der Zutritt beispielsweise von aggressiven Medien von beiden Seiten der Durchgangsöffnung her gesehen in den Verbindungsbereich zwischen den beiden Bauteilen erfolgen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Bauteilverbund zwischen zwei der Stromführung dienenden Bauteilen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass dieser auf konstruktiv einfache Art und Weise einen erhöhten Korrosionsschutz bietet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Bauteilverbund mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die Aufnahmeöffnung in dem ersten Bauteil in Form eines Sacklochs ausgebildet ist. Eine derartige Ausbildung der Aufnahmeöffnung hat den Vorteil, dass der Zutritt beispielsweise von aggressiven Medien, die zur Korrosion führen, nur noch von einer Seite der Verbindung zwischen den beiden Bauteilen möglich ist, und zwar von der Seite, von der das zweite Bauteil mit seinem Verbindungsabschnitt in die Aufnahmeöffnung des ersten Bauteils eingeführt wird. Doch selbst wenn in diesem Bereich bereits Korrosion vorhanden ist besteht die Möglichkeit, dass beispielsweise im Bereich des Sacklochgrunds zwischen den beiden Bauteilen keinerlei Korrosion besteht, so dass der Übergangswiderstand zwischen den beiden Bauteilen nur relativ gering erhöht ist.
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Vorteilhaft ist der erfindungsgemäße Bauteilverbund überall dort einsetzbar, wo elektrische Verbindungen durch einen einfachen, kostengünstigen Einpressvorgang realisiert werden können. Derartige Einsatzgebiete bestehen grundsätzlich bei Hochleistungskontaktierungen im Bereich der Elektrotechnik/Elektronik, bei Batteriekontaktierungen von Lithium-Ionen-Zellen, sowie generell bei Verbindungen zwischen aus Aluminium und Kupfer bestehenden Bauteilen in korrosivem Umfeld.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Bauteilverbunds sind in den Unteransprüchen angeführt.
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Ein bevorzugter Ansatz des Bauteilverbunds besteht bei der Verwendung von Bauteilen aus unterschiedlichen metallischen Werkstoffen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten.
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Da während des Betriebs einer Maschine oder einer Vorrichtung oftmals die Temperatur, auch im Verbindungsbereich zwischen den beiden Bauteilen des Bauteileverbunds ansteigt, ist es erwünscht, dass auch erhöhte Temperaturen am Bauteilverbund zu keiner Verschlechterung der Verbindung bzw. des Übergangswiderstands zwischen den beiden Bauteilen führt. Daher ist es in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das erste Bauteil aus einem Material besteht, das gegenüber dem zweiten Bauteil einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. Eine derartige Ausbildung hat zur Folge, dass der in die Aufnahmeöffnung des ersten Bauteils eingeführte Verbindungsabschnitt des zweiten Bauteils sich bei einer Temperaturerhöhung stärker ausdehnt als der Durchmesser der Aufnahmeöffnung, so dass bei einer Temperaturerhöhung eine erhöhte Anpresskraft zwischen den beiden Bauteilen im Verbindungsbereich erzielt wird, die tendenziell eher zu einer Verringerung des elektrischen Übergangswiderstands führt und in jedem Fall verhindert, dass sich die Verbindung zwischen den Bauteilen löst.
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Um den Zutritt für insbesondere aggressive, die Korrosion im Verbindungsbereich zwischen den Bauteilen verursachender Medien zu verhindern bzw. erschweren, ist es in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass sich an den Verbindungsabschnitt auf der der Aufnahmeöffnung abgewandten Seite über einen Absatz ein Bereich des zweiten Bauteils anschließt, der eine größere Querschnittsfläche aufweist als der Querschnitt des Verbindungsabschnitts, und dass das zweite Bauteil mit seinem Absatz auf der Oberseite des ersten Bauteils aufliegt und den die Aufnahmeöffnung begrenzenden Randbereich am ersten Bauteil überdeckt. Gleichzeitig kann der Absatz auch dazu benutzt werden, um bei der Herstellung der Verbindung die benötigte Einpresstiefe des Verbindungsabschnitts in die Aufnahmeöffnung zu definieren, so dass sich ggf. der Montageprozess besonders einfach und sicher durchführen lässt.
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Eine weitere Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit des Verbindungsbereichs bei der zuletzt beschriebenen Ausbildung wird erzielt, wenn zwischen der Oberseite des ersten Bauteils und dem zweiten Bauteil, insbesondere im Bereich des Absatzes, ein Dichtmittel angeordnet ist. Ein derartiges Dichtmittel soll insbesondere ein Unterwandern des Verbindungsbereichs durch aggressive Medien verhindern.
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Insbesondere bei Geometrien bzw. Bauteilen, bei denen die Ausbildung der Presspassverbindung zwischen den beiden Bauteilen kritisch ist, kann es erwünscht sein, die Presspassverbindung zusätzlich abzusichern bzw. die in den Bauteilen herrschenden Spannungen beim Auslegen einer korrekten Presspassverbindung zu reduzieren. Daher wird in einer weiteren konstruktiven Ausgestaltung des Bauteilverbunds vorgeschlagen, dass die Aufnahmeöffnung einen in Längsrichtung der Aufnahmeöffnung betrachtet im Querschnitt vergrößerten Bereich, insbesondere in Form eines radial umlaufenden Hinterschnitts aufweist, und dass in dem Bereich ein Endbereich des Verbindungsabschnitts zur Ausbildung einer Formschlussverbindung zwischen den beiden Bauteilen angeordnet ist. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass die Verbindung zwischen den beiden Bauteilen des Bauteilverbunds neben der Presspassverbindung zusätzlich eine Formschlussverbindung aufweist. Diese ist insbesondere dann von besonders großer Bedeutung für die Verbindung zwischen den beiden Bauteilen, wenn aufgrund beispielsweise besonders großer Unterschiede in den Wärmeausdehnungskoeffizienten der beiden Bauteile die vorhandene Presskraft zwischen den beiden Bauteilen über der Temperatur sich stark verändert.
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Um die Formschlussverbindung auf möglichst einfache Art und Weise beim Verbinden der beiden Bauteile ausbilden zu können, wird es in einer konkreten konstruktiven Ausgestaltung der Formschlussverbindung vorgeschlagen, dass der im Querschnitt vergrößerte Bereich im Bereich des Grunds der Aufnahmeöffnung angeordnet ist, und dass vom Grund eine vorzugsweise in der Längsachse der Aufnahmeöffnung angeordnete Erhebung ausgeht, die in Wirkverbindung mit dem dem Grund zugewandten Endbereich des Verbindungsabschnitts angeordnet ist. Eine derartige Ausbildung ermöglicht es, beim Aufbringen einer axialen Einpresskraft auf das zweite Bauteil, dass sich der Endbereich des zweiten Bauteils durch die Erhebung besonders einfach verformen und radial nach außen in den Bereich des im Querschnitt vergrößerten Bereichs (Hinterschnitt) verdrängen lässt. Insbesondere wird dadurch die mechanische Belastung des zweiten Bauteils beim Ausbilden der Formschlussverbindung verringert.
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Eine nochmalig verringerte mechanische Belastung des zweiten Bauteils beim Ausbilden der Formschlussverbindung sowie eine gezielte Führung des Endbereichs des zweiten Bauteils im Bereich des Grunds der Aufnahmeöffnung lässt sich erzielen, wenn in der Stirnseite des Verbindungsabschnitts eine mit der (spitzen) Erhebung ausgerichtete Zentriervertiefung ausgebildet ist.
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Um einerseits die Einpresskräfte beim Einpressen des zweiten Bauteils in das erste Bauteil zu verringern, und ggf. andererseits eine erhöhte Korrosionsschutzwirkung zu erzielen, ist es in einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, dass zwischen der Aufnahmeöffnung und dem Verbindungsabschnitt ein Hilfsstoff, insbesondere in Form eines Schmiermittels und/oder eines Korrosionsschutzmittels angeordnet ist.
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Der soweit beschriebene Bauteilverbund lässt sich besonders einfach durch Aufbringen einer Einpresskraft auf das zweite Bauteil ausbilden. Eine zusätzliche Verbesserung der Verbindung zwischen den beiden Bauteilen lässt sich jedoch erzielen, wenn das Einpressen des Verbindungsabschnitts des zweiten Bauteils in die Aufnahmeöffnung des ersten Bauteils mittels einer Ultraschallfügeeinrichtung erfolgt. Die Verwendung einer derartigen Einrichtung hat den Vorteil, dass sich neben der kraftschlüssigen Verbindung aufgrund der Presspassverbindung und ggf. der Formschlussverbindung zwischen den beiden Bauteilen im Kontaktbereich ein zusätzlicher stoffschlüssiger Anteil zwischen den beiden Bauteilen ergibt. Zudem bewirkt der eingeleitete Ultraschall, dass ggf. an den Bauteilen anhaftende Oberflächenrückstände entfernt und Oxidschichten durchbrochen werden. Zudem wird durch den Ultraschalleinfluss die Fügekraft beim Einpressen reduziert.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt in:
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1 einen ersten erfindungsgemäßen Bauteilverbund in teilweise geschnittener Seitenansicht vor dem Ausbilden einer Presspassverbindung zwischen den beiden, an dem Bauteilverbund beteiligten Bauteilen,
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2 einen gegenüber der 1 modifizierten Bauteilverbund, ebenfalls in teilweise geschnittener Seitenansicht,
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3 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der der Bauteilverbund an einem ersten Bauteil zur Ausbildung einer Formschlussverbindung mit einem Hinterschnitt ausgestattet ist, in teilweise geschnittener Seitenansicht und
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4 und 5 einen gegenüber der 3 modifizierten Bauteilverbund vor und nach dem Ausbilden der Verbindung zwischen den beiden Bauteilen.
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der 1 ist ein erster erfindungsgemäßer Bauteilverbund 10 zwischen zwei, der Stromführung dienenden Bauteilen 1, 2 dargestellt. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die beiden metallischen Bauteile 1, 2 aus unterschiedlichen Materialien bestehen und unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Für den Fall unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten ist es bevorzugt vorgesehen, dass das Bauteil 1 einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als das Bauteil 2. Beispielhaft besteht das erste Bauteil 1 aus Kupfer und das zweite Bauteil 2 aus Aluminium.
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Erfindungswesentlich ist, dass in dem ersten Bauteil 1 eine Aufnahmeöffnung 11 in Form eines Sacklochs 12 ausgebildet ist. Der Durchmesser d des Sacklochs 12 ist geringer als der Durchmesser D eines in das Sackloch 12 einführbaren, stiftförmigen Verbindungsabschnitts 13 des zweiten Bauteils 2. Die beiden Durchmesser d, D sind so aufeinander abgestimmt, dass nach dem Verbinden der beiden Bauteile 1, 2 zwischen den Bauteilen 1, 2 im Bereich des Verbindungsabschnitts 13 eine Presspassverbindung ausgebildet ist.
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Das zweite Bauteil 2 weist zusätzlich einen radial umlaufenden Absatz 14 auf, so dass der Durchmesser des Bauteils 2 oberhalb des Verbindungsabschnitts 13, d.h. auf der dem Sackloch 12 abgewandten Seite, größer ist als der Durchmesser d des Sacklochs 12. Die Länge L des (stiftförmigen) Verbindungsabschnitts 13 entspricht maximal der Tiefe T des Sacklochs 12.
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Das Einpressen des Verbindungsabschnitts 13 in das Sackloch 12 erfolgt durch Aufbringen einer Kraft F, deren Wirklinie in Richtung der Längsachse 15 des Verbindungsabschnitts 13 bzw. des Sacklochs 12 verläuft. Eine derartige Kraft F kann im durch eine Einpressvorrichtung (nicht dargestellt) erzeugt werden. Alternativ ist es jedoch auch denkbar, dass die benötigte Einpresskraft durch eine Ultraschallfügeeinrichtung erzeugt wird, die ebenfalls in Richtung der Kraft F in Wirkverbindung zumindest mit dem zweiten Bauteil 2 angeordnet ist. Das Einpressen des Verbindungsabschnitts 13 des zweiten Bauteils 2 in das Sackloch 12 des ersten Bauteils 1 erfolgt, bis der Absatz 14 mit seiner dem ersten Bauteil 1 zugewandten Stirnfläche auf der Oberseite 16 des ersten Bauteils 1 aufliegt. In diesem Zustand überdeckt der Absatz 14 den sich an das Sackloch 12 radial anschließenden Bereich des Sacklochs 12 und verhindert damit insbesondere den Zutritt von Medien in den Bereich des Sacklochs 12.
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Der in der 2 dargestellte Bauteilverbund 10a unterscheidet sich von dem Bauteilverbund 10 dadurch, dass auf der dem ersten Bauteil 1 zugewandten Stirnfläche des Absatzes 14, oder/und auf der dem Absatz 14 zugewandten Oberseite 16 des ersten Bauteils 1, ein Dichtmittel 18 angeordnet ist. Das Dichtmittel 18 dichtet den Bereich zwischen der Oberseite 16 des ersten Bauteils 1 und dem Absatz 14 des zweiten Bauteils 2 bei eingepresstem Verbindungsabschnitt 13 zusätzlich ab und verhindert somit den Zutritt von Medien in das Sackloch 12. Zusätzlich oder alternativ kann es vorgesehen sein, dass zwischen der Aufnahmeöffnung 11 und dem Verbindungsabschnitt 13 ein Hilfsstoff, insbesondere in Form eines Schmiermittels und/oder eines Korrosionsschutzmittels angeordnet ist.
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Der in der 3 dargestellte Bauteilverbund 10b weist im Bereich des Grunds 19 des Sacklochs 12b einen im Querschnitt vergrößerten Bereich in Form einer radial umlaufenden Ringnut 20 auf, die einen Hinterschnitt 21 ausbildet. Somit weist die Querschnittsfläche des Sacklochs 12b im Bereich des Grunds 19 eine Querschnittsfläche auf, die größer ist als die Querschnittsfläche in dem zylindrischen Bereich 22 des Sacklochs 12b, der sich an die Ringnut 20 in Richtung zur Oberseite 16 des Bauteils 1 anschließt. Weiterhin ist die Länge L des Verbindungsabschnitts 13 bei Verwendung eines Absatzes 14 größer als die Tiefe T des Sacklochs 12b. Dadurch wird bewirkt, dass sich beim Aufbringen einer genügend großen Kraft F beim Einpressen des Verbindungsabschnitts 13 in das Sackloch 12b der dem Grund 19 zugewandte Endbereich 23 des Verbindungsabschnitts 13 plastisch verformt und den Bereich der Ringnut 20 ausfüllt. Die hat zur Folge, dass zwischen den beiden Bauteilen 1, 2 neben der angesprochenen Presspassverbindung eine zusätzliche Formschlussverbindung ausgebildet wird.
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Zuletzt ist in den 4 und 5 ein gegenüber der 3 nochmals modifizierter Bauteilverbund 10c dargestellt. Der Bauteilverbund 10c umfasst am Grund 19 des Sacklochs 12c eine sich vom Grund 19 erstreckende Erhebung 24 in Form eines Dorns bzw. eines Kegels, die bzw. der mit einer in der Stirnfläche des Endbereichs 23 des zweiten Bauteils 2 ausgebildeten Zentriervertiefung 25 zusammenwirkt, wobei die Erhebung 24 und die Zentrieröffnung 25 in Ausrichtung mit der Längsachse 15 angeordnet sind. Entsprechend der Darstellung der 5 bewirkt die Erhebung 24 im Zusammenspiel mit der Zentriervertiefung 25 eine radiale Zentrierung bzw. Führung des Verbindungsabschnitts 13 sowie ein radiales Verdrängen des Materials des Endbereichs 23 des Verbindungsabschnitts 13, damit dieses die Ringnut 20 möglichst vollständig ausfüllt.
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Der soweit beschriebene Bauteilverbund 10, 10a bis 10c kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Insbesondere ist die Form des Verbindungsabschnitts 13 sowie der Aufnahmeöffnung 11 nicht auf runde Querschnitte beschränkt, vielmehr können diese beliebige Querschnitte aufweisen. Wesentlich ist lediglich, dass zwischen den Bauteilen 1, 2 eine Presspassverbindung ausgebildet wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009054476 A1 [0004]
