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Die Erfindung betrifft ein Prägeelement zum Verbinden eines ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil mittels Prägeelementschweißen und ein Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile mittels Prägeelementschweißen mit einem Prägeelement.
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Stand der Technik
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Das Verfahren des Prägeelementschweißens kommt dort zum Einsatz, wo zwei nicht oder nur schlecht miteinander verschweißbare Bauteile miteinander verbunden werden sollen. Dabei wird in einem ersten Schritt ein rotationssymmetrisches Prägeelement in ein erstes plattenförmiges Bauteil eingebracht und mit diesem kraft- und formschlüssig durch einen Pressvorgang zwischen einem Stempel und einer Matrize verbunden. Anschließend wird das eingeprägte Prägeelement mit mindestens einem zweiten Bauteil, meist ein Stahlblech, verschweißt. Um das Prägeelement optimal mit der Stahlblechplatte verschweißen zu können, ist das Vorhandensein eines sogenannten Schweißbuckels von Vorteil. Der Schweißbuckel garantiert eine ideale Kontaktierung des Stahlblechs auch beim Einsatz von isolierendem Klebstoff zwischen den beiden Bauteilen. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, dass das Prägeelement zwei identische Stirnkonturen aufweist, um eine lageunabhängige Zuführung hinsichtlich der Längsachse des Prägeelements zum ersten Bauteil zu ermöglichen.
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Ein Prägeelement zum Einsatz beim Prägeelementschweißen ist beispielsweise aus der
DE 10 2012 020 222 A1 bekannt. Hier wird ein Verfahren zum Fügen von mindestens zwei Bauteilen mittels Widerstandsschweißen beschrieben. Das hier verwendete Prägeelement weist eine flache Stirnseite auf, welche in einen zylinderförmigen Fortsatz übergeht, welcher während des ersten Einprägevorgangs in das erste Bauteil eingebracht wird. In einem zweiten Schritt wird die flache Stirnseite mit dem zweiten Bauteil verschweißt. Das hier beschriebene Prägeelement weist keinen Schweißbuckel auf und besitzt darüber hinaus zwei unterschiedlich ausgeformte Stirnflächen.
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Weiterhin ist aus der
DE 10 2013 216 820 A1 ein Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile mittels Prägeelementschweißen bekannt, wobei für das Prägeelement unterschiedliche Geometrien beschrieben werden. Die hier beschriebenen Prägeelemente weisen im Wesentlichen zylinderförmige Geometrien auf, wobei die Stirnflächen sowohl gleich als auch unterschiedlich ausgeführt sein können. Darüber hinaus werden unterschiedliche Geometrien für den Stempel und für die Matrize beschrieben, welche an die jeweilige Ausgestaltung des Prägeelements angepasst sind.
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Um das Prägeelement während des Prägeprozesses optimal zuführen zu können, ist es besonders vorteilhaft, wenn das Prägeelement eine längliche Form aufweist. Darüber hinaus erweist es sich als vorteilhaft, wenn die dem zweiten Bauteil zugewandten Seite einen Schweißbuckel aufweist. Um einen stabilen Schweißprozess zu ermöglichen, sollte sich das Prägeelement nach dem Einprägen möglichst großflächig über das erste Bauteil erstrecken.
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Darstellung der Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Prägeelement zum Verfahren des Prägeelementschweißens bereitzustellen, dessen Geometrie eine optimierte kraft- und formschlüssige Verbindung mit dem ersten Bauteil ermöglicht und darüber hinaus einen verbesserten Schweißkontakt zur Verbindung mit einem zweiten Bauteil durch Ausbildung eines Schweißbuckels aufweist. Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 9 angegebenen Merkmale gelöst.
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Die Erfindung sieht ein Prägeelement zum Verbinden eines ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil mittels Prägeelementschweißen unter Verwendung eines Prägeelements vor, wobei das Prägeelement im Wesentlichen die Form eines Hohlzylinders aufweist. Das Prägeelement weist darüber hinaus eine innere Mantelfläche und eine äußere Mantelfläche auf, welche über zwei ringförmige Endflächen verbunden sind. Im inneren Bereich des Prägeelements ist die innere Mantelfläche mit einem scheibenförmigen Mittelteil verbunden, welcher den inneren Bereich des Prägeelements in einen ersten Bereich und in einen zweiten Bereich aufteilt. Durch den scheibenförmigen Mittelteil sind die beiden Bereiche voneinander getrennt. Das Prägeelement weist also in einer Querschnittsbetrachtung eine H-Form auf.
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Der scheibenförmige Mittelteil kann vorzugsweise mittig zwischen den beiden ringförmigen Endflächen angeordnet sein. Es ist jedoch auch möglich, das scheibenförmige Mittelteil derart anzuordnen, dass es sich näher an einer der scheibenförmigen Endflächen befindet, sodass der erste und der zweite Bereich unterschiedlich groß ausgebildet sind.
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Während des Einprägeprozesses des Prägeelements in das erste Bauteil ist der scheibenförmige Mittelteil parallel zur Ebene des ersten Bauteils orientiert. Durch die H-förmige Querschnittsform weist das Prägeelement eine im Wesentlichen längliche Form auf, wodurch eine optimale Zuführung ermöglicht wird. Durch die Hohlräume, die durch die beiden voneinander getrennten Bereiche im Inneren des Prägeelements gebildet werden, weist das Prägeelement wenig Masse bei großer räumlicher Ausdehnung auf. Zudem sind beide Stirnflächen des Prägeelements gleich ausgebildet, sodass eine hinsichtlich der Längsachse lageunabhängige Zuführung möglich ist. Durch die hohlzylinderförmige Ausgestaltung des Prägeelements speziell an dem Bereich, der dem ersten Bauteil zugewandt ist, kann während des ersten Einprägeschritts ein Aufspreizverhalten des Prägeelements erzeugt werden, das einen großen Hinterschnitt des Prägeelements im ersten Bauteil erzeugt.
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Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung beträgt das Verhältnis zwischen dem Innendurchmesser und dem Außendurchmesser der ringförmigen Endflächen mindestens 0,3 und höchstens 0,8, bevorzugt mindestens 0,4 und höchstens 0,7 und besonders bevorzugt mindestens 0,45 und höchstens 0,65.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Verhältnis der Dicke des scheibenförmigen Mittelteils und der Höhe der äußeren Mantelfläche größer als 0,1 und höchstens 0,9, bevorzugt mindestens 0,15 und höchstens 0,7 und besonders bevorzugt mindestens 0,3 und höchstens 0,6. Ist die Dicke des scheibenförmigen Mittelteils klein gegenüber der Höhe der äußeren Mantelfläche, ergibt sich der Vorteil, dass das Prägeelement ein besonders geringes Elementvolumen aufweist. Dadurch entsteht am ersten Bauteil eine kleinere matrizenseitige Störkontur beim Einprägeprozess.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das Verhältnis jeder der Außenradien der ringförmigen Endflächen zu der Höhe der äußeren Mantelfläche bevorzugt jeweils mindestens 0,4 und höchstens 0,9, insbesondere mindestens 0,5 und höchstens 0,8 und besonders bevorzugt mindestens 0,7 und höchstens 0,8 beträgt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung verläuft die innere Mantelfläche des Prägeelements jeweils ausgehend von den ringförmigen Endflächen schräg bis zum scheibenförmigen Mittelsteg derart, dass die beiden voneinander getrennten Bereiche im Inneren des Prägeelements jeweils die Form eines Kegelstumpfes aufweisen, deren Deckflächen jeweils an eine Seite des scheibenförmigen Mittelteils anliegen. Dadurch, dass sich die jeweils bauteilseitigen hohlzylinderförmigen Wandbereiche des Prägeelements nach außen hin verjüngen, wird ein besonders vorteilhaftes Verhalten des Prägeelements während des Einprägeprozesses in das erste Bauteil ermöglicht.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist der schräge Verlauf der inneren Mantelfläche derart ausgestaltet, dass die innere Mantelfläche und die äußere Mantelfläche jeweils im ersten und im zweiten voneinander getrennten Bereich einen Winkel von mindestens 0° und einen Winkel von höchstens 30° einschließen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weisen die Übergangsbereiche, die jeweils zwischen der inneren Mantelfläche und den ringförmigen Endflächen gebildet werden, eine Fase auf. Durch das Ausbilden einer Fase ergibt sich ein großer Innendurchmesser der randförmigen Endflächen im Verhältnis zu deren Außendurchmesser, sodass die ringförmigen Endflächen jeweils eine scharfe Kante bilden. Dies wirkt sich vorteilhaft auf den Einprägeprozess während des Fügens vom Prägeelement mit dem ersten Bauteil aus.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung schließen die Fase und die äußere Mantelfläche einen Winkel von mindestens 30° und höchstens 90° ein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist der Stempel an der Übergangsfläche zwischen der dem Prägeelement zugewandten Stirnseite und der äußeren Mantelfläche des zylinderförmigen Stempels eine Fase auf, um die Umformung des Prägeelements zu unterstützen. Weiterhin kann ein Absatz im Übergangsbereich zwischen der Fase und der äußeren Mantelfläche des Stempels vorgesehen sein, um die Ausformung der stempelseitigen Prägeelementgeometrie zu verbessern.
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Das neuartige Prägeelement ist, wie beim Prägeelementschweißen bekannt, zylindrisch und rotationssymmetrisch ausgeführt. Es besitzt weiterhin zwei identische Stirnseiten, sodass eine bezüglich der Längsachse richtungsunabhängige Zuführung möglich ist. Das Material des Prägeelements muss mit den weiteren Blechlagen verschweißbar sein und eine Härte von 50–500 HV aufweisen, um die Umformbarkeit zu garantieren. Ein Vergütungsstahl, beispielsweise 23MnB4, hat sich als vorteilhaft erwiesen. Im Gegensatz zu den bisher bekannten Prägeelementen besitzt die Kontur einen H-förmigen Querschnitt.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile mittels Prägeelementschweißen mit einem Prägeelement gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren umfasst in einem ersten Schritt das Einprägen des Prägeelements in das erste Bauteil mittels eines Stempels, welcher auf einer dem Prägeelement zugewandten Stirnfläche eine im Wesentlichen zylindrische Vertiefung aufweist. Nach dem Einpressen hat sich das Prägeelement mit einem dem Stempel abgewandten Bereich in das erste Bauteil form- und kraftschlüssig eingefügt. Der dem Stempel zugewandte Bereich des Prägeelements hat sich derart verformt, dass es über eine Fläche, die der Stirnfläche des Stempels entspricht, bündig an der Oberfläche des ersten Bauteils anliegt. Nach dem Einpressen weist das Prägeelement einen Schweißbuckel auf, der sich dadurch bildet, dass sich das Prägeelement teilweise in die im Wesentlichen zylindrische Vertiefung des Stempels erstreckt. Der Schweißbuckel dient der Kontaktierung mit dem zweiten Bauteil, welcher durch beispielsweise ein Schweißverfahren mit dem zweiten Bauteil verbunden wird.
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Das Ausbilden eines Schweißbuckels ermöglicht eine besonders vorteilhafte Kontaktierung mit dem zweiten Bauteil. Das vorgeschlagene Verfahren erweist sich als besonders vorteilhaft beim Einsatz von isolierendem Klebstoff zwischen den beiden Bauteilen. Während des Schweißprozesses drücken die Schweißkappen mit einer Kraft von mehreren Kilonewton die Fügeteile zusammen, sodass die Klebstoffschicht zwischen den beiden Bauteilen durchbrochen und eine Kontaktierung zwischen dem Prägeelement und dem zweiten Bauteil hergestellt wird. Diese garantiert dann den Stromfluss im Schweißprozess.
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Zur Lösung der Aufgabe wird weiterhin ein Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile mittels Prägeelementschweißen mit einem Prägeelement vorgeschlagen, wobei dem Stempel auf der dem Stempel abgewandten Seite des ersten Bauteils eine Matrize gegenübersteht, welche auf einer dem Prägeelement zugewandten Seite eine kreisförmige Vertiefung aufweist, die mittig einen Dorn aufweist.
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Die Verwendung einer Matrize mit Dorn bietet Vorteile hinsichtlich des Einprägeverhaltens. Der Dorn unterstützt das Aufspreizen des Elements und vergrößert damit den Hinterschnitt und die Tragfähigkeit der Verbindung. Gleichzeitig reduziert das zeitige Aufsetzen des ersten Bauteils auf dem Matrizendorn die Rissanfälligkeit des ersten Bauteils.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Außenradius der ringförmigen Endflächen kleiner als der Durchmesser des Stempels. Dies begünstigt die Ausbildung des Schweißbuckels und die großflächige Erstreckung des Prägeelements während des Einprägens über die komplette Stirnfläche des Stempels. Dadurch können größere Positioniertoleranzen der Schweißkappen während des Schweißprozesses kompensiert werden.
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Das zuvor beschriebene Verfahren bietet den Vorteil, dass im Gegensatz zu anderen Verbindungstechniken, wie beispielsweise dem Widerstandselementschweißen, keine der Bauteillagen durchstanzt werden. Dadurch entfallen Schutzmaßnahmen, die zum Schutz vor Korrosion ergriffen werden müssen, wie beispielsweise ein Überzug aus Polyvinylchlorid. Zudem bildet sich ein Schweißbuckel aus, der wie zuvor beschrieben die Verschweißbarkeit erheblich verbessert.
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Vorgesehen ist außerdem gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung ein Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile mittels Prägeelementschweißen mit einem Prägeelement der eingangs genannten Art, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Außenradius der ringförmigen Endfläche etwa 50% des Durchmessers des Stempels beträgt.
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Um eine stabile, automatisierte Zuführung eines Prägeelements, bei dem der Außendurchmesser des Außenradius der ringförmigen Endfläche kleiner ist als der Stempeldurchmesser, zu ermöglichen, wird das Prägeelement in einem Niederhalter geführt. Dies kann durch elastisch gelagerte Bauteile, wie zum Beispiel Kugeln oder Schienen erfolgen. Während des Prägevorgangs setzt der Niederhalter vorlaufend auf dem ersten Bauteil auf.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
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1 eine Querschnittsdarstellung des Prägeelements mit Fasen an den ringförmigen Endflächen sowie die sich von dem scheibenförmigen Mittelteil bis zu den ringförmigen Endflächen verjüngenden Bereiche des Prägeelements,
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2 die Anordnung des Prägeelements zwischen Stempel, Matrizen und Niederhalter vor dem Einprägen in das erste Bauteil in einer Querschnittdarstellung,
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3 die Anordnung des Prägeelements nach dem Einprägen in das erste Bauteil unter Ausbildung des Schweißbuckels in einer Querschnittsdarstellung,
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4a Ausschnitt aus der Querschnittsdarstellung des Stempels mit Fase, und
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4b einen Ausschnitt aus der Querschnittsdarstellung des Stempels mit Fase und Absatz.
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Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
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1 zeigt das Prägeelement (100) in einer Querschnittsdarstellung. Das Prägeelement (100) besitzt im Wesentlichen die Form eines Hohlzylinders mit einer äußeren Mantelfläche (13) und einer inneren Mantelfläche (12). Der innere Bereich (16) wird durch ein scheibenförmiges Mittelteil (17) in einen ersten Bereich (18) und einen zweiten Bereich (19) aufgeteilt. Das scheibenförmige Mittelteil (17) ist umlaufend mit der inneren Mantelfläche (12) verbunden sodass der erste Bereich (18) und der zweite Bereich (19) voneinander getrennt sind.
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Weiterhin weist die innere Mantelfläche (12) jeweils im ersten Bereich (18) und im zweiten Bereich (19) einen schrägen Verlauf auf, sodass sich die Wand des hohlzylinderförmigen Teils des Prägeelements ausgehend vom scheibenförmiges Mittelteil (17) hin bis zu den ringförmigen Endflächen (14, 15) verjüngt. Auf diese Weise schließen die äußere Mantelfläche (13) und die innere Mantelfläche (12) im ersten Bereich (18) und im zweiten Bereich (19) jeweils einen Winkel β ein.
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In den Übergangsbereichen zwischen der inneren Mantelfläche (12) und den ringförmigen Endflächen (14, 15) weist das Prägeelement (100) jeweils eine Fase (20) auf. Die Fase ist um einen Winkel α zur äußeren Mantelfläche (13) geneigt.
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Der äußere Durchmesser (A) der ringförmigen Endflächen (14, 15) ist klein im Verhältnis zur Höhe (D) der äußeren Mantelfläche (13). Darüber hinaus ist die Dicke (C) des scheibenförmigen Mittelteils (17) klein gegenüber der Höhe (D) der äußeren Mantelfläche (13).
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Die 2 und 3 zeigen das Prägeelement (100) vor und nach dem Einprägeprozess in das erste Bauteil (10).
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In 2 ist der Beginn des Fügevorgangs des Prägeelementschweißens mit dem Prägeelement (100) abgebildet. Stempelseitig setzt der Niederhalter (24) vorlaufend auf dem ersten Bauteil (10), welches vorzugsweise aus einem Aluminiummaterial besteht, auf, um dieses zwischen der Matrize (25) und dem Niederhalter (24) zu fixieren. Anschließend setzt der Stempel (21) zuerst auf den ringförmigen Endflächen (14) auf und formt diese während des Fügeprozesses um, indem das Ringmaterial radial nach außen umgeformt wird. Mit zunehmendem Zustellweg dringt das scheibenförmige Mittelteil (17) in die im Wesentlichen zylindrische Vertiefung (23) des Stempels (21) ein und stellt dort Material für die Ausformung des Schweißbuckels (22) zur Verfügung.
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Das Ergebnis des Einprägeprozesses ist in 3 dargestellt. Durch die im Wesentlichen zylindrische Vertiefung (23) des Stempels (21) wird ein Schweißbuckel (22) an die Prägeelementoberseite angeformt. Nach dem Fügeprozess befindet sich die Oberseite des Prägeelements (100) nahezu auf Bauteilebene des ersten Bauteils (10), lediglich der zentral angeformte Schweißbuckel (22) steht deutlich hervor. Matrizenseitig dringt das Prägeelement (100) in das erste Bauteil (10) ein, und die im Wesentlichen kegelstumpfförmige Vertiefung im zweiten Bereich (19) im Prägeelement wird mit dem Bauteilwerkstoff gefüllt. Durch den Materialstau in der kegelstumpfförmigen Vertiefung und die nach außen ansteigende Schräge wird der Ring nach außen umgeformt und es bildet sich ein Hinterschnitt im ersten Bauteil (10). Die Matrizenkontur beeinflusst dabei die Hinterschnittausbildung. Hier hat sich ein mittiger Dorn (27) als vorteilhaft erwiesen.
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Im abschließenden Schritt wird, wie aus dem Prozess des Prägeelementschweißens bekannt, mindestens ein zweites Bauteil (11), beispielsweise ein Blech, dessen Position in 3 nur angedeutet ist, über den Schweißbuckel (22) des Prägeelements (100) verschweißt. Die Werkstoffe des Prägeelements (100) und der zu verschweißenden Bauteile (11) müssen schweißkompatibel sein. Das Material des Bauteils (10), in das die Prägeelemente eingeprägt werden, muss elektrisch leitend und umformbar sein. Da es sich vorzugsweise um ein Fixierverfahren handelt, kann zusätzlich Klebstoff zwischen den Bauteillagen zum Einsatz kommen.
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Für die stempelseitige Umformung des Prägeelementes (100) sind verschiedene Stempelkonturen vorteilhaft, welche in den 4a und 4b dargestellt sind. Der Stempel (21) zeichnet sich dabei durch eine im Wesentlichen zylindrische Vertiefung (23) und eine ringförmige Stirnfläche (25) aus. Dabei kann die ringförmige Stirnfläche (28) horizontal oder um Winkel geneigt sein wie in 4a dargestellt, um die Umformung des Prägeelements (100) zu unterstützen. Weiterhin kann ein umlaufender Absatz (26) an der äußeren Kante der ringförmigen Stirnfläche (28 die Ausformung der stempelseitigen Prägeelementgeometrie verbessern, wie in 4b gezeigt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- erstes Bauteil
- 11
- zweites Bauteil
- 12
- innere Mantelfläche
- 13
- äußere Mantelfläche
- 14, 15
- ringförmige Endflächen
- 16
- innere Bereich des Prägeelements
- 17
- scheibenförmiges Mittelteil
- 18
- erster Bereich
- 19
- zweiter Bereich
- 20
- Fase
- 21
- Stempel
- 22
- Schweißbuckel
- 23
- zylindrische Vertiefung
- 24
- Niederhalter
- 25
- Matrize
- 26
- Absatz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012020222 A1 [0003]
- DE 102013216820 A1 [0004]
