DE102014211796B4 - joining process - Google Patents
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Abstract
Fügeverfahren zum Zusammenfügen von zwei einander überlappenden Bauteilen mittels Aufschmelzens von thermoplastischem Kunststoff, aufweisend:Bereitstellen von zwei jeweils aus thermoplastischem Kunststoff bestehenden Bauteilen (20, 30; 20', 30') als die zwei einander überlappenden Bauteile;Bereitstellen eines metallischen Fügeelements (1; 1");Erwärmen des Fügeelements (1; 1") auf eine Fügetemperatur, die mindestens eine Aufschmelztemperatur des thermoplastischen Kunststoffs der beiden Bauteile (20, 30; 20', 30') beträgt;Einbringen des auf Fügetemperatur befindlichen Fügeelements (1; 1") aufseiten eines der Bauteile (30; 30'), so dass das Fügeelement (1; 1") per Aufschmelzen von dessen thermoplastischen Kunststoff dieses Bauteil (30; 30') in Richtung zum daran anliegenden anderen Bauteil (20; 20') hin vollständig durchdringt und per Aufschmelzen von dessen thermoplastischen Kunststoff mit einer vorbestimmten Eindringtiefe in das andere Bauteil (20; 20') eindringt; undAbkühlenlassen des Fügeelements (1; 1") und der Bauteile (20, 30; 20', 30') auf eine Erstarrungstemperatur des thermoplastischen Kunststoffs der Bauteile (20, 30; 20', 30'),wobei die Eindringtiefe des Fügeelements (1; 1") in ein in einer Eindringreihenfolge letztes der Bauteile so bemessen wird, dass das Fügeelement (1; 1") dieses nicht vollständig durchdringt, dadurch gekennzeichnet, dassein weiter in das andere Bauteil (20; 20') Eindringen des Fügeelements (1; 1") mechanisch behindert wird, sobald das Fügeelement (1; 1") mit der vorbestimmten Eindringtiefe in das andere Bauteil (20; 20') eingedrungen ist,das mechanische Behindern aufseiten des von dem Fügeelement (1; 1") vollständig durchdrungenen einen Bauteils (30; 30') durchgeführt wird, indem das mechanische Behindern durchgeführt wird, indem für einen Eindringtiefen-Vorgabeabschnitt (Z; Z'') des Fügeelements (1; 1"), der kurz vor Erreichen der vorbestimmten Eindringtiefe in das andere Bauteil (20; 20') aufseiten des von dem Fügeelement (1; 1") vollständig durchdrungenen einen Bauteils (30; 30') noch freiliegt,ein Erhöhen einer Eindringkraft vorgesehen wird,wobei die Eindringkraft für den Eindringtiefen-Vorgabeabschnitt (Z) so erhöht wird, dass ein Eindringen dessen in das von dem Fügeelement (1) vollständig durchdrungene eine Bauteil (30) vollständig gesperrt wird,wobei zum Sperren des Eindringens des Eindringtiefen-Vorgabeabschnitts (Z) ein mit der Fügetemperatur nicht aufschmelzbares Sperrelement (62) zwischen dem Eindringtiefen-Vorgabeabschnitt (Z) und dem von dem Fügeelement (1) vollständig durchdrungenen einen Bauteil (30) angeordnet wird oderdas Erhöhen der Eindringkraft für den Eindringtiefen-Vorgabeabschnitt (Z'') realisiert wird, indem das Fügeelement (1") so bereitgestellt wird, dass der Eindringtiefen-Vorgabeabschnitt (Z'') eine beim Eindringen in die Bauteile (20, 30) wirksame Gesamtaufstandsfläche des Fügeelements (1") sprunghaft vergrößert, wobei der Eindringtiefen-Vorgabeabschnitt (Z'') in einem Winkel von 90 Grad quer zur Fügerichtung abgekantet ist.Joining method for joining two overlapping components by means of melting thermoplastic, comprising:providing two components (20, 30; 20', 30'), each made of thermoplastic, as the two overlapping components;providing a metallic joining element (1; 1");Heating the joining element (1; 1") to a joining temperature which is at least a melting temperature of the thermoplastic of the two components (20, 30; 20', 30');Insertion of the joining element (1; 1 ") on the side of one of the components (30; 30'), so that the joining element (1; 1") moves this component (30; 30') in the direction of the other component (20; 20') lying against it by melting its thermoplastic material. completely penetrates and penetrates the other component (20; 20') by melting its thermoplastic with a predetermined penetration depth; and allowing the joining element (1; 1") and the components (20, 30; 20', 30') to cool down to a solidification temperature of the thermoplastic material of the components (20, 30; 20', 30'), the penetration depth of the joining element (1 ; 1") in a last one of the components in a penetration sequence is dimensioned such that the joining element (1; 1") does not penetrate it completely, characterized in that penetration of the joining element (1 ; 1") is mechanically impeded as soon as the joining element (1; 1") has penetrated the other component (20; 20') with the predetermined penetration depth, the mechanical impeding on the part of the part through which the joining element (1; 1") has completely penetrated a component (30; 30') is carried out by the mechanical hindrance being carried out by for a penetration depth specification section (Z; Z'') of the joining element (1; 1''), which shortly before reaching the predetermined penetration depth into the other Component (20; 20') on the side of the F tension element (1; 1") completely penetrated one component (30; 30') is still exposed, an increase in a penetration force is provided, the penetration force for the penetration depth specification section (Z) being increased in such a way that penetration of it into the area formed by the joining element (1) completely penetrated one component (30) is completely blocked, with a blocking element (62), which cannot be melted at the joining temperature, between the penetration depth specified section (Z) and that of the joining element (1) to block the penetration of the penetration depth specification section (Z). penetrated is arranged a component (30) or the increase in the penetration force for the penetration depth specification section (Z'') is realized by the joining element (1") being provided in such a way that the penetration depth specification section (Z'') when penetrating into the components (20, 30) increases the effective total contact area of the joining element (1") by leaps and bounds, with the penetration depth specification section (Z") at an angle of 90 degrees transverse to the joining direction.
Description
Die Erfindung betrifft ein Fügeverfahren zum Zusammenfügen von zwei einander überlappenden Bauteilen mittels Aufschmelzens von thermoplastischem Kunststoff.The invention relates to a joining method for joining two overlapping components by melting thermoplastic material.
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Allerdings wäre bei diesem Verfahren, wenn z.B. eines der einander überlappenden Bauteile eine Lackierung aufweist, ein beim Kunststoffschweißen verursachter Wärmeeintrag in die zusammenzufügenden Bauteile als intensiv zu überwachender Betriebsparameter anzusehen, da ein zu starker Wärmeeintrag sich nachteilig auf die Lackoberfläche auswirken könnte. Diese Gefahr des zu starken Wärmeeintrags kann somit die Prozesssicherheit des Verfahrens beeinträchtigen und durch die erforderliche Parameterüberwachung das Fügeverfahren verkomplizieren.However, with this method, if, for example, one of the overlapping components has a paint finish, the heat input into the components to be joined during plastic welding would have to be viewed as an operating parameter that needs to be monitored intensively, since excessive heat input could have a negative effect on the paint surface. This risk of excessive heat input can thus impair the process reliability of the method and complicate the joining method due to the required parameter monitoring.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Fügeverfahren zum Zusammenfügen von zwei einander überlappenden Bauteilen mittels Aufschmelzens von thermoplastischem Kunststoff sowie ein Fügeelement zur Verwendung in einem solchen Fügeverfahren bereitzustellen, so dass das Zusammenfügen der Bauteile in einfacher und prozesssicherer Weise realisiert werden kann.The object of the invention is to provide a joining method for joining two overlapping components by melting thermoplastic material and a joining element for use in such a joining method, so that the components can be joined together in a simple and process-reliable manner.
Dies wird mit einem Fügeverfahren gemäß Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Fügeverfahrens sind in dem abhängigen Anspruch definiert.This is achieved with a joining method according to
Die Erfindung betrifft ein Fügeverfahren zum Zusammenfügen von zwei einander überlappenden Bauteilen mittels Aufschmelzens von thermoplastischem Kunststoff, wobei das Fügeverfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist: Bereitstellen von zwei jeweils aus thermoplastischem Kunststoff bestehenden Bauteilen als die zwei einander überlappenden Bauteile; Bereitstellen eines metallischen Fügeelements; Erwärmen des Fügeelements auf eine Fügetemperatur, die mindestens eine Aufschmelztemperatur des thermoplastischen Kunststoffs der beiden Bauteile beträgt; Einbringen des auf Fügetemperatur befindlichen Fügeelements aufseiten eines der Bauteile, so dass das Fügeelement per Aufschmelzen von dessen thermoplastischen Kunststoff dieses Bauteil in Richtung zum daran anliegenden anderen Bauteil hin vollständig durchdringt und per Aufschmelzen von dessen thermoplastischen Kunststoff mit einer vorbestimmten Eindringtiefe in das andere Bauteil eindringt; und Abkühlenlassen des Fügeelements und der Bauteile auf eine Erstarrungstemperatur des thermoplastischen Kunststoffs der Bauteile.The invention relates to a joining method for joining two overlapping components by melting thermoplastic material, the joining method having the following method steps: providing two components each made of thermoplastic material as the two overlapping components; providing a metallic joining element; Heating the joining element to a joining temperature that has at least one melting temperature of the thermoplastic material of the two components is; Introduction of the joining element at joining temperature on the side of one of the components, so that the joining element completely penetrates this component by melting its thermoplastic material in the direction of the other component lying thereon and by melting its thermoplastic material with a predetermined penetration depth penetrating the other component; and allowing the joining element and the components to cool down to a solidification temperature of the thermoplastic material of the components.
Im Rahmen der Erfindung ist die Formulierung „zwei jeweils aus thermoplastischem Kunststoff bestehende Bauteile“ nicht so zu verstehen, dass die beiden Bauteile ausschließlich aus thermoplastischem Kunststoff bestehen. Diese Formulierung ist vielmehr so zu verstehen, dass die beiden zusammenzufügenden Bauteile in den Bereichen, die für ein Zusammenfügen dieser Bauteile vorgesehen sind, aus thermoplastischem Kunststoff bestehen.In the context of the invention, the wording “two components each consisting of thermoplastic material” should not be understood to mean that the two components consist exclusively of thermoplastic material. Rather, this wording is to be understood in such a way that the two components to be joined together are made of thermoplastic material in the areas that are provided for joining these components together.
Dadurch, dass gemäß der Erfindung nur das Fügeelement erwärmt wird und seine Wärme nur im Bereich seines Kontakts mit den Bauteilen an diese überträgt, wird die Gefahr eines zu starken Wärmeeintrags in die Bauteile reduziert bzw. beseitigt und damit die Prozesssicherheit des Fügeverfahrens erhöht. Da die Fügetemperatur lediglich auf eine mindestens die Aufschmelztemperatur des thermoplastischen Kunststoffs der beiden Bauteile betragende Temperatur eingestellt werden muss und das Zusammenfügen durch ledigliches in die Bauteile per Aufschmelzen von deren Kunststoff Eindrücken eines auf Fügetemperatur befindlichen Fügeelements realisiert wird, kann das Zusammenfügen der beiden Bauteile in einfacher, schneller und kostengünstiger Weise durchgeführt werden.Because according to the invention only the joining element is heated and its heat is only transferred to the components in the region of its contact with the latter, the risk of excessive heat input into the components is reduced or eliminated and the process reliability of the joining method is increased. Since the joining temperature only has to be set to a temperature at least equal to the melting temperature of the thermoplastic of the two components and the joining is realized by simply pressing a joining element that is at the joining temperature into the components by melting their plastic, the joining of the two components can be done in a simpler way , can be carried out more quickly and cheaply.
In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, dass durch das Hindurchdrücken des Fügeelements durch das eine Bauteil und nachfolgende Eindrücken des Fügeelements in das andere Bauteil aufgeschmolzener Kunststoff des einen Bauteils in vernetzender Weise in das andere Bauteil transportiert wird, wodurch die Bindungsfestigkeit der durch das Fügeverfahren erzielten Verbindung zwischen den beiden Bauteilen erhöht wird.In this context, it should be mentioned that by pressing the joining element through one component and then pressing the joining element into the other component, melted plastic from one component is transported to the other component in a cross-linked manner, thereby increasing the bond strength of the connection achieved by the joining process between the two components is increased.
Gemäß der Erfindung ist das Fügeverfahren nicht auf das Zusammenfügen von zwei einander überlappenden bzw. sandwichartig flächig aneinander gelegten Bauteilen beschränkt, sondern können auch mehr als zwei einander überlappende bzw. sandwichartig aneinander gelegte Bauteile mit dem erfindungsgemäßen Fügeverfahren zusammengefügt werden. Z.B. im Fall von drei derart einander überlappenden Bauteilen würde das Fügelement ein außenliegendes erstes Bauteil vollständig durchdringen, in ein mittig liegendes zweites Bauteil mit einer so vorbestimmten Eindringtiefe eindringen, dass auch das zweite Bauteil vollständig von dem Fügelement durchdrungen wird, und in ein außenliegendes drittes Bauteil ebenfalls mit einer vorbestimmten Eindringtiefe eindringen.According to the invention, the joining method is not limited to the joining of two overlapping or sandwich-like components placed flat against one another, but more than two overlapping or sandwich-like components placed one against the other can also be joined using the inventive joining method. For example, in the case of three such overlapping components, the joining element would completely penetrate an external first component, penetrate into a central second component with such a predetermined penetration depth that the second component is also completely penetrated by the joining element, and into an external third component also penetrate with a predetermined penetration depth.
Gemäß der Erfindung ist die Eindringtiefe des Fügeelements in das in der Eindringreihenfolge letzte Bauteil so bemessen, dass das Fügeelement dieses in der Eindringreihenfolge letzte Bauteil nicht vollständig durchdringt (z.B. eine Eindringtiefe von 50-70 Prozent einer Dickenabmessung des letzten Bauteils).According to the invention, the penetration depth of the joining element into the last component in the penetration sequence is dimensioned such that the joining element does not completely penetrate this last component in the penetration sequence (e.g. a penetration depth of 50-70 percent of a thickness dimension of the last component).
Das erfindungsgemäße Fügeverfahren kann in der Produktion von Kunststoffbauteile aufweisenden neuwertigen Produkten, wie z.B. Kraftfahrzeugen, Spielzeug o.a., bei der Reparatur solcher Produkte und auch beim Nachrüsten solcher Produkte angewendet werden. Das erfindungsgemäße Fügeverfahren kann z.B. dazu verwendet werden, um Kunststoffbauteile, wie z.B. Halter für Abstandssensoren eines Fahrunterstützungssystems oder Kabelhalter, in einer ggf. außen lackierten Stoßfängerabdeckung eines Fahrzeugs zu befestigen.The joining method according to the invention can be used in the production of new products having plastic components, such as motor vehicles, toys or the like, in the repair of such products and also when retrofitting such products. The joining method according to the invention can be used, for example, to fasten plastic components, such as holders for distance sensors of a driving assistance system or cable holders, in a bumper cover of a vehicle that may be painted on the outside.
Das erfindungsgemäße Fügeverfahren weist auch gegenüber anderen üblichen Fügeverfahren wie Kleben oder Ultraschallschweißen erhebliche Vorteile auf. Kleben weist z.B. in der Produktion und im Reparaturfall Prozessunsicherheiten bezüglich Aushärtezeit und Oberflächenbehandlung auf. Beim erfindungsgemäßen Fügeverfahren ist keine spezielle Oberflächenbehandlung der zu fügenden Bauteile erforderlich und ist die Erstarrungszeit des Kunststoffs so kurz, dass diese nicht zu Prozessunsicherheit führen kann. Ultraschallschweißen benötigt wiederum relativ große und kostenintensive Geräte, was dieses Fügeverfahren für den Reparaturfall ungeeignet macht. Das erfindungsgemäße Fügeverfahren benötigt lediglich ein preiswert herzustellendes metallisches Fügeelement und eine Wärmequelle zum Erwärmen des Fügeelements, wie z.B. eine Elektroenergiequelle zur Bestromung und dadurch Erwärmung des Fügeelements. Vorteilhaft können somit z.B. zwei ursprünglich bei der Herstellung ultraschallverschweißte Kunststoffbauteile im Reparaturfall kostengünstig wieder miteinander verbunden werden.The joining method according to the invention also has considerable advantages over other conventional joining methods such as gluing or ultrasonic welding. Gluing shows process uncertainties regarding curing time and surface treatment, e.g. in production and in the case of repairs. With the joining method according to the invention, no special surface treatment of the components to be joined is required and the solidification time of the plastic is so short that it cannot lead to process insecurity. Ultrasonic welding, in turn, requires relatively large and expensive equipment, which makes this joining process unsuitable for repairs. The joining method according to the invention only requires a metal joining element that is inexpensive to produce and a heat source for heating the joining element, such as an electrical energy source for energizing and thereby heating the joining element. This means that, for example, two plastic components that were originally ultrasonically welded during production can be reconnected to one another at low cost in the event of repairs.
Dadurch, dass mit dem erfindungsgemäßen Fügeverfahren Kunststoffteile z.B. mittels Aufbringens eines Reparaturpatches einfach und preiswert repariert werden können, brauchen diese Teile im Beschädigungsfall nicht vollständig ausgetauscht werden und kann damit die Ersatzteilvielfalt im Ersatzteilwesen für Kunststoffteile reduziert werden.Since plastic parts can be repaired easily and inexpensively with the joining method according to the invention, e.g. by applying a repair patch, these parts do not have to be completely replaced in the event of damage and the variety of spare parts in the spare parts system for plastic parts can thus be reduced.
Erfindungsgemäß wird ein weiter in das andere Bauteil Eindringen des Fügeelements mechanisch behindert, sobald das Fügeelement mit der vorbestimmten Eindringtiefe in das andere Bauteil eingedrungen ist.According to the invention, further penetration of the joining element into the other component is mechanically impeded as soon as the joining element has penetrated the other component with the predetermined penetration depth.
Durch die mechanische Behinderung eines weiter in das andere Bauteil Eindringens des Fügeelements wird das Realisieren der vorbestimmten Eindringtiefe in das andere Bauteil vorteilhaft vereinfacht und die Prozesssicherheit des erfindungsgemäßen Fügeverfahrens weiter erhöht.The mechanical impeding of the joining element penetrating further into the other component advantageously simplifies the implementation of the predetermined penetration depth into the other component and further increases the process reliability of the joining method according to the invention.
Das mechanische Behindern wird aufseiten des von dem Fügeelement vollständig durchdrungenen einen Bauteils durchgeführt.The mechanical impeding is carried out on the side of the one component through which the joining element completely penetrates.
Dies vermeidet vorteilhaft zusätzliche Vorkehrungen z.B. in dem anderen Bauteil oder zwischen den Bauteilen und vereinfacht somit die Bereitstellung der mechanischen Behinderung bzw. Eindringtiefenbegrenzung.This advantageously avoids additional precautions, e.g. in the other component or between the components, and thus simplifies the provision of the mechanical hindrance or limitation of the penetration depth.
Erfindungsgemäß wird das mechanische Behindern durchgeführt, indem für einen Eindringtiefen-Vorgabeabschnitt des Fügeelements, der kurz vor Erreichen der vorbestimmten Eindringtiefe in das andere Bauteil aufseiten des von dem Fügeelement vollständig durchdrungenen einen Bauteils noch freiliegt, ein Erhöhen einer Eindringkraft vorgesehen wird.According to the invention, the mechanical impeding is carried out by providing an increase in a penetration force for a penetration depth specification section of the joining element which is still exposed shortly before reaching the predetermined penetration depth into the other component on the side of the one component completely penetrated by the joining element.
Durch Erhöhen der Eindringkraft für den Eindringtiefen-Vorgabeabschnitt wird eine taktil bzw. sensorisch erfassbare Parameteränderung bereitgestellt, was sich sowohl bei einem manuellen als auch bei einem automatisierten in die Bauteile Einbringen des Fügeelements als vorteilhaft die Prozesssicherheit erhöhend erweist.By increasing the penetration force for the penetration depth specification section, a tactile or sensory detectable parameter change is provided, which proves to be advantageous for increasing process reliability both in the case of manual and automated introduction of the joining element into the components.
Erfindungsgemäß wird das Erhöhen der Eindringkraft für den Eindringtiefen-Vorgabeabschnitt realisiert, indem das Fügeelement so bereitgestellt wird, dass der Eindringtiefen-Vorgabeabschnitt eine beim Eindringen in die Bauteile wirksame Gesamtaufstandsfläche des Fügeelements sprunghaft vergrößert.According to the invention, the penetration force for the penetration depth specification section is increased by providing the joining element in such a way that the penetration depth specification section suddenly increases a total contact area of the joining element that is effective when penetrating into the components.
Als Gesamtaufstandsfläche wird gemäß der Erfindung die gesamte Querschnittsfläche des Fügeelements betrachtet, die beim Eindringen dessen in die Bauteile zuvorderst bzw. stirnseitig angeordnet ist und die das aufgeschmolzene Kunststoffmaterial der Bauteile in Eindringrichtung des Fügeelements verdrängen muss.According to the invention, the total contact area is considered to be the entire cross-sectional area of the joining element, which is arranged first or frontally when it penetrates into the components and which must displace the melted plastic material of the components in the direction of penetration of the joining element.
Durch das sprunghafte (und nicht allmähliche) Vergrößern der Gesamtaufstandsfläche vergrößert sich auch die Eindringkraft sprunghaft, so dass eine noch genauere taktile bzw. sensorische Erfassung des Erreichens der vorbestimmten Eindringtiefe und damit eine weitere Erhöhung der Prozesssicherheit gewährleistet wird.Due to the abrupt (rather than gradual) increase in the total contact area, the penetration force also increases abruptly, so that an even more precise tactile or sensory detection of reaching the predetermined penetration depth and thus a further increase in process reliability is ensured.
Erfindungsgemäß wird die Eindringkraft für den Eindringtiefen-Vorgabeabschnitt so erhöht, dass ein Eindringen dessen in das von dem Fügeelement vollständig durchdrungene eine Bauteil vollständig gesperrt wird.According to the invention, the penetration force for the penetration depth specification section is increased in such a way that its penetration into the one component completely penetrated by the joining element is completely blocked.
Durch das vollständige Sperren eines Eindringens des Eindringtiefen-Vorgabeabschnitts in das eine Bauteil wird eine taktile bzw. sensorische Erfassung des Erreichens der vorbestimmten Eindringtiefe besonders einfach gemacht und wird damit die Prozesssicherheit für das Fügeverfahren gesteigert.By completely blocking penetration of the penetration depth specification section into one component, a tactile or sensory detection of reaching the predetermined penetration depth is made particularly easy and the process reliability for the joining method is thus increased.
Erfindungsgemäß wird zum Sperren des Eindringens des Eindringtiefen-Vorgabeabschnitts ein mit der Fügetemperatur nicht aufschmelzbares Sperrelement zwischen dem Eindringtiefen-Vorgabeabschnitt und dem von dem Fügeelement vollständig durchdrungenen einen Bauteil angeordnet.According to the invention, in order to block the penetration of the penetration depth specification section, a blocking element that cannot be melted at the joining temperature is arranged between the penetration depth specification section and the one component completely penetrated by the joining element.
Durch Anordnen eines mit der Fügetemperatur nicht aufschmelzbaren Sperrelements zwischen dem Eindringtiefen-Vorgabeabschnitt und dem einen Bauteil kann das vollständige Sperren des Eindringens des Eindringtiefen-Vorgabeabschnitts in das eine Bauteil in einfacher und kostengünstiger Weise realisiert werden.By arranging a blocking element that cannot be melted at the joining temperature between the penetration depth specification section and one component, the penetration of the penetration depth specification section into one component can be completely blocked in a simple and cost-effective manner.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fügeverfahrens wird als Fügeelement eine elektrisch leitfähige Metalldrahtklammer verwendet, wobei zum Erwärmen der Metalldrahtklammer auf die Fügetemperatur zwei Enden der Metalldrahtklammer an eine Elektroenergiequelle angeschlossen werden, so dass die Metalldrahtklammer von elektrischem Strom durchflossen und dadurch erwärmt wird.According to one embodiment of the joining method according to the invention, an electrically conductive metal wire clip is used as the joining element, with two ends of the metal wire clip being connected to an electrical energy source in order to heat the metal wire clip to the joining temperature, so that the metal wire clip is electrically powered and thereby heated.
Metalldrahtklammern lassen sich in einfacher Weise in großer Stückzahl kostengünstig und vorkonfektioniert herstellen, was die Kosten für das Fügeelement niedrig hält. Zudem lässt sich eine Metalldrahtklammer über ihre beiden Enden in einfacher Weise an eine Elektroenergiequelle anschließen und zusätzlich halten und manipulieren, wodurch das Fügeverfahren weiter vereinfacht und im Aufwand gesenkt wird.Metal wire clamps can be produced in large numbers in a simple manner, inexpensively and prefabricated, which keeps the costs for the joining element low. In addition, a metal wire clip can be easily connected to an electrical energy source via its two ends and also held and manipulated, which further simplifies the joining process and reduces the effort.
Gemäß der Erfindung wird ein Fügeelement zur Verwendung in einem Fügeverfahren gemäß einer, mehreren oder allen zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung in jeder denkbaren Kombination bereitgestellt, wobei das Fügeelement aufweist: einen Fügeabschnitt, welcher in einer Fügerichtung dessen eine solche Längenabmessung aufweist, dass er nach Erwärmung auf die Fügetemperatur das eine Bauteil in Richtung zum daran anliegenden anderen Bauteil hin vollständig durchdringen und mit einer vorbestimmten Eindringtiefe in das andere Bauteil eindringen kann, und welcher eine beim Eindringen in die Bauteile wirksame erste Aufstandsfläche aufweist; einen Eindringtiefen-Vorgabeabschnitt, welcher eine zweite Aufstandsfläche definiert und welcher so ausgebildet ist, dass er bei Erreichen der vorbestimmten Eindringtiefe des Fügeabschnitts im anderen Bauteil über die zweite Aufstandsfläche mit dem von dem Fügeabschnitt vollständig durchdrungenen einen Bauteil in Kontakt gelangt; und einen Manipulationsabschnitt zum Steuern des in die Bauteile Einbringens des Fügeelements.According to the invention, a joining element for use in a joining method according to one, several or all of the above-described embodiments of the invention is provided in every conceivable combination, the joining element having: a joining section which in a joining direction has such a length measurement that, after heating to the joining temperature, it can completely penetrate the one component in the direction of the other component lying thereon and can penetrate the other component to a predetermined penetration depth, and which has a first contact surface that is effective when penetrating the components; a penetration depth specification section, which defines a second contact area and which is designed in such a way that when the predetermined penetration depth of the joining section in the other component is reached, it comes into contact via the second contact area with the one component completely penetrated by the joining section; and a manipulation section for controlling insertion of the joining element into the components.
Um Wiederholungen zu vermeiden, wird hier darauf hingewiesen, dass alle oben mit Bezug auf das erfindungsgemäße Fügeverfahren genannten Definitionen, Wirkungen und Vorteile auch auf das erfindungsgemäße Fügeelement gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung zutreffen. Die oben genannte Gesamtaufstandsfläche ergibt sich dabei als Summe der in Kontakt mit den beiden Bauteilen befindlichen Aufstandsflächen. Somit ist klar, dass bei mit dem einen Bauteil in Kontakt gelangen der zweiten Aufstandsfläche sich die wirksame Gesamtaufstandsfläche als Summe von erster und zweiter Aufstandsfläche ergibt und sich die Gesamtaufstandsfläche somit erhöht, wodurch sich die zum weiteren in die Bauteile Eindringen des Fügeelements erforderliche Eindringkraft erhöht und damit die oben beschriebene taktil bzw. sensorisch erfassbare Eindringtiefenbegrenzung realisiert ist.In order to avoid repetition, it is pointed out here that all definitions, effects and advantages mentioned above with reference to the joining method according to the invention also apply to the joining element according to the invention according to the second aspect of the invention. The total contact area mentioned above results from the sum of the contact areas in contact with the two components. It is therefore clear that when the second contact area comes into contact with one component, the effective total contact area is the sum of the first and second contact area and the total contact area is thus increased, which increases the penetration force required for the joining element to penetrate further into the components and so that the tactile or sensory detectable penetration depth limitation described above is realized.
Der zum Steuern des in die Bauteile Einbringens des Fügeelements vorgesehene Manipulationsabschnitt dient insbesondere zum Halten und Eindrücken des Fügeelements.The manipulation section provided for controlling the introduction of the joining element into the components serves in particular to hold and press in the joining element.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fügeelements ist dieses einstückig von einer elektrisch leitfähigen Metalldrahtklammer gebildet, die zwei Schenkel mit jeweiligen freien Enden und einen die beiden Schenkel verbindenden Verbindungssteg aufweist, wobei die beiden Schenkel Bestandteil des Fügeabschnitts und des Manipulationsabschnitts sind und der Verbindungssteg Bestandteil des Fügeabschnitts und des Eindringtiefen-Vorgabeabschnitts ist, wobei sich der Fügeabschnitt und der Manipulationsabschnitt in einer in Fügerichtung verlaufenden gemeinsamen ersten Ebene erstrecken, und wobei sich der Eindringtiefen-Vorgabeabschnitt in einer winklig zu erster Ebene und Fügerichtung verlaufenden zweiten Ebene erstreckt.According to one embodiment of the joining element according to the invention, this is formed in one piece by an electrically conductive metal wire clip, which has two legs with respective free ends and a connecting web connecting the two legs, the two legs being part of the joining section and the manipulation section and the connecting web being part of the joining section and of the penetration depth specification section, the joining section and the manipulation section extending in a common first plane running in the joining direction, and the penetration depth specification section extending in a second plane running at an angle to the first plane and the joining direction.
Durch die winklige Anordnung des Eindringtiefen-Vorgabeabschnitt zur ersten Ebene bzw. zur Fügerichtung kann die zweite Aufstandsfläche relativ groß ausgebildet werden, was bei mit dem einen Bauteil in Kontakt gelangen der zweiten Aufstandsfläche die wirksame Gesamtaufstandsfläche und damit die Eindringkraft noch mehr erhöht, wodurch die taktile bzw. sensorische Erfassung der Eindringtiefengrenze noch genauer möglich ist.The angular arrangement of the penetration depth specification section to the first level or to the joining direction allows the second contact area to be made relatively large, which increases the effective total contact area and thus the penetration force even more when the component comes into contact with the second contact area, whereby the tactile or sensory detection of the penetration depth limit is even more accurate.
Durch die relativ große zweite Aufstandsfläche kann zudem, wenn der Eindringtiefen-Vorgabeabschnitt um ein gewisses Maß in das eine Bauteil eingedrückt wird, die Haftbindung zwischen Fügeelement und einem Bauteil erhöht und damit die Bindungsfestigkeit insgesamt erhöht werden.Due to the relatively large second contact area, when the penetration depth specification section is pressed into one component to a certain extent, the adhesive bond between the joining element and a component can be increased and the bond strength can thus be increased overall.
Die zweite Ebene verläuft in einem Winkel von 90 Grad zur ersten Ebene. Mit anderen Worten ist der Eindringtiefen-Vorgabeabschnitt in einem Winkel von 90 Grad quer zur Fügerichtung abgekantet. Durch die Neunziggradabkantung des Eindringtiefen-Vorgabeabschnitts stellt dieser gewissermaßen einen Tiefenanschlag bereit, wodurch bei mit dem einen Bauteil in Kontakt gelangen der zweiten Aufstandsfläche die wirksame Gesamtaufstandsfläche und die Eindringkraft noch mehr erhöht werden und damit die taktile bzw. sensorische Erfassung der Eindringtiefengrenze noch genauer möglich ist. Auch wird dieThe second plane runs at an angle of 90 degrees to the first plane. In other words, the penetration depth specification section is bent at an angle of 90 degrees transversely to the joining direction. The ninety-degree bevel of the penetration depth specification section provides a depth stop, so to speak, which means that when the second contact surface comes into contact with one component, the effective total contact surface and the penetration force are increased even more and the tactile or sensory detection of the penetration depth limit is even more precise . Also will the
Haftbindung zwischen Fügeelement und dem einen Bauteil noch mehr erhöht, wodurch sich die Bindungsfestigkeit insgesamt weiter erhöht.Adhesive bond between the joining element and one component is increased even more, which further increases the overall bond strength.
Der Manipulationsabschnitt kann gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung neben Halten und Eindrücken zusätzlich dazu dienen, die Metalldrahtklammer an eine Elektroenergiequelle anzuschließen und mittels Stromdurchfluss auf die Fügetemperatur zu erwärmen. Somit wird ein einfaches und schnelles Erwärmen des Fügeelements auf die Fügetemperatur ermöglicht.According to this embodiment of the invention, the manipulation section can, in addition to holding and pressing, also serve to connect the metal wire clip to an electrical energy source and to heat it to the joining temperature by means of current flow. This enables the joining element to be heated quickly and easily to the joining temperature.
Bevorzugt ist die Metalldrahtklammer aus Edelstahl hergestellt. Dies hat den Vorteil der Vermeidung einer Verzunderung, wodurch die Bindungsfestigkeit der mit dem erfindungsgemäßen Fügelement herstellbaren Fügeverbindung erhöht wird.The metal wire clip is preferably made of stainless steel. This has the advantage of avoiding scaling, which increases the bond strength of the joint that can be produced with the joining element according to the invention.
Die Erfindung erstreckt sich ausdrücklich auch auf solche Ausführungsformen, welche nicht durch Merkmalskombinationen aus expliziten Rückbezügen der Ansprüche gegeben sind, womit die offenbarten Merkmale der Erfindung - soweit dies technisch sinnvoll ist - beliebig miteinander kombiniert sein können.The invention also expressly extends to those embodiments which are not given by combinations of features from explicit back references of the claims, with which the disclosed features of the invention - insofar as this is technically meaningful - can be combined with one another as desired.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben werden.
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1 zeigt eine Ansicht eines Fügeelements zur Verwendung in einem Fügeverfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. -
2 zeigt eine Ansicht eines weiteren nicht erfindungsgemäßen Fügeelements. -
3 zeigt zwei Ansichten noch eines Fügeelements zur Verwendung in einem Fügeverfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. -
4 zeigt eine seitliche Schnittansicht zweier einander überlappender Bauteile, die mittels eines Fügeverfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zusammengefügt sind. -
5 zeigt eine in einer Fügerichtung gesehene Draufsicht auf diezusammengefügten Bauteile von 4 . -
6 zeigt eine in Fügerichtung gesehene Draufsicht zweier einander überlappender Bauteile, die mittels eines Fügeverfahrens gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zusammengefügt sind.
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1 shows a view of a joining element for use in a joining method according to an embodiment of the invention. -
2 shows a view of a further joining element not according to the invention. -
3 shows two views of another joining element for use in a joining method according to an embodiment of the invention. -
4 shows a side sectional view of two overlapping components, which are joined together by means of a joining method according to an embodiment of the invention. -
5 shows a top view of the assembled components of FIG4 . -
6 shows a plan view, seen in the joining direction, of two overlapping components which are joined together by means of a joining method according to a further embodiment of the invention.
Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die
In den
Das Fügelement 1'' von
Wie aus den
Nun wird unter zusätzlicher Bezugnahme auf die
Das Fügeverfahren dient zum Zusammenfügen von zwei einander überlappenden Bauteilen 20, 30 mittels Aufschmelzens von thermoplastischem Kunststoff, aus dem die beiden Bauteile 20, 30 jeweils bestehen. Im vorliegenden einfachen Beispiel bildet das erste Bauteil 20 einen Grundkörper und bildet das daran anzufügende zweite Bauteil 30 eine Verstärkungsplatte für den Grundkörper.The joining method is used to join two overlapping
Gemäß dem hier beschriebenen Beispiel werden die folgenden Verfahrensschritte ausgeführt, um die beiden Bauteile 20, 30 zusammenzufügen.According to the example described here, the following method steps are carried out in order to join the two
Zunächst sind die beiden Bauteile 20, 30 in einander überlappender bzw. sandwichartig flächig aneinander gelegter Anordnung bereitzustellen. Außerdem ist ein wie mit Bezug auf die
Das Fügelement 1" wird mit seinem Manipulationsabschnitt Y'' in eine Manipulationseinrichtung (nicht vollständig gezeigt) 50 eingesteckt, welche über zwei entsprechende Aufnahmen 51, 52 zur Aufnahme der beiden Schenkel des Manipulationsabschnitts Y'' verfügt. Ferner verfügt die Manipulationseinrichtung 50 über eine als Gleichstrombatterie ausgebildete Elektroenergiequelle 55, deren Plus- und Minuspole über die Aufnahmen der Manipulationseinrichtung 50 an jeweils einen Schenkel des Manipulationsabschnitts Y'' angeschlossen sind. Zusätzlich ist in der Manipulationseinrichtung 50 ein Schalter 56 zum Schließen und Unterbrechen des Stromkreises vorgesehen.The joining
Nach Aufnahme in der Manipulationseinrichtung 50 wird das Fügelement 1" durch mittels des Schalters 56 Schließen des Stromkreises von elektrischem Gleichstrom durchflossen und dabei auf eine Fügetemperatur, die mindestens eine Aufschmelztemperatur des thermoplastischen Kunststoffs der beiden Bauteile 20, 30 beträgt, erwärmt. In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, dass bei unterschiedlichen thermoplastischen Kunststoffen der beiden Bauteile 20, 30 und unterschiedlichen Aufschmelztemperaturen natürlich die Fügetemperatur mindestens die jeweils höhere Aufschmelztemperatur beträgt.After receiving it in the
Nach Erreichen der Fügetemperatur wird das auf Fügetemperatur befindliche Fügeelement 1" aufseiten des zweiten Bauteils 30 (Verstärkungsplatte) eingebracht, so dass das Fügeelement 1" per Aufschmelzen von dessen thermoplastischen Kunststoff das zweite Bauteil 30 in Richtung zum daran anliegenden ersten Bauteil 20 (Grundkörper) hin vollständig durchdringt und per Aufschmelzen von dessen thermoplastischen Kunststoff mit einer vorbestimmten Eindringtiefe in das erste Bauteil 20 eindringt.After the joining temperature has been reached, the joining
In diesem Zusammenhang ist hinsichtlich der strukturellen Ausgestaltung des Fügeelements 1" zu erwähnen, dass dessen Fügeabschnitt X'' in Fügerichtung FR eine solche Längenabmessung aufweist, dass der Fügeabschnitt X'' nach Erwärmung auf die Fügetemperatur das zweite Bauteil 30 in Richtung zum daran anliegenden ersten Bauteil 20 hin vollständig durchdringen und mit der vorbestimmten Eindringtiefe in das erste Bauteil 20 eindringen kann.In this context, it should be mentioned with regard to the structural design of the joining
Wie in
Nach Erreichen der vorbestimmten Eindringtiefe wird der Stromkreis mittels des Schalters 56 unterbrochen, so dass das Fügeelement 1" und die beiden Bauteile 20, 30 auf eine Erstarrungstemperatur des thermoplastischen Kunststoffs der Bauteile 20, 30, d.h. unter die jeweilige Aufschmelztemperatur, abkühlen können.After the predetermined penetration depth has been reached, the circuit is interrupted by the
Danach wird die Manipulationseinrichtung 50 vom Fügelement 1" getrennt und können die aus dem zweiten Bauteil 30 (aus dessen freiliegender Flächenseite) vorstehenden Endabschnitte der Schenkel des Fügeelements 1" bündig abgetrennt werden.The
Wird wie gemäß den
Da das Fügelement 1' nach
Genauer weist der Fügeabschnitt X'' beim Eindringen in die Bauteile 20, 30 eine wirksame erste Aufstandsfläche auf, welche solange der Eindringtiefen-Vorgabeabschnitt Z'' noch nicht an der freiliegenden Flächenseite des zweiten Bauteils 30 zur Anlage gekommen ist, eine Gesamtaufstandsfläche des Fügeelements 1'' bildet. Als Gesamtaufstandsfläche wird hier die gesamte Querschnittsfläche des Fügeelements 1'' betrachtet, die beim Eindringen dessen in die Bauteile 20, 30 zuvorderst bzw. stirnseitig angeordnet ist und die das aufgeschmolzene Kunststoffmaterial der Bauteile 20, 30 in Eindringrichtung des Fügeelements 1" (d.h. in Fügerichtung FR) verdrängen muss. So wie die Größe der Gesamtaufstandsfläche ansteigt, steigt somit auch eine Eindringkraft zum in die Bauteile 20, 30 Einbringen des Fügeelements 1" an.More precisely, the joining section X'' when penetrating into the
Der bevorzugt um 90 Grad abgewinkelte Eindringtiefen-Vorgabeabschnitt Z'' definiert seinerseits eine zweite Aufstandsfläche, welche bei Erreichen der vorbestimmten Eindringtiefe des Fügeabschnitts X'' im ersten Bauteil 20 mit der freiliegenden Flächenseite des zweiten Bauteils 30 in Kontakt gelangt und mit dieser Kontaktierung wirksam wird.The penetration depth specification section Z'', which is preferably angled by 90 degrees, in turn defines a second contact surface which, when the predetermined penetration depth of the joining section X'' in the
Bei mit dem zweiten Bauteil 30 in Kontakt gelangen der zweiten Aufstandsfläche des Eindringtiefen-Vorgabeabschnitts Z'' ergibt sich die wirksame Gesamtaufstandsfläche nun als Summe von erster und zweiter Aufstandsfläche, wodurch sich die Gesamtaufstandsfläche und damit auch die zum weiteren in die Bauteile 20, 30 Eindringen des Fügeelements 1" erforderliche Eindringkraft erhöht.When the second contact area of the penetration depth specification section Z'' comes into contact with the
Somit wird gemäß dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fügeverfahrens das mechanische Behindern durchgeführt, indem für den Eindringtiefen-Vorgabeabschnitt Z'' des Fügeelements 1", welcher kurz vor Erreichen der vorbestimmten Eindringtiefe in das erste Bauteil 20 aufseiten des von dem Fügeelement 1" vollständig durchdrungenen zweiten Bauteils 30 noch freiliegt, ein Erhöhen der Eindringkraft vorgesehen wird. Insbesondere durch die Neunziggradabwinklung des Eindringtiefen-Vorgabeabschnitt Z'' wird das Erhöhen der Eindringkraft für den Eindringtiefen-Vorgabeabschnitt Z'' so realisiert, dass der Eindringtiefen-Vorgabeabschnitt Z'' die beim Eindringen in die Bauteile 20, 30 wirksame Gesamtaufstandsfläche des Fügeelements 1" und damit auch die Eindringkraft sprunghaft vergrößert.Thus, according to this embodiment of the joining method according to the invention, the mechanical impeding is carried out in that for the penetration depth specification section Z'' of the joining
Nun wird unter Bezugnahme auf die
Auch das Fügeverfahren gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung dient zum Zusammenfügen von zwei einander überlappenden Bauteilen 20', 30' mittels Aufschmelzens von thermoplastischem Kunststoff, aus dem die beiden Bauteile 20', 30' jeweils bestehen. Im vorliegenden einfachen Beispiel bildet das erste Bauteil 20' eine Stoßfängerabdeckung eines Fahrzeugs und bildet das daran anzufügende zweite Bauteil 30' einen Halter für einen Abstandssensor eines Fahrunterstützungssystems (Park Distance Control - Einparkhilfe).The joining method according to the second embodiment of the invention is also used to join two overlapping components 20', 30' by melting thermoplastic material from which the two components 20', 30' each consist. In the present simple example, the first component 20' forms a bumper cover of a vehicle and the second component 30' to be attached thereto forms a holder for a distance sensor of a driving support system (Park Distance Control - parking aid).
Wird wie gemäß
Da das Fügelement 1 nach
Hierzu wird zwischen dem Eindringtiefen-Vorgabeabschnitt Z und dem zweiten Bauteil 30' ein mit der Fügetemperatur nicht aufschmelzbares Sperrelement angeordnet. Im vorliegenden Beispiel ist das Sperrelement an einem Griff 61 eines Dorns 60 als ein metallischer Rundschaft 62 ausgebildet und wird in einer Einführrichtung ER, die quer zur Fügerichtung FR verläuft, zwischen den Eindringtiefen-Vorgabeabschnitt Z und das zweite Bauteil 30' (d.h. in eine aus der freiliegenden Flächenseite des zweiten Bauteils 30' herausragende von dem Eindringtiefen-Vorgabeabschnitt Z gebildete Öse) hineingeschoben.For this purpose, a blocking element that cannot be melted at the joining temperature is arranged between the penetration depth specification section Z and the
Daher wird bei Anlage des Eindringtiefen-Vorgabeabschnitts Z (der Öse) an dem Rundschaft 62 die Eindringkraft für den Eindringtiefen-Vorgabeabschnitt Z abrupt so erhöht, dass ein Eindringen dessen in das zweite Bauteil 30' vollständig gesperrt wird. Nach erfolgter Erstarrung des Kunststoffs der Bauteile 20', 30' kann der Rundschaft 62 wieder entgegen der Einführrichtung ER aus der von dem Eindringtiefen-Vorgabeabschnitt Z gebildeten Öse herausgezogen werden.Therefore, when the penetration depth specification section Z (the eyelet) rests against the
Im Fazit kann mit den oben beschriebenen erfindungsgemäßen Fügeverfahren und Fügeelementen das Zusammenfügen der ersten und zweiten Bauteile 20, 30; 20', 30' in einfacher und prozesssicherer Weise realisiert werden kann.In conclusion, with the joining methods and joining elements according to the invention described above, the first and
Bezugszeichenlistereference list
- 1; 1'; 1"1; 1'; 1"
- Fügelementjoining element
- 2; 2'; 2"2; 2'; 2"
- Schenkelleg
- 2a; 2a'; 2a''2a; 2a'; 2a''
- freies Endefree end
- 3; 3'; 3"3; 3'; 3"
- Schenkelleg
- 3a; 3a'; 3a''3a; 3a'; 3a''
- freies Endefree end
- 4; 4'; 4"4; 4'; 4"
- Verbindungsstegconnecting bar
- 20; 20'20; 20'
- erstes Bauteilfirst component
- 30; 30'30; 30'
- zweites Bauteilsecond component
- 5050
- Manipulationseinrichtungmanipulation device
- 51, 5251, 52
- Aufnahmerecording
- 5555
- Elektroenergiequelleelectric power source
- 5656
- SchalterSwitch
- 6060
- Dornmandrel
- 6161
- GriffHandle
- 6262
- Rundschaftround shaft
- X; X'; X''X; X'; x''
- Fügeabschnittjoining section
- Y; Y'; Y''Y; Y'; Y''
- Manipulationsabschnittmanipulation section
- Z; Z''Z; Z''
- Eindringtiefen-VorgabeabschnittPenetration Default Section
- E1E1
- erste Ebenefirst floor
- E2E2
- zweite Ebenesecond level
- FRFR
- Fügerichtungjoining direction
- VN1, VN2VN1, VN2
- Vernetzungszonemeshing zone
- ERHE
- Einführrichtunginsertion direction
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Citations (4)
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DE102009056580A1 (en) | 2009-11-23 | 2011-05-26 | Technische Universität Dresden | Method for connecting thermoplastic fiber composite components by stick-shaped functional elements, involves positioning fiber composite components involved in connection and functional element in its initial position |
WO2012066522A2 (en) | 2011-05-24 | 2012-05-24 | Raffaele Mongiorgi | A method for repairing a component made of a plastic material |
DE102010053958A1 (en) | 2010-12-09 | 2012-06-14 | Daimler Ag | Body of a passenger car and method of repairing such a body |
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-
2014
- 2014-06-19 DE DE102014211796.8A patent/DE102014211796B4/en active Active
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DE202014100137U1 (en) | 2014-01-13 | 2014-02-11 | Yao Dian Enterprise Co., Ltd. | Heat gun for plastic elements |
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