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Die Erfindung betrifft einen Bauteilverbund mit einem Blechteil und einem Fügepartner nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Bei der Herstellung einer Fahrzeugkarosserie können Karosserie-Blechteile über eine Schnappverbindung in Kombination mit zum Beispiel einer Klebverbindung formschlüssig und stoffschlüssig miteinander verbunden werden, wie es beispielhaft aus der gattungsgemäßen
DE 10 2013 000 629 A1 hervorgeht.
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Aus der
DE 10 2013 000 629 A1 ist ein gattungsgemäßer Bauteilverbund bekannt, bei dem an einem ersten Blechteil angeformtes Blechteil-Schnappelement in einer Fügepartner-Aussparung verrastbar ist. Das Blechteil-Schnappelement ist als eine Blechlasche realisiert, die materialeinheitlich und einstückig an einem Blechteil-Grundkörper angeformt ist. Das Blechteil und der Fügepartner werden in einer Fügerichtung zusammengefügt. Im Fügevorgang drückt der Fügepartner das Blechteil-Schnappelement unter Aufbau einer elastischen Rückstellkraft in eine Entriegelungsstellung. Mit Erreichen einer Fügeposition schnappt das Blechteil-Schnappelement unter Abbau der Rückstellkraft in einer Verriegelungsstellung, in der eine Rastkontur des Blechteil-Schnappelementes formschlüssig in die Fügepartner-Aussparung eingreift.
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Bei der Auslegung einer solchen Schnappverbindung sind die folgenden Anforderungen zu erfüllen: Einerseits muss das Blechteil-Schnappelement eine ausreichende elastische Nachgiebigkeit aufweisen. Dadurch ist gewährleistet, dass die im Fügevorgang auftretenden Rückstellkräfte (Fügekräfte) ausreichend gering sind, um einen fertigungstechnisch einfachen Fügevorgang durchzuführen. Andererseits muss das Schnappelement im Zusammenbauzustand eine ausreichend große Verbindungssteifigkeit bereitstellen, die einem Lösen des Blechteils vom Fügepartner entgegen der Fügerichtung entgegenwirkt, und zwar bis zum Eintritt eines Bauteilversagens des Blechteil-Schnappelementes. In diesem Fall knickt das Blechteil-Schnappelement in dessen knickgefährdetem Mittelbereich ein. Von daher sind bei der Auslegung des Blechteil-Schnappelementes zwei unterschiedliche Belastungsformen (das heißt elastische Nachgiebigkeit beim Fügen sowie eine KnickStabilität) zu berücksichtigen.
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Aus der
US 2 803 048 A ist ein weiterer Bauteilverbund mit einem Blechteil und einem Fügepartner bekannt, bei dem das Blechteil in Schnappverbindung mit dem Fügepartner bringbar ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Bauteilverbund mit einem Blechteil und einem Fügepartner bereitzustellen, bei dem das Blechteil-Schnappelement eine im Vergleich zum Stand der Technik erhöhte Verbindungsfestigkeit aufweist, und zwar bei im Wesentlichen gleichbleibender elastischer Nachgiebigkeit beim Fügevorgang (das heißt bei ausreichend geringen Fügekräften).
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 oder des Anspruches 10 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Die Erfindung beruht auf dem Sachverhalt, dass das herkömmliches Blechteil-Schnappelement als eine Blechlasche realisiert ist, aus der in einem Biegevorgang um eine Biegeachse eine Rastkontur, das heißt eine Rastnase, mit schräg aufeinander zulaufenden Rastflanken geformt ist. Es hat sich gezeigt, dass eine solche herkömmliche Blechlasche zwar eine ausreichend hohe elastische Nachgiebigkeit beim Fügen (das heißt geringe Fügekräfte bzw. Rückstellkräfte) aufweist, jedoch nur eine geringe Verbindungssteifigkeit bereitstellt, die einem Lösen des Blechteils vom Fügepartner entgegen der Fügerichtung entgegenwirken kann. Von daher tritt bei einer solchen Belastung frühzeitig ein Bauteilversagen der Blechlasche ein, bei dem die Blechlasche in ihrem Mittelbereich ausknickt. Vor diesem Hintergrund ist gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 zur Erhöhung der oben definierten Verbindungssteifigkeit die Rastkontur der Blechlasche mit zumindest einem, steifigkeitserhöhenden Blechlaschen-Torsionsabschnitt ausgebildet. Dieser kann in einem Blech-Umformprozess durch plastische Umformung mit einem Torsionswinkel, insbesondere 90°, um eine Torsionsachse tordiert werden, die die Blechlaschenlängsachse sein kann.
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Mit der vorliegenden Erfindung werden die folgenden zwei Hauptvorteile erzielt:
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Erstens wird die Verbindungsfestigkeit bei gleichbleibender Rückstellkraft erhöht. Dadurch verbreitert sich das Anwendungsspektrum der erfindungsgemäßen Schnappelemente unter Umständen bis auf crashrelevante Strukturen. Zur Gewährleistung einer geforderten Mindestfestigkeit eines zu fügenden Blechteils werden nur wenige Schnappelemente benötigt, wodurch gegebenenfalls Zeit und Geld in der Herstellung des zu fügenden Blechteils eingespart werden kann.
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Zweitens erfolgt die Verringerung der Rückstellkraft bei gleichbleibender Verbindungsfestigkeit: In einer Fertigungslinie kann die Handhabungseinrichtung (zum Beispiel ein Roboter) kleiner dimensioniert werden, wodurch Beschaffungskosten sowie Platz in der Fertigung eingespart werden kann. Unterschreitet die Rückstellkraft des zu fügenden Blechteils eine zulässige Höchstkraft, so ist die Zuführung dieses Bauteils auch von Hand möglich. Aus ergonomischen Gründen ist dies bei Fügekräften oberhalb dieser Höchstkraft nicht ermöglicht. Bauteilsteife Fügeteile können in vergleichsweise nachgiebige Umgebungsstrukturen gefügt werden. In diesem Fall muss die Umgebungsstruktur mindestens die von der Handhabungseinrichtung auf das zu fügende Blechteil ausgeübte Kraft übertragen. Sofern diese Kraft zu hoch ist bzw. die Umgebungsstruktur zu nachgiebig ist, kann sich diese Umgebungsstruktur plastisch verformen. Auch gerade abbindende Klebverbindungen können wieder aufgebrochen werden. Geringe Fügekräfte sind folglich auch für die Karosseriestruktur als vorteilhaft zu bewerten.
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Die erfindungsgemäßen Schnappelemente können bevorzugt in gut umformbaren Blechteilen realisiert werden (zum Beispiel aus Stahl oder Aluminium mit hoher Duktilität sowie hoher Bruchdehnung), und zwar insbesondere mit Blechdicken von ca. 0,9 bis 1,5mm (Stahl) bzw. 1,2 bis 1,8mm (Aluminium).
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In einem konkreten Anwendungsfall können die Schnappelemente bei großflächigen Karosseriebauteilen ohne Dichtigkeitsanforderungen angewendet werden. Beispielhaft kann dies beim Einbau eines Reserveradmulden-Blechteils erfolgen.
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Nachfolgend werden weitere Erfindungsaspekte im Einzelnen hervorgehoben: So kann der Torsionsabschnitt der Blechlasche in einen torsionsfreien, ebenflächigen Blechlaschen-Fußabschnitt übergehen, der unter Bildung einer im Wesentlichen geraden Federachse am Blechteil-Grundkörper angeformt ist. Die Blechlasche kann in einem nicht tordierten Grundzustand eine ebenflächige, rechtwinklige Grundform mit zwei federachsfernen Außenecken aufweisen. An jeder dieser Außenecken können eine Blechlaschen-Längskante und eine freie Blechlaschen-Stirnkante zusammenlaufen.
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Die erfindungsgemäße Rastkontur verfügt (wie auch bei üblichen Blechteil-Schnappelementen) über eine der Federachse zugewandte Rastflanke und eine der Federachse abgewandte Rastflanke, die zueinander schräggestellt sind und an einem Rastkontur-Scheitel zusammenlaufen. Dieser ragt um eine Kontur-Höhe vom ebenflächigen Blechlaschen-Fußabschnitt in der Querrichtung ab. Die der Federachse zugewandte Rastflanke wird erfindungsgemäß mit der tordierten Blechlaschen-Längskante gebildet.
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Demgegenüber ist die der Federachse abgewandte Rastflanke wie folgt ausführbar: So kann die Blechlasche an ihrer freien Stirnkante mit einem Biegewinkel um eine Biegeachse umgebogen werden, wodurch eine stirnseitige Rastfläche entsteht, die mit einem Öffnungsrand der Fügepartner-Aussparung zumindest in Linienkontakt und/oder in Flächenkontakt bringbar ist. Die Biegeachse kann mit Bezug auf die fußseitige Federachse schräg verlaufen und insbesondere durch eine der Blechlaschen-Außenecken geführt sein. In diesem Fall kann die Biegeachse zusammen mit der Blechlaschen-Stirnkante und einem stirnseitigen Abschnitt der Blechlaschen-Längskante die dreieckförmige Rastfläche begrenzen.
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In einer besonders Ausführungsvariante kann die Rastkontur der Blechlasche nicht nur einen, sondern zwei Torsionsabschnitte aufweisen. Zur Ausbildung der beiden Torsionsabschnitte kann die Blechlasche in ihrem noch nicht tordierten Grundzustand mit einem mittleren Blech-Einschnitt versehen werden, der die Blechlasche in zwei voneinander separat tordierbare Blechlaschen-Schenkel unterteilt. Jeder dieser Blechlaschen-Schenkel weist jeweils einen Torsionsabschnitt auf. Die beiden Torsionsabschnitte sind bevorzugt mit Bezug auf eine Symmetrieachse, entlang der sich der Blech-Einschnitt erstreckt, spiegelsymmetrisch ausgebildet.
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Bei der obigen Ausführungsvariante können die stirnseitigen Enden der Blechlaschen-Schenkel in flächiger Anlage zueinander sein und bevorzugt stoffschlüssig (zum Beispiel durch Punktschweißung) miteinander verbunden sein. Die Biegeachsen der beiden Blechlaschen-Schenkel können unmittelbar aneinandergrenzen und zueinander mit geringem Achsabstand achsparallel verlaufen, so dass die stirnseitigen Rastflächen der beiden Blechlaschen-Schenkel flächenbündig zueinander ausgerichtet sind.
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Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 in einer schematischen Schnittdarstellung eine Karosseriestruktur in einem Hinterwagenbereich eines zweispurigen Fahrzeugs, bei dem ein Reserveradmulden-Blechteil an seitliche Karosserie-Längsträger angebunden ist;
- 2 eine Detailansicht aus der 1, die eine Schnappverbindung zwischen den beiden Fügepartner veranschaulicht;
- 3 eine Ansicht, anhand der ein Fügevorgang veranschaulicht ist;
- 4 bis 8 jeweils Ansichten, die Prozessschritt zur Herstellung des Blechteil-Schnappelementes veranschaulichen.
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In der 1 ist eine Fahrzeug-Karosseriestruktur in einem Hinterwagenbereich gezeigt, bei der ein Reserveradmulden-Blechteil 1 seitliche Längsflansche 3 aufweist, die über eine später beschriebene mechanische Schnappverbindung S sowie eine stoffschlüssige Klebverbindung K an seitliche Karosserie-Längsträger 5 angebunden ist. Die Schnappverbindung S ist in der 1 oder 2 über ein Blechteil-Schnappelement 7 realisiert, das als eine Blechlasche ausgebildet ist. Die Blechlasche 7 ist materialeinheitlich und einstückig am jeweiligen Längsflansch 3 des Reserveradmulden-Blechteils 1 elastisch nachgiebig angeformt, und zwar unter Bildung einer Federachse FA (2) am Übergang von der Blechlasche 7 in den Blech-Grundkörper des Reserveradmulden-Blechteils 1. Jeder der beiden seitlichen Längsflansche 3 des Reserveradmulden-Blechteils 1 weist eine Mehrzahl solcher Blechlaschen 7 auf, die in der Fahrzeuglängsrichtung x mit Abstand hintereinander in den Längsflanschen 3 angeordnet sind.
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In der in der 1 gezeigten Zusammenbaulage verbleibt zwischen dem Längsflansch 3 und dem Karosserie-Längsträger 5 ein geringfügiger Klebspalt, in dem eine Klebschicht 9 die beiden einander zugewandten Kontaktflächen der Fügepartner 1, 5 miteinander stoffschlüssig verbindet. In der in der 1 oder 2 gezeigten Fügeposition greift eine Rastkontur 11 der Blechlasche 7 formschlüssig in eine korrespondierende Längsträger-Aussparung 13 ein.
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In der 3 ist ein Fügevorgang angedeutet, bei dem das Reserveradmulden-Blechteil 1 in einer Fügerichtung I auf die beiden seitlichen Karosserie-Längsträger 5 aufgesetzt wird. Bei dem Fügevorgang wird die Rastkontur 11 der Blechlasche 7 vom jeweiligen Karosserie-Längsträger 5 unter Aufbau einer elastischen Rückstellkraft (Querkraft) F in eine Entriegelungsstellung gedrückt. Mit Erreichen der Fügeposition (das heißt unmittelbar vor Erreichen der Fügeposition) schnappt die elastisch verformte Blechlasche 7 unter Abbau der Rückstellkraft F wieder in seine Verriegelungsstellung zurück, in der Rastkontur 11 der Blechlasche 7 formschlüssig in die Längsträger-Aussparung 13 eingreift. Mittels der so bewerkstelligten mechanischen Schnappverbindung S ergibt sich eine zuverlässige Lagesicherung des Reserveradmulden-Blechteils 1 auf den beiden Karosserie-Längsträgern 5.
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Wie oben erwähnt, ist die Blechlasche 7 unter Bildung einer Federachse FA elastisch nachgiebig an dem Blechteil-Grundkörper angeformt. Die Blechlasche 7 muss einerseits eine (bevorzugt ausreichend geringe) elastische Nachgiebigkeit aufweisen, damit die sich beim Fügevorgang ergebenden Fügekräfte F bzw. Rückstellkräfte ausreichend gering sind. Andererseits muss die Blechlasche 7 auch eine ausreichend große Verbindungssteifigkeit bereitstellen, die einem Lösen des Blechteils 1 von dem Karosserie-Längsträger 5 entgegen der Fügerichtung I zuverlässig entgegenwirkt.
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Zur Bereitstellung einer solchen im Vergleich zum Stand der Technik erhöhten Verbindungssteifigkeit weist die erfindungsgemäße Blechlasche 7 die nachfolgend beschriebene Bauteil-Geometrie auf: Demzufolge ist die Rastkontur 11 der erfindungsgemäßen Blechlasche 7 durch zwei Blechlaschen-Torsionsabschnitte ausgebildet, die in einem Blech-Umformprozess durch plastische Umformung mit einem Torsionswinkel von 90° um eine Torsionsachse T (4) tordiert sind. Zur Ausbildung der beiden Torsionsabschnitte wird die Blechlasche 7 (noch in einem nichttordierten Grundzustand gemäß der 6) mit einem mittleren Blech-Einschnitt 17 versehen, der die Blechlasche 7 in zwei voneinander separat tordierbare Blechlaschen-Schenkel 19 unterteilt. Jeder der Blechlaschen-Schenkel 19 weist jeweils einen Torsionsabschnitt auf. Die beiden Torsionsabschnitte sind mit Bezug auf eine Symmetrieachse A (4), entlang der sich der Blech-Einschnitt 17 erstreckt, spiegelsymmetrisch ausgeführt. Die Torsion der beiden Blechlaschen-Schenkel 19 erfolgt dabei so, dass sich deren stirnseitige Schenkel-Enden in flächiger Anlage befinden sowie stoffschlüssig (Schweißverbindung P gemäß der 7) miteinander verbunden sind. Der jeweilige Torsionsabschnitt der Blechlaschen-Schenkel 19 geht in einen torsionsfreien, ebenflächigen Blechlaschen-Fußabschnitt 23 (8) über, der unter Bildung der bereits genannten geradlinigen Federachse FA am Blechteil-Grundkörper angeformt ist.
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Wie aus der 4 hervorgeht, weist die mit den Torsionsabschnitten ausgebildete Rastkontur 11 der Blechlasche 7 eine der Federachse FA zugewandte Rastflanke 25 und eine von der Federachse FA abgewandte Rastflanke 27 auf. Diese sind zueinander schräg gestellt und laufen an einem Rastkontur-Scheitel 29 zusammen, der um eine Konturhöhe Δh (4) vom ebenflächigen Blechlaschen-Fußabschnitt 23 in Querrichtung abragt. Dabei ist die der Federachse FA zugewandte Rastflanke 25 durch tordierte Blechlaschen-Längskanten 31 gebildet.
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Zur Bildung der, der Federachse FA abgewandten Rastflanke 27 ist der jeweilige Blechlaschen-Schenkel 19 an seiner freien Stirnseite um eine Biegeachse B umgebogen, und zwar unter Bildung einer Rastfläche 39 (4 oder 8), die im Zusammenbauzustand (2) in Linienkontakt 35 mit einem Öffnungsrand der Längsträger-Aussparung 13 ist. Die Biegeachse B verläuft in der 7 oder 8 mit Bezug auf die Federachse FA schräg durch die einander zugewandten inneren Außenecken 37 der Blechlaschen-Schenkel 19. Auf diese Weise begrenzt die Biegeachse B zusammen mit der Blechlaschen-Stirnkante 33 und einem stirnseitigen Abschnitt der Blechlaschen-Längskante 31 die dreieckförmige Rastfläche 39. Die an jedem Blechlaschen-Schenkel 19 ausgebildeten Blechlaschen-Rastflächen 39 sind zueinander flächenbündig ausgerichtet.
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Nachfolgend werden anhand der 5 bis 8 die Prozessschritte zur Herstellung der Blechlasche 7 veranschaulicht: So wird zunächst in der 3 im Längsflansch 3 des Reserveradmulden-Blechteils 1 ein U-förmiger Ausschnitt 41 eingebracht, der einen Blechsteg begrenzt, der später die Blechlasche 7 bildet. Als Trennverfahren wird insbesondere ein Schneiden (Stanzen) angewendet. Die Breite der U-Form liegt typischerweise bei 30 bis 40 mm. Die Höhe der U-Form ist abhängig von dem Werkstoff und der Blechdicke des Blechteils 1 sowie dem Maß an elastischer Verformung, welches die Blechlasche während des Fügevorgangs ertragen muss. Dieses liegt typischerweise bei etwa 40 bis 100 mm.
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Im folgenden Prozessschritt (6) wird der mittige Blech-Einschnitt 17 eingearbeitet, und zwar unter Bildung der beiden zueinander identischen Blechlaschen-Schenkel 19. Die Länge des Blech-Einschnittes 17 entspricht in etwa der Höhe der U-Form. Als Trennverfahren kann ein thermisches Trennen (das heißt Laserbearbeitung) verwendet werden. Die Breite des Blech-Einschnittes 17 sollte möglichst gering sein (das heißt kleiner als 1 mm).
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Dann erfolgt eine Torsion (das heißt eine Verdrillung) der beiden Blechlaschen-Schenkel 19, wie es in der 7 angedeutet ist. Demzufolge wird durch Anwendung geeigneter Umformverfahren (zum Beispiel Streckbiegen) die beiden Blechlaschen-Schenkel 19 jeweils in entgegengesetzter Richtung um 90° tordiert. Das gewählte Umformverfahren muss zeitgleich eine Verschiebung der Schenkelspitzen nach innen ermöglichen, so dass sich die beiden Schenkelspitzen nach Beendigung des Umformvorgangs und nach eventuellen Rückfederungs-Erscheinungen weitgehend parallel gegenüberstehen und nur durch einen möglichst schmalen Spalt getrennt werden. Dabei ist es notwendig, dass es im Randbereich der Blechlaschen-Schenkel 19 zu einem Materialfluss im Werkstoff kommen kann. Im folgenden Prozessschritt werden die beiden Schenkelspitzen durch Anwendung eines geeigneten Fügeverfahrens (zum Beispiel Widerstandspunktschweißen) miteinander verbunden (7).
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Nach der stoffschlüssigen Verbindung (Schweißpunkt P in der 7) der beiden Schenkelspitzen (7) erfolgt ein Biegen der Blechlaschen-Schenkel 19 um die jeweiligen Biegeachsen B. Dabei werden die äußersten Spitzen der beiden Blechlaschen-Schenkel 19 nach außen gebogen, um die oben erwähnten Rastflächen 39 bereitzustellen, die einen (in der 2 angedeuteten) Linienkontakt 35 mit der Längsträger-Aussparung 13 ermöglichen. Beispielhaft können die Außenecken 37 der beiden Blechlaschen-Schenkel 19 mittels freiem Biegen um 90° nach außen gebogen werden. Die so fertiggestellte Blechlasche 7 kann bei einer Nachbearbeitung an ihren einander zugewandten inneren Längskanten 43 der beiden Blechlaschen-Schenkel 19 zum Beispiel über eine Schweißverbindung 44 (8) miteinander verbunden werden, um die Verbindungssteifigkeit der Blechlaschen 7 weiter zu erhöhen.
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Das Biegen der Blechlaschen-Schenkel 19 um die Biegeachsen B muss nicht zwingend nach der stoffschlüssigen Verbindung (Schweißpunkt P) erfolgen. Vielmehr können die Blechlaschen-Schenkel 19 auch bereit vor der stoffschlüssigen Verbindung, das heißt zum Beispiel während der Tordierung der Blechlaschen-Schenkel 19 erfolgen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013000629 A1 [0002, 0003]
- US 2803048 A [0005]
