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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines Stahl-Innenblechs mit einem Weichmetall-Außenblech mittels eines Falzflansches und eine Prägevorrichtung zum Verprägen eines Falzflansches.
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In der Automobilindustrie und auch in anderen Bereichen setzt sich eine Mischbauweise aus festem oder höchstfestem Stahl-Innenblech und einem Weichmetall-Außenblech, zum Beispiel einem Aluminium-Außenblech, hauptsächlich aus Gewichtsgründen zunehmend durch. Dies erfordert neue beziehungsweise optimierte Verbindungstechniken. Eine Möglichkeit sind Nietverbindungen, welche jedoch nur mit weicherem Stahl und mit breiteren Flanschen umsetzbar sind. Eine weitere Möglichkeit ist das Falzen, insbesondere das Rollfalzen. Dabei wird ein Aluminium-Außenblech auf ein warmumgeformtes Stahl-Innenblech oder ein ähnliches höchstfestes Innenblech vorgesehen. Zur abschließenden Verbindung der beiden Bleche wird ein Kleber, zum Beispiel ein Epoxidharzkleber, zwischen den beiden Blechen angeordnet. Dieser Epoxidharzkleber härtet bei einer nachfolgenden kathodischen Tauchlackierung bei etwa 170 °C aus. Bedingt durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Aluminium und Stahl schiebt sich in einer Trockeneinrichtung der kathodischen Tauchlackierung das Aluminium im Falz auf das Stahl-Innenblech. In diesem Zustand härtet der Kleber aus, so dass die verschobene Lage fixiert wird. Dies führt zu einem Verzug zwischen den Bauteilen, welcher zudem wegen der Kleberaushärtung nicht reversibel ist. Derartige Verzüge erschweren den Einsatz dieses Verfahrens oder machen ihn für einige Anwendungen, wie beispielsweise die Herstellung von Türeinstiegsflanschen, unmöglich.
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DE 10 2004 047 229 A1 offenbart eine Bauteilverbindung zwischen zwei annähernd identischen Bauteilen eines Tragprofils. Damit diese Bauteilverbindung zugleich hohe Kräfte und Momente übertragen kann, umgreifen sich die Bauteile teilweise und formschlüssig. Zusätzlich sind die Bauteile in diesem Überdeckungsbereich durch Prägen wenigstens teilweise kraftschlüssig verbunden. Auf die spezielle Konstellation der Verbindung eines Stahl-Innenblechs mit einem Weichmetall-Außenblech wird hier nicht eingegangen.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, das Verbinden eines Stahl-Innenblechs mit einem Weichmetall-Außenblech zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren nach Anspruch 1 beziehungsweise mit einer Prägevorrichtung nach Anspruch 10 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verbinden eines Stahl-Innenblechs mit einem Weichmetall-Außenblech mittels eines Falzflansches umfasst, dass nach der Falzung das Außenblech im Bereich einer Falzschlaufe des Falzflansches derart verprägt wird, dass ein Aufgleiten des Außenblechs in Richtung des Innenblechs verhindert wird. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann nun eine Kombination aus einem Stahl-Innenblech mit einem Weichmetall-Außenblech realisiert werden, beispielsweise für Seitenteile von Kraftfahrzeugen. Die Kosten für eine Aluminium-Stahlfertigungstechnik können dabei durch den Entfall von Nietoperationen gesenkt werden. Zudem kann der Falzflansch reduziert werden, je nach Anwendung beispielsweise von einer Breite von 15 mm auf eine Breite von 12 mm. Dies bringt eine Gewichtseinsparung und Komforterhöhung. Des Weiteren erhält man mit der im Anschluss an die Falzung platzierten Verprägung ein wirkungsvolles Werkzeug, um Wärmeverzüge mit einem kurzen Qualitätsregelkreis auszugleichen.
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Durch das Verprägen wird genau einer von sechs Freiheitsgraden blockiert, nämlich derjenige, der ein unerwünschtes Aufgleiten oder Aufschieben des Außenblechs in Richtung des Innenblechs verhindert. Die weiteren Bewegungen, die bei der Fertigung beziehungsweise zum Ausgleich von Toleranzen benötigt werden, sind weiterhin möglich. Dies sind Bewegungen in den seitlichen Richtungen in Bezug auf die Stirnseite des Innenblechs, in den Höhenrichtungen in Bezug auf die Stirnseite des Innenblechs und die Bewegung weg von der Stirnseite des Innenblechs. Somit ist die einzige unerwünschte Bewegungsrichtung gesperrt, während die übrigen fünf Bewegungsrichtungen weiterhin erlaubt sind.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verprägung zwischen einer Stirnseite des Innenbleches und einer Krümmung der Falzschlaufe vorgenommen wird. Diese Stelle der Verprägung hat den Vorteil, dass einerseits das Innenblech nicht oder kaum beeinträchtigt wird und dass andererseits die teilweise sichtbare Krümmung der Falzschlaufe ebenfalls nicht beeinträchtigt wird.
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Es kann vorgesehen sein, dass mindestens zwei im Bereich der Stirnseite flächig aufeinander angeordnete Innenbleche vorgesehen sind. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders für die bislang schwierige Fertigung der Verbindung von mehreren Stahl-Innenblechen mit einem Weichmetall-Außenblech. Mit der Anzahl der Innenbleche steigen die möglichen Freiheitsgrade für Verschiebungen beziehungsweise das Aufgleiten. Mit der gezielten Verprägung des Außenblechs ist es nun möglich, auch mehrere Innenbleche, vorzugsweise zwei bis vier, mit einem Außenblech aus Weichmetall, wie zum Beispiel Aluminium, zu verbinden.
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In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Innenblech höchstfesten Stahl aufweist. Höchstfester Stahl, wie zum Beispiel durchgehärteter Warmumformstahl, eignet sich besonders für das erfindungsgemäße Verfahren, da es bislang kaum möglich war, diesen mit einem Weichmetall-Außenblech zu verbinden.
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In noch weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Außenblech Aluminium oder eine Aluminiumlegierung aufweist. Andere Weichmetalle, wie Magnesium oder Titan, können ebenfalls vorteilhaft verwendet werden. Während insbesondere im Fahrzeugbau die Forderung nach einem erhöhten Aluminiumanteil aufgrund der Gewichtsersparnis stark zunimmt, sind bislang die Fertigungsmöglichkeiten hinter diesen Wünschen zurückgeblieben. Mit der vorliegenden Erfindung ist es nun möglich, Aluminium-Stahlmischbau kostengünstig und effizient zu fertigen.
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Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass zwischen der Zugfestigkeit der beiden Bleche ein Faktor von zwei bis sechs, vorzugsweise von drei bis vier, besteht. Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren für Bleche mit stark unterschiedlicher Zugfestigkeit, da diese dann einen ebenfalls stark unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben. Bislang ließ sich diese Kombination von Innenblech und Außenblech nicht ohne weiteres verarbeiten. Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch das gezielte Prägen für die Fügung dieser unterschiedlichen Werkstoffe prädestiniert.
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Die Verprägung kann eine Erstreckung in der Größenordnung der Falzschlaufe aufweisen. Die optimale Größe der Verprägung kann von dem Material und der Anzahl der Innenbleche, des Materials des Außenblechs, der Applikation und weiteren Faktoren abhängen. Es hat sich gezeigt, dass eine Verprägung in der Größenordnung der Falzschlaufe, das heißt einer Höhe der Falzschlaufe, gute Ergebnisse erzielt hat. Die Höhe der Falzschlaufe entspricht dabei im Wesentlichen der gesamten Höhe der einzelnen Bleche. Ebenso ist es möglich, dass die Verprägung eine Erstreckung im Bereich der Höhe oder Dicke eines einzelnen Bleches hat.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass längs des Falzflansches mehrere Verprägungen mit einem Abstand von drei bis zehn, vorzugsweise vier bis sechs, Größenordnungen der Falzschlaufe vorgenommen werden. Mit der Anzahl und der Lage der Verprägungen kann auf Wärmeverzüge reagiert werden. So kann beispielsweise in einer Regelschleife auch im laufenden Prozess die Lage und/oder Anzahl der Verprägungen angepasst werden. Dies führt zu einer Stabilisierung des Prozesses.
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In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Falzflansch mittels Rollfalzen gebildet wird. Das Rollfalzen ist ein schnelles und damit kostengünstiges Verbindungsverfahren, das gut mit dem vorgeschlagenen Verprägen harmoniert. Die Kombination von Rollfalzen und anschließendem Verprägen des Rollfalzflansches erlaubt ein schnelles und vielseitiges Herstellungsverfahren.
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Die erfindungsgemäße Prägevorrichtung zum Verprägen eines Falzflansches mit einem Stahl-Innenblech und einem Weichmetall-Außenblech umfasst, dass die Prägevorrichtung einen Dorn mit einer flachen Flanke zur Ausrichtung zu einer Stirnseite des Innenbleches und einer steilen Flanke zur Ausrichtung zu einer Krümmung einer Falzschlaufe des Falzflansches aufweist, wobei der Dorn eingerichtet ist, zwischen der Stirnseite und der Krümmung derart prägend einzugreifen, dass ein Aufgleiten des Außenblechs in Richtung des Innenblechs verhindert wird. Es gelten die gleichen Vorteile und Modifikationen wie zuvor beschrieben. Die Prägevorrichtung beziehungsweise der Dorn erlaubt eine gezielte Prägung ohne Beeinträchtigung des Innenblechs und der Falzschlaufe. Die flache Flanke erhöht die Toleranz und Empfindlichkeit in der Verprägung, während die Steilflanke einen geringen Einfluss auf die Falzschlaufe garantiert.
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Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 eine Darstellung eines Seitenteils einer Fahrzeugkarosserie;
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2 eine Schnittdarstellung durch einen gefalzten und anschließend verprägten Falzflansch des Seitenteils;
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3 eine schematische räumliche Darstellung des verprägten Falzflansches;
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4 eine schematische Darstellung einer Verprägung;
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5 eine weitere schematische Darstellung einer Verprägung und
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6 eine detaillierte Darstellung des Prägewerkzeugs.
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In 1 ist beispielhaft ein Seitenteil 10 eines Kraftfahrzeugs als Anwendung für das Verfahren zum Verbinden eines Stahl-Innenblechs mit einem Weichmetall-Außenblech mittels eines Falzflansches dargestellt. Eine nach der Verprägung vorgenommene Aushärtung eines Klebers im Falzflansch kann vorgesehen sein, ist aber nicht verbindlich für das erfindungsgemäße Verfahren. Das Seitenteil 10 weist im Bereich des Türeinstiegs einen oder mehrere Falzflansche 12 auf. Dieser Falzflansch 12 kann mit einer Rollfalzvorrichtung hergestellt werden, wobei diese Rollfalzvorrichtung von einem Roboter geführt sein kann oder wobei das Seitenteil von einem Roboter oder ähnlichem einer Rollfalzvorrichtung zugeführt wird.
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Der Falzflansch 12 hat in Bezug auf eine Stirnseite des Innenbleches sechs Freiheitsgrade der Bewegung. Dies sind zwei tangentiale Bewegungen in einer tangentialen Richtung X. Diese sind zulässig und werden durch das erfindungsgemäße Verfahren nicht fixiert. Die beiden Bewegungsgrade in einer Höhenrichtung Z sind normalerweise durch das Falzen fixiert und werden ebenfalls nicht beeinträchtigt. Die Bewegungen in Richtung der Flächennormale Y auf die Stirnseite des Innenbleches werden differenziert betrachtet. Während ein Aufgleiten des Rollfalzes auf die darunter liegenden Lagen nicht zulässig ist und durch die Verprägung verhindert wird, tritt ein Abgleiten von den darunter liegenden Lagen nicht auf und muss daher auch nicht gesperrt werden. Das Aufgleiten findet gemäß 1 in die Papierebene hinein statt, während das Abgleiten gemäß 1 aus der Papierebene heraus geschieht. Sämtliche Bewegungen beziehungsweise Bewegungsrichtungen entsprechen Relativbewegungen zwischen dem Außenblech aus Weichmetall und dem Innenblech oder den Innenblechen aus Stahl.
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In 2 sind zwei Schnittdarstellungen oder Schliffe durch einen gefalzten Türeinstiegsflansch 12 (obere Darstellung) und einen gefalzten und anschließend geprägten Türeinstiegsflansch 12 (untere Darstellung) dargestellt.
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Dargestellt ist ein erstes Innenblech 14, das aus einem höchstfesten Stahl besteht, sowie ein zweites Innenblech 14a, das aus demselben Werkstoff oder einem weiteren Stahl besteht. Die beiden Innenbleche 14 und 14a liegen flächig aufeinander. Die beiden Innenbleche 14 und 14a liegen wiederum flächig auf einem Außenblech 16, das aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht. Im Bereich einer Stirnseite 18 des Innenblechs 14 ist das Außenblech 16 um die beiden Innenbleche 14 und 14a gefalzt. Dieser Vorgang wurde beispielsweise mit einer Rollfalzvorrichtung durchgeführt.
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Der Falzflansch 12 hat eine gekrümmte Falzschlaufe 20, welche der Biegung des Außenblechs 16 um die Innenbleche 14 und 14a entspricht, und einen Flanschbereich 22, welcher einem Überlappungsbereich eines Blechendes des Außenbleches 16 mit dem Innenblech 14 beziehungsweise 14a entspricht. Der Flanschbereich 22 kann beispielsweise eine Breite von 12 mm aufweisen. Die einzelnen Bleche weisen Dicken im Bereich von 0,1 bis etwa 1,5 mm auf.
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Ein Kleber 24, wie zum Beispiel ein Epoxidharzkleber, ist zwischen dem Innenblech 14 und dem Außenblech 16 angeordnet. Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Kleber 24 oder ein ähnlicher Kleber zwischen dem Innenblech 14 und dem zweiten Innenblech 14a angeordnet ist. Die obere Darstellung in 2 zeigt den Falzflansch 12 nach erfolgter Falzung.
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In der unteren Darstellung von 2 ist der Falzflansch 12 nach einer an das Falzen anschließenden Verprägung dargestellt. Die Prägung oder Verprägung 26 befindet sich im Außenblech 16 und zwar in einem Bereich zwischen der Stirnseite 18 des Innenbleches 14 und der Falzschlaufe 20. Die Verprägung 26 ist hier oben, das heißt in einem Endbereich 28 des Außenblechs 16, angebracht. Die Verprägung 26 kann auch in dem unten dargestellten mittleren Bereich des Außenblechs 16 erfolgen. Darüber hinaus ist auch vorstellbar, dass das Außenblech 16 auf beiden Seiten des Falzflansches 12, das heißt hier oben und unten, verprägt wird. Dies kann beispielsweise mit einer zangenförmigen Prägevorrichtung geschehen.
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In 3 ist der Falzflansch 12 noch einmal schematisch in dreidimensionaler Darstellung dargestellt. Wie zu sehen ist, sind die beiden Innenbleche 14 und 14a mit dem Außenblech 16 durch die Verprägung 26 gewissermaßen mechanisch verklammert, was ein Aufgleiten des Außenbleches 16 in Richtung y auf die beiden Innenbleche 14 und 14a verhindert. Eine tangentiale Bewegung in tangentialer Richtung y der Bleche relativ zueinander ist hingegen weiterhin möglich. Die Verprägung 26 hat eine Erstreckung, das heißt eine räumliche Erstreckung, in x-Richtung und/oder y-Richtung etwa in der Größenordnung der Höhe der Falzschlaufe 20.
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Längs des Falzflansches 12, das heißt in tangentialer Richtung zu der Stirnfläche 18, sind mehrere vorzugsweise identische Verprägungen vorgesehen. Diese weiteren Verprägungen sind hier der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Mit der Lage und der Anzahl der Verprägungen können Wärmeverzüge verhindert beziehungsweise minimiert werden. Die Verprägungen 26 haben beispielsweise einen Abstand von einigen bis mehreren Zentimetern.
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Dieses lokale Verprägen des Falzflansches 12 erzeugt eine mechanische Verklammerung der Innenbleche 14, 14a mit dem Außenblech 16. Damit wird die relative Verschiebung oder Bewegung der Bauteile zueinander, nämlich das Aufgleiten, durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Aluminium und Stahl in einem nachfolgenden Kathodentauchlackierungsprozess gezielt verhindert.
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In 4 ist die Verprägung beziehungsweise eine schematische Darstellung einer Prägevorrichtung 30 dargestellt. Die Prägevorrichtung 30 weist einen Dorn 32, der hier eine prismatische Form hat, auf. Auf einem flachen Gegenlager 34 der Prägevorrichtung 30 liegt der Falzflansch 12 auf. Genauer gesagt liegt das Außenblech 16 in einem mittleren Bereich auf dem Gegenlager 34 auf. Der Dorn 32 wird von oben unter einem Winkel von etwa 10 bis 45°, vorzugsweise zwischen 10 und 25°, zu der Stirnseite 18 auf den Endbereich 28 des Außenblechs 16 geprägt. Der Kontakt zwischen dem Dorn 32 und dem Außenblech 16 findet in dem Bereich der Stirnseite 18 des Innenblechs 14 beziehungsweise 14a statt. Die Verprägung erzeugt dabei eine Verklammerung des Außenblechs 16 mit der Beschnittkante des Innenblechs 14a. Die Beschnittkante entspricht der Stirnseite 18.
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In 5 ist eine weitere Darstellung der Verprägung mit der Prägevorrichtung 30 dargestellt. Hier wird der Dorn 32 in Richtung der Flächennormale Y auf das äußere Blech 16 geprägt. Auch hierbei erzeugt die dabei entstehende Verprägung 26 eine Verklammerung des Außenblechs 16 mit den Innenblechen 14 beziehungsweise 14a. Der in den 4 und 5 gezeigte Dorn 32 hat in Richtung der Flächennormale Y eine räumliche Erstreckung, was zu einer großflächigeren Verprägung 26 führt.
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In 6 ist eine weitere Prägevorrichtung 30 mit einem alternativen Dorn 32 dargestellt, der in Richtung der Flächennormale Y lediglich eine kleine Erstreckung, wie zum Beispiel eine Spitze 36 oder einen Radius, aufweist. Ausgehend von dieser Spitze 36 erstreckt sich eine flache Flanke 38 und eine steile Flanke 40. Die flache Flanke 38 ist der Stirnseite 18 beziehungsweise den Innenblechen 14 und 14a zugewandt. Die flache Flanke 38 hat einen Winkel von etwa 45° zu der Oberfläche der Bleche beziehungsweise dem hier nicht dargestellten Gegenlager 34. Die flache Flanke 38 sorgt für einen größeren Andruckbereich im Bereich der Stirnseite 18 und damit für eine höhere Toleranzunempfindlichkeit in der Verprägung 26. Die steile Flanke 40 ist der Falzschlaufe 20 zugewandt und hat einen Winkel zwischen 50 und 80°, vorzugsweise zwischen 60 und 70° in Bezug auf die Oberflächen der Bleche beziehungsweise die Oberfläche des Gegenlagers 34. Die steile Flanke 40 sorgt für einen geringen Einfluss auf die Falzschlaufe 20. Der Dorn 32 wird in Höhenrichtung Z auf das äußere Blech 16 eingeprägt, um so die Verprägung 26 zu erzeugen. Das Außenblech 16 ist mit dem Innenblech 14 oder den Innenblechen 14 und 14a verklammert oder fixiert, um so in die nächsten Prozesse der Tauchlackierung und Trocknung zu gehen, ohne dass es zu einem unerwünschten Aufschieben des Außenbleches 16 auf das Innenblech 14 beziehungsweise die Innenbleche 14 und 14a kommen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Seitenteil
- 12
- Falzflansch
- 14
- Innenblech
- 14a
- zweites Innenblech
- 16
- Außenblech
- 18
- Stirnseite
- 20
- Falzschlaufe
- 22
- Flanschbereich
- 24
- Kleber
- 26
- Verprägung
- 28
- Endbereich
- 30
- Prägevorrichtung
- 32
- Dorn
- 34
- Gegenlager
- 36
- Spitze
- 38
- flache Flanke
- 40
- steile Flanke
- X
- tangentiale Richtung
- Y
- Flächennormale
- Z
- Höhenrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004047229 A1 [0003]
