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Die Verwendung von Fügehilfselementen zum Verbinden zweier oder mehrere Bauteile ist bekannt. Solche Fügehilfselemente werden beispielsweise verwendet, um auch Bauteile aus eigentlich nicht schweißbaren Materialkombinationen miteinander verbinden zu können. Sie ermöglichen den Einsatz von thermischen Fügeverfahren als Option neben den rein mechanischen Fügeverfahren.
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Solche Fügehilfselemente sind beispielsweise bekannt aus der Druckschrift
DE 10 2015 214 149 A1 . Die dort gezeigten Fügehilfselemente in Form von Blechbutzen werden in vorgeformte Vorlöcher stoffschlüssig in die Bauteile eingepresst. Bei komplex geformten, insbesondere dreidimensional gebogenen Formbauteilen erfordert dies aufwendige Werkzeuge oder mehrere separate Fügeschritte zum Einbringen der Elemente.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit aufzuzeigen, wie der Einsatz von Fügehilfselementen wirtschaftlicher gestaltet werden kann.
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Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 und ein Halbzeug bzw. Bauteil nach Patentanspruch 15. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit integriertem Fügehilfselement angegeben mit den Schritten:
- - Bereitstellen eines plattenförmigen Halbzeugs,
- - stoff-, kraft- und/oder formschlüssiges Einbringen von wenigstens einem Fügehilfselement in das Halbzeug an vorgegebener Position.
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Unter plattenförmigem Halbzeug wird ein flaches Halbzeug verstanden, dessen Länge und Breite um ein Vielfaches größer ist als seine Dicke. Das plattenförmige Halbzeug ist im Wesentlichen eben.
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Das Fügehilfselement ermöglicht in einem nachfolgenden Fügeprozess das indirekte Fügen eines weiteren Bauteils mit demjenigen Bauteil, welches das Fügehilfselement aufweist und ist dementsprechend ausgestaltet. Das Fügehilfselement kann z.B. aus einem Metall gebildet sein, welches das Verschweißen mit einem weiteren Bauteil ermöglicht. Das Fügehilfselement kann z.B. einen zusätzlichen Funktionsabschnitt aufweisen, wie z.B. einen Gewindeabschnitt. Es kann nur ein einziges Fügehilfselement in das Halbzeug eingebracht werden. Es kann jedoch vorteilhaft sein, mehrere Fügehilfselemente in das Halbzeug einzubringen. Damit die Fügehilfselemente am fertigen Bauteil ihrer Funktion entsprechend verwendet werden können, werden sie in dem Halbzeug an einer vorgegebenen Position eingebracht. Die vorgegebene Position berücksichtigt die nachfolgende Umformung des Halbzeugs in die dreidimensionale Form des fertigen Bauteils. Die vorgegebene Position kann z.B. in Relation zu dem geplanten Zuschnitt einer Platine oder in Relation zu dem Zuschnittsrand eines Blechzuschnitts definiert sein.
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Indem das oder die Fügehilfselemente bereits in das Halbzeug und nicht erst in das umgeformte Bauteil eingebracht werden, sind auch schwierige Positionen und Geometrien der Fügehilfselemente darstellbar. Die für das Einbringen der Fügehilfselemente erforderlichen Arbeitsschritte können aus den relativ kostenintensiven Fügeprozessen bzw. Bauteilherstellprozessen in günstigere, zeitlich vorgelagerte Prozesse verlagert werden, wie z.B. in die Herstellungsprozesse beim Platinenschnitt.
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Bei dem Halbzeug kann es sich beispielsweise um einen Coilabschnitt eines Blechcoils bzw. eine Blechplatine handeln mit einer im Wesentlichen viereckigen Grundform. Das Halbzeug kann auch mit einem formvorbereitenden Profilschnitt versehen sein und folglich eine zweidimensionale Formgebung des später herzustellenden Formbauteils aufweisen. Das Halbzeug kann auch ein Fasergelege sein, aus einer oder mehreren Faserschichten, wobei die einzelnen Faserschichten z.B. als Gelege, Gestrick oder Geflecht gebildet sein können. Die Fasern können trocken oder vorimprägniert sein und beispielsweise aus Carbon-, Glas-, Aramidfasern oder Kombinationen daraus bestehen.
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Das Einbringen des Fügehilfselements ist nicht auf ein spezielles Verfahren beschränkt. In einer Ausgestaltung wird das Fügehilfselement durch Einpressen in das Halbzeug eingebracht. Das Fügehilfselement wird hierbei ähnlich einer Nietverbindung in das Halbzeug eingepresst und zur Ausbildung eines Form- und /oder Kraftschlusses verformt.
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Zum Fügen des Fügehilfselements kann es vorteilhaft sein, wenn das Halbzeug vorgelocht wird und das Fügehilfselement in das Vorloch eingebracht wird. Die das Durchgangsloch begrenzende Lochwandung kann an den Rändern jeweils mit einer Fase versehen werden, wodurch beim Einpressen die Ausrichtung des Fügehilfselements vereinfacht wird und das Ausbilden eines Formschlusses begünstigt wird. Insbesondere kann das Fügehilfselement in dem Vorloch in der Art eines Senkniets ausgebildet sein und bündig mit dem Halbzeug abschließen bzw. gegenüber der Halbzeugoberfläche nach innen zurückversetzt sein.
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Die derartige Ausgestaltung des Vorlochs ermöglicht die Verwendung von Fügehilfselementen mit einfachen Geometrien, wobei dennoch eine hohe Festigkeit der Verbindung erzielbar ist. Vorzugsweise ist das Fügehilfselement in einer Ausgestaltung als Metallbutzen ausgebildet, wobei hierunter ein kopf- und schaftloses Teil verstanden wird. Aufgrund der einfachen Geometrie kann ein solcher Metallbutzen sehr kostengünstig hergestellt werden, z.B. durch Ausstanzen aus einem Blech oder Abschneiden eines Drahtes. Der Butzen kann insbesondere eine zylinderförmige, kugel-, kegel- oder kegelstumpfförmige Form aufweisen.
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Das Einpressen des Fügehilfselements in das Halbzeug kann vorteilhafter Weise in den Prozess des Platinenzuschnitts integriert sein. Hierzu können z.B. in einer Platinenschneidanlage zusätzliche Stanzschneiden zum Vorlochen sowie Stempel zum Setzen der Fügehilfselemente integriert sein. Solche Stanzschneiden und Stempel sind dem Fachmann ihrem Grundaufbau nach z.B. aus der Niettechnik bekannt.
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Das wenigstens eine Fügehilfselement kann alternativ auch durch Einvibrieren, z.B. mittels Ultraschall, eingebracht werden. Das Fügehilfselement kann auch in das Halbzeug eingeschraubt werden. Das Fügehilfselement kann hierzu z.B. als selbstschneidende Schraube ausgebildet sein und z.B. mittels eines Schlagdrehschraubers in das Halbzeug eingebracht werden.
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In einer Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, das wenigstens eine Fügehilfselement mittels eines generativen Verfahrens in dem Halbzeug oder an dem Halbzeug zu erzeugen. Ein generatives Verfahren ist ein Verfahren bei dem durch Materialauf- bzw. -eintrag, insbesondere durch schichtweisen Materialauftrag, ein Objekt erzeugt wird. Dies kann auch durch schichtweises Einvibrieren eines Metallpulvers erfolgen. Mittels eines generativen Verfahrens ist eine geometrische Ausbildung des Fügehilfselements nahezu beliebig gestaltbar, so dass das Fügehilfselement optimal an das Halbzeug anpassbar ist. Ferner sind bei generativen Verfahren eine Vielzahl unterschiedlicher Fügehilfselemente aus unterschiedlichen Werkstoffen herstellbar, so dass ein Werkstoff des Fügehilfselements optimal auf einen ersten Werkstoff des Halbzeugs und/oder einen zweiten Werkstoff eines zweiten Bauteils abstimmbar ist, welches nachfolgend mit dem Fügehilfselement gefügt werden soll.
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In weiteren Ausgestaltungen kann es vorteilhaft sein, wenn das wenigstens eine Fügehilfselement mit dem Halbzeug unter Verwendung eines Klebstoffs verklebt wird. Das Fügehilfselement kann auch mit dem Halbzeug verbacken werden. Dies kann beispielsweise in einem Ofenprozess, z.B. beim Warmumformen, beim Presshärten oder bei einer Bearbeitung durch warme Werkzeuge erfolgen. Beim Verbacken wird das Material des Fügehilfselement zumindest teilweise aufgeschmolzen und bildet eine stoffschlüssige Fügeverbindung zu dem Halbzeug aus.
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Vorteilhafter Weise können das wenigstens eine Fügehilfselement und das Halbzeug aus unterschiedlichen und insbesondere artfremden Werkstoffen gebildet sein. So eröffnen sich neue Möglichkeiten, um Fügeverbindungen zwischen Bauteilen aus artfremden Werkstoffen zu gestalten.
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Das Fügehilfselement kann vorteilhafter Weise durch das Halbzeug hindurchragen, d.h. sich von einer ersten Oberfläche des Halbzeugs durch die Dicke des Halbzeugs bis zu der gegenüberliegenden Oberfläche erstrecken. In einer Ausgestaltung kann es von Vorteil sein, wenn das Fügehilfselemente vom Halbzeug zumindest in eine Richtung vorsteht. Das Fügehilfselement kann auch an beiden Seiten gegenüber dem Halbzeug hervorstehen. Ein solch vorstehendes Fügehilfselement kann vorteilhafter Weise zusätzlich als Positionierelement, wie z.B. als Ausrichthilfe, oder auch als Stapelhilfe genutzt werden, so dass mit den Fügehilfselementen versehene Halbzeuge mit vorgegebenen Abstand oder in definierter Position stapelbar bzw. ausrichtbar sind. Es kann jedoch ebenso vorgesehen sein, dass das Fügehilfselement bündig mit dem Halbzeug endet bzw. geringfügig gegenüber der Halbzeugoberfläche nach innen zurückversetzt endet. Dies ermöglicht besonders flache Verbindungen mit einem weiteren Bauteil.
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Das Halbzeug kann darüber hinaus mit Positionierhilfen in Form von Aussparungen oder Durchgangslöchern versehen werden, die eine Positionierung der Halbzeuge z.B. im Umformwerkzeug erleichtern. Diese Positionierhilfen können z.B. die Form eines Halbmondes oder eine runde Form oder jede andere Form aufweisen. Vorzugsweise werden die Positionierhilfen gleichzeitig mit dem Platinenschnitt ausgebildet, z.B. durch in das Platinenschnittwerkzeug integrierte Stanzschneiden.
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Es ist besonders bevorzugt, dass das Halbzeug noch plattenförmig vorliegt, d.h. im Wesentlichen eine ebene Form aufweist, wenn das wenigstens eine Fügehilfselement in das Halbzeug eingebracht wird. Dies vereinfacht das Einbringen der Fügehilfselemente. Solange das Halbzeug als im Wesentlichen ebener Körper vorliegt, können alle Fügehilfselemente - unabhängig von ihrer späteren Orientierung im fertigen Bauteil - in ein und dieselbe Richtung in das Halbzeug eingebracht werden. Vorteilhafter Weise stimmt die Einbringrichtung der Fügehilfselemente mit der Schließrichtung der bei der Bauteilherstellung verwendeten Presse überein, was die Integration in bestehende Verfahrensschritte, welche bei der Bauteilherstellung durchlaufen werden, vereinfacht. Besonders vorteilhaft erfolgt das Einbringen der Fügehilfselemente während eines Schrittes zum Zuschneiden des Halbzeugs, z.B. in der Coilanlage oder im Platinenzuschnitt. Da die Einbringung der Fügehilfselemente in das plattenförmige Halbzeug lediglich eine Bewegung senkrecht zur Hauptebene des Halbzeugs erfordert, lässt sich die Einbringung der Fügehilfselemente durch Einpressen problemlos z.B. in eine Platinenschneidanlage mit Presse integrieren.
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Das so bereitgestellte Halbzeug mit einem oder mehreren Fügehilfselementen kann nachfolgend zu einem dreidimensionalen Formbauteil umgeformt werden. Das Umformen des Halbzeugs zu dem Formbauteil erfolgt in einem oder mehreren Schritten unter Verwendung von einem oder mehreren Umformwerkzeugen, welche das plattenförmige Halbzeug in seine dreidimensionale Form umformen. Das bei der Umformung entstehende Formbauteil beinhaltet das oder die zuvor eingebrachte(n) Fügehilfselement(e). Es ist jedoch auch denkbar, das ebene Halbzeug lediglich mit einem oder mehreren Vorlöchern zu versehen und die Fügehilfselemente erst zu einem späteren Zeitpunkt in die Vorlöcher einzubringen. Beispielsweise können die Fügehilfselemente in einem nachfolgenden Umformprozess in das vorgelochte Halbzeug eingelegt werden und im gleichen Prozessschritt, in dem das Halbzeug umgeformt wird, mit diesem verpresst werden.
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Zur Vermeidung eines unbeabsichtigten Lösens des Fügehilfselements vom Halbzeug kann es in einer Ausgestaltung vorgesehen sein, dass während des Umformens des Halbzeugs zu dem Formbauteil wenigstens eine Sicke in der Nähe des Fügehilfselements erzeugt wird. Die Sicke kann beispielsweise als Absperrsicke oder als um das Fügehilfselemente herumlaufende Ringsicke ausgebildet sein. Die Sicke wird so erzeugt, dass derjenige Bereich des Halbzeugs, welcher das Fügehilfselement beinhaltet, während der Umformung möglichst spannungsfrei gehalten wird.
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Das Verfahren eignet sich insbesondere um komplex geformte dreidimensionale Bauteile mit Fügehilfselementen herzustellen. In einer Ausgestaltung werden mit dem Verfahren Karosseriebauteile einer Fahrzeugkarosserie hergestellt, wobei es sich um Strukturbauteile ebenso handeln kann wie um Anbauteile, wie z.B. Klappen- oder Türbauteile.
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Nach dem Umformen des Halbzeugs zu einem Formbauteil können sich weitere Verfahrensschritte anschließen. So kann das Formbauteil mit dem mindestens einen Fügehilfselement mit einem weiteren Bauteil gefügt werden, wobei an dem Fügehilfselement eine stoff-, kraft- und/oder formschlüssige Verbindung zu dem weiteren Bauteil ausgebildet wird. Indem bereits das Halbzeug mit dem oder den Fügehilfselementen versehen ist, kann das Fügen mit einem weiteren Bauteil vorteilhafter Weise z.B. im Rahmen eines Umformprozesses wie beispielsweise im Presswerk erfolgen.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Halbzeug oder Formbauteill mit daran stoff-, kraft- und oder formschlüssig gefügtem Fügehilfselement.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich anhand der Zeichnung und im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff „kann“ verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Verfahrensablaufs,
- 2 eine schematische Darstellung eines teilumgeformten Halbzeugs mit Fügehilfselement und Sicke und
- 3 und 4 beispielhafte Darstellungen eines in das Halbzeug eingebrachten Fügehilfselements.
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1 veranschaulicht in rein schematischer Ansicht einen beispielhaften Verfahrensablauf.
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Zunächst wird ein plattenförmiges Halbzeug 1 bereitgestellt. Das Halbzeug kann, wie in 1 gezeigt, ein im Wesentlichen rechteckiger Abschnitt eines Blechcoils sein. Ebenso kann es sich bei dem plattenförmigen Halbzeug jedoch auch um einen zweidimensionalen Platinenzuschnitt beliebiger Form oder um ein Fasergelege handeln, das als Halbzeug für die Herstellung eines Faserverbund-Kunststoff-Bauteils dient.
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In das Halbzeug 1 wird an vorgegebener Position wenigstens ein Fügehilfselement 2 eingebracht. 1 zeigt, lediglich beispielhaft, zwei Fügehilfselemente 2. Die Fügehilfselemente können, wie voranstehend beschrieben, auf unterschiedlichste Art und Weise in das Halbzeug 1 eingebracht werden, so dass sie stoff-, form- und/oder kraftschlüssig mit diesem verbunden sind. Das Einbringen der Fügehilfselemente kann in einem einzigen Schritt oder in mehreren Prozessschritten erfolgen, beispielsweise kann in einem Schritt ein Vorloch gestanzt werden und in wieder einem weiteren Schritt das Fügehilfselement eingesetzt und verpresst werden.
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Die Position, an der die Fügehilfselemente eingebracht werden, ist so vorgegeben, dass die Fügehilfselemente nach dem nachfolgenden Umformprozess an den gewünschten Stellen im fertigen Bauteil angeordnet sind.
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Das mit dem wenigstens einen Fügehilfselement versehene Halbzeug wird nachfolgend zu dem Formbauteil 3 umgeformt. Dies kann in einem einzigen oder mehreren Umformschritten, z.B. in einem mehrstufigen Presswerkzeug erfolgen.
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Durch die Umformung wird das zuvor ebene Halbzeug in eine dreidimensionale Form gebracht, wobei auch die Bereiche des Halbzeugs, in dem die Fügehilfselemente 2 angeordnet sind, umgeformt werden. 1 zeigt beispielhaft, dass die Fügehilfselemente 2 nach dem Umformen des Halbzeugs zu einem Türinnenblech nunmehr an einer gegenüber der Haupterstreckungsrichtung des Bauteils abgewinkelten Seitenwange angeordnet sind.
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Weiterhin können in dem Halbzeug zusätzliche Löcher oder Aussparungen 4 ausgebildet werden, die z.B. zur Positionierung im Presswerkzeug verwendet werden.
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Bei der Umformung des Halbzeugs 1 zu einem Formbauteil 3 kommt es in Bereichen, die stark ungeformt werden zu hohen Materialspannungen und teilweise zu einem Fließen des Halbzeugwerkstoffs. Hierbei besteht die Gefahr, dass die stoff-, form-, oder kraftschlüssige Verbindung zwischen Fügehilfselement und Material des Halbzeugs diesen Belastungen nicht standhält und sich das Fügehilselement löst. Diesem kann begegnet werden, indem bei der Umformung des Halbzeugs 1 zum Formbauteil 3 gezielt Sicken im Bereich der Fügehilfselemente ausgebildet werden. Die Sicken werden derart konzipiert, dass der Bereich des Halbzeugs, in dem oder an dem die Fügehilfselemente 2 befestigt sind, weitgehend von Spannungen freigehalten wird. 2 zeigt beispielhaft eine Blechplatine 5 mit einem Fügehilfselement 2. In einem Umformschritt, in dem die Blechplatine 5 teilweise umgeformt wurde, wurde eine ringförmige Sicke 6 ausgebildet, die rund um das Fügehilfselement 2 herumläuft und verhindert, dass die Verbindung zwischen Blechplatine und Fügehilfselement 2 durch zu hohe Materialspannungen gelöst wird.
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3 zeigt eine Schnittansicht durch das Halbzeug 1 mit dem Fügehilfselement 2. Vor dem Einbringen des Fügehilfselements wurde das Halbzeug 1 mit einem Vorloch versehen und im Randbereich der Wandung des Vorlochs wurden zwei umlaufende Fasen aufgeprägt. Das Fügehilfselement 2 in Form eines Metallbutzen wurde in das Vorloch eingepresst, wodurch es mit der Wandung verpresst wurde und an den Fasen jeweils einen Hinterschnitt 7, 8 ausgebildet hat. Das Fügehilfselement liegt vollständig im Halbzeug, d.h. steht nicht über die Halbzeugoberfläche hervor.
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4 zeigt eine alternative Ausgestaltung, bei der ein Fügehilfselement 2A in das Halbzeug 1 eingebracht wurde und mittels einer Klebstoffschicht 9 zusätzlich stoffschlüssig mit dem Halbzeug 1 gefügt ist. Das Fügehilfselement 2A steht auf einer Seite gegenüber dem Halbzeug 1 hervor, wodurch das Fügehilfselement auch als Positionierhilfsmittel oder als Abstandshalter eingesetzt werden kann.
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Das Verfahren ist nicht auf die gezeigten Fügehilfselemente beschränkt, Vielmehr kann das Fügehilfselement andere Formen aufweisen oder auch auf eine Art und Weise an oder in dem Halbzeug befestigt werden, wie es voranstehend alternativ beschrieben wurde.
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Die in der voranstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in jeder beliebigen Kombination in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung zur Anwendung kommen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Halbzeug
- 2, 2A
- Fügehilfselement
- 3
- Formbauteil
- 4
- Aussparung
- 5
- Formplatine
- 6
- Sicke
- 7,8
- Hinterschnitt
- 9
- Klebstoffschicht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015214149 A1 [0002]
