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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von warmgeformten Stahlfedern.
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STAND DER TECHNIK
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Zur Erhöhung der konstruktiv nutzbaren Festigkeit wird der zur Herstellung der Stahlfeder verwendete Federstahl einer thermomechanischen Umformung (TMU) unterzogen. Unter einer thermomechanischen Umformung wird ein Prozess verstanden, bei dem der Federstahl auf eine Temperatur knapp oberhalb der Austenitisierungstemperatur des Drahtwerkstoffs erhitzt wird und dort einer mechanischen Umformung unterzogen wird. Dabei wird ein möglichst feines Korngefüge infolge schneller und hoher Umformung erreicht. So können Stahlfedern mit hoher Festigkeit bei vergleichsweise geringem Materialeinsatz und somit geringem Gewicht und Materialkosten hergestellt werden.
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Bei der Serienproduktion von warmgewickelten Schraubenfedern wird die TMU bereits in Form eines Schrägwalzprozesses eingesetzt, hier allerdings nur an vorgefertigten, vereinzelten Federstäben. Ein solches Verfahren ist in der
DE 103 15 418 B3 offenbart. Die TMU erfolgt am Federstab durch einen einstufigen Schrägwalzprozess direkt vor dem Warmwickeln der Schraubenfeder. Nach dem Wickeln wird die Feder in Öl zur Härtung abgeschreckt. Es bildet sich im Federstab ein martensitisches Gefüge aus. Während eines Warmformens, insbesondere Warmwickelns, ist der Federstahl grundsätzlich auf eine Temperatur oberhalb dem 0,4-fachen, insbesondere dem 0,5-fachen seiner Schmelztemperatur erhitzt.
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Die TMU ist hierbei prozesstechnisch in die Warmwickellinie integriert. Sowohl die TMU als auch die Warmumformung zur Stahlfeder erfolgt dann am Federstab, der noch durch die TMU erwärmt ist. Die TMU wird direkt vor dem Wickeln der Feder ausgeführt, wobei der Federstab zwischenzeitlich auf Wickeltemperatur gehalten wird. Nach dem Wickeln erfolgt unmittelbar das Abschrecken.
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Dieses Verfahren ist nur in einer integralen Fertigungsstraße durchführbar, in der von der TMU bis zur Abschreckung sämtliche Schritte durchgeführt werden. Durch die unmittelbare Verkettung von thermomechanischer Umformung, Warmwicklung und Vergütung ergeben sich die folgenden Nachteile:
- 1. Längenänderungen am Draht durch die thermomechanische Umformung, zumeist Walzen, wirken sich unmittelbar auf die Prozessparameter der unmittelbar anschließenden Warmumformung und Vergütung aus.
- 2. Die Prozesszeiten und -temperaturen der thermomechanischen Umformung, der Warmwicklung und der Vergütung müssen aufeinander abgestimmt werden, was prozesstechnisch schwierig umzusetzen ist. Denn für die thermomechanische Umformung wird eine Temperatur lediglich knapp oberhalb der Austenitisierungstemperatur des Drahtwerkstoffs bevorzugt, während für das Warmumformen und das Vergüten ein Erhitzen auf eine deutlich höhere Temperatur vorteilhaft ist.
- 3. Zwischen der TMU und dem Warmwickeln sind weitere Bearbeitungsschritte am Stab erforderlich (beispielsweise das Schneiden auf exakte Länge), was die Zeit bis zur Abschreckhärtung verlängert. Daher wird der Stab geraume Zeit auf sehr hoher Temperatur gehalten, wodurch sich nachteilige Gefügeänderungen ergeben können, z.B. Kornwachstum und Entkohlung.
- 4. Die TMU und die Warmwickelvorrichtung weisen unterschiedliche Durchlaufzeiten pro Federstab auf. Der Durchsatz der Fertigungsstraße würde so durch die langsamste Prozesskomponente definiert; die schnelleren Prozesskomponenten sind so nicht ausgelastet und arbeiten daher unwirtschaftlich.
- 5. Ein Stillstand einer Prozesskomponente (z.B. für Wartung oder aufgrund eines Defekts) legt die gesamte Fertigungsstraße still.
- 6. Für jede Wickelanlage muss eine separate TMU-Einrichtung vorgehalten werden. Bei einer Vielzahl gleichzeitig zu fertigender Stahlfedern bedeutet das eine entsprechende Vielzahl von TMU-Einrichtungen.
- 7. Die Bearbeitung von Federstäben mit inkonstantem Drahtdurchmesser ist mit einer integralen Fertigungsstraße derzeit nicht oder nur unter erheblichem steuerungstechnischem Aufwand möglich.
- 8. Das in der Fertigung von Federn zur thermomechanischen Umformung angewendete einstufige Schrägwalzen (entsprechend der oben genannten DE 103 15 418 B3 ) führt zu einer Rotation des Drahtes um seine Längsachse mit einer Geschwindigkeit von 400 U/min und mehr. Dies lässt sich zwar mit vereinzelten Federstäben durchführen, nicht aber bei einem Endlosdraht. Zwar ist es bereits bekannt, anstelle des Schrägwalzens auch ein zweistufiges Kaliberwalzen zu verwenden. Die vorstehenden Nachteile 1 bis 7 bestehen auch bei der Anwendung des Kaliberwalzens.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen von warmgeformten Stahlfedern bereit zu stellen, welches insbesondere die oben angesprochenen Nachteile umgeht.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen sowie durch eine Verwendung nach Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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So umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen von warmgeformten Stahlfedern, insbesondere Schraubenfedern oder Drehstabfedern aus Stahl, die folgenden Verfahrensschritte:
- 1) Bereitstellen eines Drahts, der bei einer ersten Umformtemperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur des Drahtwerkstoffs einer thermomechanischen Umformung unterzogen worden ist;
- 2) Ablängen des Drahts zu Federstäben,
- 3) Warmumformen und Vergüten der Federstabs, umfassend
a) ein Erhitzen des Federstabs auf eine zweite Umformtemperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur des Drahtwerkstoffs,
b) ein Warmumformen des auf die zweite Umformtemperatur erhitzten Federstabs zur Erzeugung der warmgeformten Stahlfeder,
c) ein Abschrecken der Stahlfeder zur Bildung eines martensitischen Gefüges in der Stahlfeder,
d) ein Anlassen der Stahlfeder.
Die thermomechanische Umformung des Drahtes kann Bestandteil des Verfahrens sein. Während des Warmumformens und Vergütens nach Schritt 3 findet vor dem Abschrecken insbesondere eine Austenitisierung des Federstabs bzw. der Stahlfeder statt, wobei diese Austenitisierung vor, während und/oder nach der Warmumformung erfolgen kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der Draht (falls das Ablängen nach dem Abkühlen erfolgt) oder der Federstab (falls das Ablängen vor dem Abkühlen erfolgt) nach der thermomechanischen Umformung auf eine Temperatur unterhalb von 200°C derart abgekühlt wird, dass sich im abgekühlten Draht bzw. Federstab ein perlitisch-ferritisches Gefüge einstellt. Durch die Bildung des perlitisch-ferritischen Gefüges wird der Draht bzw. Federstab in einen Zwischenzustand versetzt, in dem er sich durch eine hohe Weichheit und damit auch eine gute Handhabbarkeit auszeichnet. Aufgrund dieser Weichheit lässt sich eine prozesstechnische Trennung der TMU von dem nachfolgenden Warmformen und Vergüten erreichen. In der Zeit zwischen der TMU und dem Warmformen bzw. Vergüten lässt sich der Draht bzw. Federstab deutlich besser handhaben, da er nicht in einer gehärteten Form vorliegt. So kann der Draht bzw. der Federstab nun separat weiteren Verarbeitungsschritten unterzogen werden, beispielsweise ein Ziehen, ein Feinschleifen oder ein exaktes Zuschneiden. Dies ist auch verbessert möglich, da der Draht bzw. Federstab in diesem Zustand aufgrund der TMU zwar schon ein feines Gefüge aufweist, dennoch aber weich und kalt ist und damit gut verarbeitbar ist.
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So ist in einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, dass in diesem Zwischenzustand, also nach der TMU und vor dem Formen und Vergüten, der Draht weiterhin als ein fortlaufender Draht vorhanden ist, der nun aufgerollt (z.B. aufgehaspelt) wird. Dies ist umso leichter möglich, je weicher der Draht ist. Für den nachfolgenden Ablängevorgang wird der Draht wieder abgerollt, z.B. abgehaspelt. Der nachfolgende Ablängevorgang, ebenso wie alle weiteren nachfolgenden Verfahrensschritte, ist so vollständig von der TMU entkoppelt.
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Der erfindungsgemäße Verfahrensablauf ermöglicht es auch, die Warmumformung und Vergütung im Hinblick auf den Temperaturbereich von der TMU zu entkoppeln. Während die optimale erste Umformtemperatur während der TMU knapp oberhalb der Austenitisierungstemperatur des Drahtwerkstoffs, insbesondere weniger als 50°C oberhalb der Austenitisierungstemperatur des Drahtwerkstoffs liegt, ist für die Warmumformung und Vergütung ein Erhitzen auf wesentlich höhere Temperaturen vorteilhaft. So ist in einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, dass die zweite Umformtemperatur oberhalb der ersten Umformtemperatur liegt, insbesondere mehr als 50°C oberhalb der Austenitisierungstemperatur des Drahtwerkstoffs. Durch die prozesstechnische Trennung von TMU und Warmumformung/Vergütung kann für jeden der beiden Schritte die optimale Temperatur eingestellt werden.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrensablaufs ist es, dass durch die Entkopplung der Prozesse Vergüten, Warmumformen und TMU diese mit für den jeweiligen Prozess optimalen (benötigten) Durchlaufgeschwindigkeiten des Drahtes bzw. Federstabes durchgeführt werden können. Die Durchlaufgeschwindigkeit des Drahtes bei der TMU ist nicht zwingend dieselbe, wie die des Federstabes während der Umformung bzw. der Stahlfeder während der Vergütung. Bei der integralen Fertigungsstraße hingegen gibt der langsamere der Prozesse die Durchlaufgeschwindigkeit für sämtliche Prozessschritte vor, d.h., zumindest einer der Prozesse arbeitet nicht bei optimalen Bedingungen, also unwirtschaftlich.
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Die Stahlfeder weist nach dem Warmumformen bevorzugt noch eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur auf. Falls die Stahlfeder nach dem Warmumformen eine Temperatur gleich oder weniger der Austenitisierungstemperatur aufweist, erfolgt ein erneutes Erhitzen der Stahlfeder auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur. Ausgehend von dieser Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur kann dann das Abschrecken im Rahmen der Vergütung erfolgen.
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Vorzugsweise erfolgt das Abschrecken aber ohne zwischenzeitliche Abkühlung unter die Austenitisierungstemperatur nach dem Warmumformen. Die Prozesswärme aus dem Warmumformungsverfahren wird somit für das Vergüten genutzt.
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Dieses Verfahren wird bevorzugt durchgeführt bei der Herstellung von warmgeformten Stahlfedern, bei denen die einzelnen Federstäbe vor dem Warmumformen von dem Draht getrennt werden.
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Bevorzugt wird das Verfahren angewendet bei der Herstellung von warmgeformten Schraubenfedern. Hierbei wird der Federstab zu Stahlfedern warmgewunden; erst nach dem Warmwinden wird die Schraubenfeder vergütet.
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Ebenfalls bevorzugt wird das Verfahren angewendet bei der Herstellung von warmgeformten Drehstabfedern. Hierbei wird der Federstab durch Warmbiegen zu Drehstabfedern, insbesondere Stabilisatoren für Kraftfahrzeugfahrwerke, weiterverarbeitet; erst nach dem Warmbiegen wird die Drehstabfeder vergütet.
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Die Abkühlung nach der TMU erfolgt derart, dass sich ein perlitisch-ferritisches Gefüge einstellt. Der Fachmann kann hierzu das zum Werkstoff passende ZTU-Schaubild heranziehen, aus dem sich die geeignete Abkühlgeschwindigkeit ablesen lässt.
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Grundsätzlich erscheint die vorgeschlagene Vorgehensweise gegenüber dem bekannten Verfahren zwar unwirtschaftlich zu sein, da nunmehr der Federstab für das Warmumformverfahren erneut erwärmt werden muss, nachdem die zwischenzeitliche Abkühlung erfolgt ist. Es hat sich aber herausgestellt, dass durch die damit erreichte Entkopplung die eingangs genannten Nachteile vermieden werden, was technisch besser und wirtschaftlich vorteilhafter zu bewerten ist als die durch die integrale Fertigung bedingten Vorteile. Ferner kann die zwischenzeitliche Abkühlung auch gezielt unter Mitwirkung eines Wärmetauschers erfolgen, wodurch die Abwärme des Abkühlens wiederum der TMU oder dem Warmumformverfahren mit einem recht hohen Wirkungsgrad zur Verfügung stehen kann.
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Erfindungsgemäß kann nun ein bereits vorbehandelter Draht oder vorbehandelter Federstab zur Herstellung von warmgeformten Stahlfedern, insbesondere Schraubenfedern oder Drehstabfedern aus Stahl, verwendet werden. Der Draht bzw. der Federstab weist eine Temperatur von weniger als 200°C, insbesondere Raumtemperatur, auf. Ferner ist der Draht bzw. der Federstab bereits einer thermomechanischen Umformung unterzogen worden und weist ein perlitisch-ferritisches Gefüge auf. Falls ein Draht verwendet wird, wird dieser zunächst zu Federstäben abgelängt (Schritt 1). Anschließend erfolgt ein Warmumformen und Vergüten des Federstabs (Schritt 2), umfassend
- a) ein Erhitzen des Federstabs auf eine zweite Umformtemperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur des Drahtwerkstoffs,
- b) ein Warmumformen des auf die zweite Umformtemperatur erhitzten Federstabs zur Erzeugung der warmgeformten Stahlfeder,
- c) ein Abschrecken der Stahlfeder zur Bildung eines martensitischen Gefüges in der Stahlfeder,
- d) ein Anlassen der Stahlfeder.
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Während des Warmumformens und Vergütens nach Schritt 2 findet vor dem Abschrecken insbesondere eine Austenitisierung des Federstabs bzw. der Stahlfeder statt, wobei diese Austenitisierung vor, während und/oder nach der Warmumformung erfolgen kann. Die bezüglich des Verfahrens genannten Vorteile und Weiterbildungen sind auf diese Verwendung anwendbar.
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BEVORZUGTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL DER ERFINDUNG
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 einen Temperaturverlauf zum Verfahren nach 1,
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3 eine schematische Darstellung eines Verfahrens nach dem Stand der Technik.
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Die 1 und 2 werden nachfolgend gemeinsam beschrieben. Ein gewickelter Walzdraht 1 wird auf einem Ring 10 bereitgestellt. Dieser wird zunächst erwärmt auf eine erste Umformtemperatur T1 von etwa 800°C, was oberhalb der Austenitisierungstemperatur Ac3 von im vorliegenden Fall 785°C (Schritt 11) liegt. Nun wird der Draht 1 einer thermomechanischen Umformung 12 unterzogen. Das Erhitzen 11 kann entfallen, wenn sich die TMU unmittelbar an einen Drahtwalzprozess anschließt und die Temperatur des Drahts bereits auf der gewünschten Umformtemperatur T1 liegt.
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Das thermomechanische Umformen 12 kann durch mehrstufiges Kaliberwalzen erfolgen. Anschließend wird der Walzdraht 1 derart langsam abgekühlt (Schritt 13), dass sich im Draht ein perlitisch-ferritisches Gefüge, also ein weiches Gefüge, einstellt. Das Abkühlen kann ohne weitere Einwirkung durch einfaches Lagern in Raumtemperatur oder Umgebungstemperatur erfolgen, bevorzugt erfolgt das Abkühlen aber kontrolliert. Das Abkühlen kann zusätzlich oder alternativ auch während oder nach dem Aufhaspeln (Schritt 14) des Drahtes erfolgen, was aufgrund des weichen Gefügezustands ohne weiteres möglich ist. Zum Abkühlen kann ein Wärmetauscher bereitgestellt werden, so dass die Abwärme dem Prozess wieder zugeführt werden kann.
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Wenn der Draht 1 nun aufgehaspelt ist, kann er von einer Verarbeitungsstelle zur nächsten Verarbeitungsstelle transportiert und dort weiterverarbeitet werden. In der 2 ist dies durch eine Lücke im Temperaturverlauf nach dem Aufhaspeln 14 verdeutlicht. Ein Federhersteller kann nun den durch thermomechanische Umformung vorbehandelten Draht 1 von einem Drahthersteller zukaufen und muss nicht die für die TMU erforderlichen Anlagen bei sich vorhalten. Dies spart dem Federhersteller Platz und Investitionskosten ein.
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Nach einem beliebigen Zeitraum der Lagerung und/oder des Transports beginnt das Warmumformen und Vergüten des Drahts 1, welches sich folglich nicht mehr unmittelbar (auch örtlich) an die TMU anschließen muss. Nach einem Abhaspeln 15 wird der Draht 1 in einzelne Federstäbe 2 geschnitten (Schritt 16). Im Zusammenhang mit dem Schneiden des Drahtes können am Draht 1 oder am geschnittenen Federstab 2 noch weitere Bearbeitungsschritte durchgeführt werden, beispielsweise ein Reinigen, Richten, Schleifen und/oder Schälen.
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Anschließend wird zur Vorbereitung des Warmwickelns der Federstab 2 auf eine zweite Umformtemperatur T2 oberhalb der Austenitisierungstemperatur Ac3 erhitzt (Schritt 17). Im vorliegenden Fall liegt die zweite Umformtemperatur T2 bei etwa 950°C. Das Erhitzen erfolgt sehr schnell und wird vorzugsweise induktiv oder konduktiv durchgeführt. Die Erhitzung erfolgt mit einer Heizgeschwindigkeit von mindestens 50 K/s, vorzugsweise mindestens 100 K/s. Anschließend wird der Federstab 2 zur Schraubenfeder 3’ warmgewickelt (Schritt 18’) oder zur Drehstabfeder 3’’ warmgebogen (Schritt 18’’). Ohne wesentliche Änderung der Temperatur (wobei sich die Temperatur der Stahlfeder durchaus während der Warmumformung und vor der Abschreckung leicht reduzieren kann) erfolgt das Abschrecken (Schritt 19) z.B. in einem Ölbad, wodurch sich ein martensitisches Gefüge in der erzeugten Stahlfeder 3 einstellt. Anschließend wird die Stahlfeder 3’, 3’’ angelassen (Schritt 20).
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Das Verfahren nach dem Stand der Technik wird in 3 schematisch dargestellt. Abweichend zum erfindungsgemäßen Konzept erfolgte das Schneiden zu den Federstäben vor der Durchführung der TMU. Die TMU 12 wurde in einer integralen Fertigungsstraße gemeinsam mit dem Warmwickeln 18 und dem Abschrecken 19 durchgeführt. Der für die TMU erhitzte Draht wurde bis zum Abschrecken auf einer Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur gehalten.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten oder räumlicher Anordnungen, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Draht
- 2
- Federstab
- 3
- Stahlfeder
- 3’
- Schraubenfeder
- 3’’
- Drehstabfeder
- 10
- Ring
- 11
- Erhitzen
- 12
- Walzen
- 13
- Abkühlen
- 14
- Aufhaspeln
- 15
- Abhaspeln
- 16
- Schneiden zu Federstab
- 17
- Erhitzen
- 18
- Warmumformen
- 18’
- Warmwickeln
- 18’’
- Warmbiegen
- 19
- Abschrecken
- 20
- Anlassen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10315418 B3 [0003, 0005]