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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Strangpresswerkzeug sowie eine Metallstrangpresse.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Metallstrangpressen sind in der Fachwelt gut bekannt und werden zum Formen von stranggepressten Metallerzeugnissen mit Querschnittsformen verwendet, die grundsätzlich mit der Form der verwendeten Strangpresswerkzeuge übereinstimmen. Eine typische Metallstrangpresse umfasst einen grundsätzlich zylindrischen Behälter mit einem äußeren Mantel und einer inneren rohrförmigen Auskleidung. Der Behälter dient während des Strangpressens als temperaturgesteuerte Umhüllung für einen Barren. Ein Strangpresskolben ist angrenzend an ein Ende des Behälters angeordnet. Das Ende des Strangpresskolbens stößt gegen einen Blindblock, der wiederum gegen den Barren stößt, sodass der Barren durch den Behälter vorgeschoben werden kann. Ein Strangpresswerkzeug ist an das gegenüberliegende Ende des Behälters angrenzend angeordnet.
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Während des Betriebs wird der Barren, sobald er auf eine erwünschte Strangpresstemperatur (typischerweise 800-900 °F für Aluminium) erwärmt ist, der Strangpresse zugeführt. Der Strangpresskolben wird dann betätigt, um gegen den Blindblock zu stoßen, wodurch der Barren in den Behälter und in Richtung des Strangpresswerkzeugs vorgeschoben wird. Unter dem Druck, der durch den vorrückenden Strangpresskolben und den Blindblock ausgeübt wird, wird der Barren durch das im Strangpresswerkzeug bereitgestellte Profil stranggepresst, bis das gesamte Barrenmaterial oder der größte Teil davon aus dem Behälter herausgedrückt ist, was zu dem Strangpresserzeugnis führt.
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Der durch den Strangpresskolben ausgeübte Druck kann das Strangpresswerkzeug einer erheblichen Druckbeanspruchung unterwerfen. Eine übermäßige Druckbeanspruchung kann wiederum zu einer elastischen Verformung des Strangpresswerkzeugs während des Betriebs führen, was zu einem Verziehen der Form des Strangpresserzeugnisses führt, das als Ausschuss endet. Eine noch höhere Druckbeanspruchung kann zu einer plastischen Verformung des Strangpresswerkzeugs führen, was zum Versagen der Matrize führt und letztlich kostspielige Ausfallzeiten der Strangpresse zur Folge hat.
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Hohle Strangpresswerkzeuge, die dafür konfiguriert sind, ein Strangpresserzeugnis mit einer hohlen Form herzustellen, umfassen einen Dorn, der mit einer Matrize gekoppelt ist. Der Dorn ist grundsätzlich dafür konfiguriert, innere Oberflächen des Strangpresserzeugnisses zu definieren, während die Matrize grundsätzlich dafür konfiguriert ist, äußere Oberflächen des Strangpresserzeugnisses zu definieren. Im Vergleich zu Vollform-Strangpresswerkzeugen, die einen einstückigen Aufbau aufweisen und nur eine einzige Matrizenöffnung zur Herstellung eines Strangpresserzeugnisses mit einer Vollform umfassen, sind hohle Strangpresswerkzeuge aufgrund ihrer komplizierteren Konstruktion anfälliger für übermäßige Druckbeanspruchungen während des Betriebs.
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Es sind Maßnahmen bekannt, um die Druckbeanspruchung von hohlen Strangpresswerkzeugen während des Betriebs zu verringern. Zum Beispiel beschreibt das US-Patent
US 9 162 267 B2 von Hayashi et al. ein Strangpresswerkzeug, das mit einer Patrize, durch die ein Barren von einer Eingangsseite zu einer Ausgangsseite stranggepresst wird und die zum Ausbilden einer Innenform eines Hohlmaterials eingerichtet ist; und mit einer Matrize zum Halten der Patrize und zum Ausbilden einer Außenform des Hohlmaterials versehen ist. Die Patrize ist aus einem Dornsteg und einem Halter zum Halten des Dornstegs gebildet. Der Dornsteg ist aus einem Dorn und einer Vielzahl von Brückenteilen zum Tragen des Dorns und zum Ermöglichen, dass eine äußere Umfangsfläche am distalen Ende mit einer Brückenhaltefläche in Eingriff kommt, gebildet. Die äußere Umfangsfläche des distalen Endes jedes Brückenteils und die Brückenhaltefläche des Halters werden durch Aufschrumpfen verbunden.
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Verbesserungen sind grundsätzlich erwünscht. Es ist daher eine Aufgabe, mindestens ein Strangpresswerkzeug mit neuartigem Schrumpfring sowie eine Metallstrangpresse mit einem solchen Strangpresswerkzeug bereitzustellen. Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Strangpresswerkzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Des Weiteren wird die Aufgabe auch gelöst durch eine Metallstrangpresse mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Man beachte, dass diese Zusammenfassung bereitgestellt wird, um eine Auswahl von Konzepten in vereinfachter Form vorzustellen, die nachstehend in der ausführlichen Beschreibung näher beschrieben werden. Diese Zusammenfassung soll nicht dazu dienen, den Schutzbereich des beanspruchten Gegenstandes einzuschränken.
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In einem Aspekt wird ein Strangpresswerkzeug bereitgestellt, welches umfasst: einen zylindrischen Dorn, wobei der Dorn eine darin ausgebildete Umfangsnut aufweist; eine zylindrische Matrize, wobei der Dorn und die Matrize miteinander gekoppelt sind; und einen Schrumpfring, der in der Umfangsnut des Dorns angeordnet ist.
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Die Umfangsnut kann in einer zylindrischen Oberfläche des Dorns an einer Hinterseite des Dorns ausgebildet sein. Der Schrumpfring kann eine hintere Oberfläche haben, die koplanar mit der Hinterseite des Dorns ist.
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Der Schrumpfring kann an der Matrize anliegen.
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Der Schrumpfring kann eine darin ausgebildete zusätzliche Umfangsnut aufweisen. Die Matrize kann eine darin ausgebildete Umfangslasche aufweisen, wobei der Umfangsflansch in die zusätzliche Umfangsnut des Schrumpfrings eingreift.
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Der Dorn kann eine axiale Länge haben und der Schrumpfring hat eine Breite, wobei die Breite etwa das 0,15- bis 0,50-fache der axialen Länge beträgt.
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Der Dorn kann ferner umfassen: mindestens eine Öffnung, durch die mindestens ein Abschnitt eines Barrens vorgeschoben wird; und einen Kern, der von einer Hinterseite des Dorns nach hinten vorsteht.
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In einer Ausführungsform wird eine Metallstrangpresse bereitgestellt, die das oben beschriebene Strangpresswerkzeug umfasst.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Ausführungsformen werden nun mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben, welche Folgendes zeigen:
- 1 ist eine schematische Perspektivansicht einer Metallstrangpresse;
- 2 ist eine Perspektivansicht eines Strangpresswerkzeugs, das einen Teil der Metallstrangpresse von 1 bildet;
- 3 ist eine weitere Perspektivansicht des Strangpresswerkzeugs von 2;
- 4 ist eine Perspektivansicht eines Dorns und eines Schrumpfrings, die einen Teil des Strangpresswerkzeugs von 2 bilden;
- 5 ist eine weitere Perspektivansicht des Dorns und des Schrumpfrings von 4;
- 6 ist eine Explosionsansicht des Dorns und des Schrumpfrings aus 4;
- 7 ist eine Explosionsansicht des Dorns und des Schrumpfungsrings aus 5;
- 8 ist eine seitliche Schnittansicht des Strangpresswerkzeugs von 2 entlang der angegebenen Schnittlinie; und
- 9 ist eine vergrößerte Fragmentansicht des Strangpresswerkzeugs von 8.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die vorstehende Zusammenfassung sowie die folgende ausführliche Beschreibung bestimmter Beispiele werden besser verstanden, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen werden. Wie hierin verwendet, versteht es sich, dass ein Element oder Merkmal, das in der Einzahl eingeführt wird und dem das Wort „a“ oder „an“ vorangestellt ist, nicht unbedingt die Vielzahl der Elemente oder Merkmale ausschließt. Ferner sind Verweise auf „ein Beispiel“ oder „eine Ausführungsform“ nicht so zu verstehen, dass sie die Existenz weiterer Beispiele oder Ausführungsformen ausschließen, die ebenfalls die beschriebenen Elemente oder Merkmale einbeziehen. Darüber hinaus können Beispiele oder Ausführungsformen, die ein Element oder Merkmal oder eine Vielzahl von Elementen oder Merkmalen mit einer bestimmten Eigenschaft „umfassen“, „aufweisen“ oder „einschließen“, zusätzliche Elemente oder Merkmale einschließen, die diese Eigenschaft nicht haben, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben. Man wird auch anerkennen, dass die Begriffe „umfasst“, „aufweist“, „schließt ein“ bedeuten „einschließlich, aber nicht beschränkt auf“; und die Begriffe „umfassend“, „mit“ und „einschließlich“ haben gleichwertige Bedeutungen.
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Wie hierin verwendet, kann der Begriff „und/oder“ jede und alle Kombinationen eines oder mehrerer der zugeordneten aufgeführten Elemente oder Merkmale einschließen.
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Es versteht sich, dass, wenn ein Element oder Merkmal als „an“, „angebracht“ an, „verbunden“ mit, „gekoppelt“ mit, „in Berührung mit“ usw. einem anderen Element oder Merkmal bezeichnet wird, dieses Element oder Merkmal direkt an dem anderen Element oder Merkmal stehen kann, an ihm angebracht, mit ihm verbunden, gekoppelt oder in Berührung sein kann, oder auch dazwischenliegende Elemente vorhanden sein können. Im Gegensatz dazu sind keine dazwischenliegenden Elemente oder Merkmale vorhanden, wenn ein Element oder Merkmal zum Beispiel als „direkt an“, „direkt angebracht“ an, „direkt verbunden“ mit, „direkt gekoppelt“ mit oder „in direkter Berührung“ mit einem anderen Element oder Merkmal bezeichnet wird.
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Es versteht sich, dass räumlich relative Ausdrücke wie etwa „unter“, „unterhalb“, „darunter“, „über“, „oberhalb“, „darüber“, „oben“, „vorne“, „hinten“ und dergleichen hier der Einfachheit halber verwendet werden können, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem anderen Element oder Merkmal zu beschreiben, wie in den Zeichnungen dargestellt. Die räumlich relativen Begriffe können jedoch andere Ausrichtungen in Verwendung oder in Betrieb zusätzlich zu der in den Zeichnungen dargestellten Ausrichtung umfassen.
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1 ist eine vereinfachte Darstellung einer Strangpresse zur Verwendung beim Strangpressen von Metall. Die Strangpresse umfasst einen Behälter 20 mit einem äußeren Mantel 22, der eine innere rohrförmige Auskleidung 24 umgibt. Der Behälter 20 dient als temperaturgesteuerte Umhüllung für einen Barren 26 während des Strangpressens des Barrens. Ein Strangpresskolben 28 ist angrenzend an ein Ende des Behälters 20 angeordnet. Das Ende des Strangpresskolbens 28 stößt gegen einen Blindblock, der wiederum gegen den Barren 26 stößt, was ermöglicht, dass der Barren durch den Behälter 20 hindurch vorgeschoben wird. Ein Strangpresswerkzeug 30 ist angrenzend an ein Ende 32 des Behälters 20 angeordnet.
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Während des Betriebs wird der Barren 26, sobald er auf eine erwünschte Strangpresstemperatur (typischerweise 800-900 °F für Aluminium) erwärmt ist, der Strangpresse zugeführt. Der Strangpresskolben 28 wird dann betätigt, um gegen den Blindblock zu stoßen, um dadurch den Barren 26 in den Behälter und in Richtung des Strangpresswerkzeugs 30 vorzuschieben. Unter dem Druck, der durch den vorrückenden Strangpresskolben 28 und den Blindblock 30 ausgeübt wird, wird der Barren 26 durch das im Strangpresswerkzeug 30 bereitgestellte Profil stranggepresst, bis das gesamte Barrenmaterial oder der größte Teil davon aus dem Behälter 20 herausgedrückt ist, wodurch das Strangpresserzeugnis 34 entsteht.
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Das Strangpresswerkzeug 30 ist in den 2 bis 9 besser zu erkennen. Das Strangpresswerkzeug 30 ist ein hohles Strangpresswerkzeug und ist dafür konfiguriert, ein Strangpresserzeugnis 34 mit einer hohlen Form auszubilden. Das Strangpresswerkzeug 30 umfasst einen grundsätzlich zylindrischen Dorn 42, der mit einer grundsätzlich zylindrischen Matrize 44 gekoppelt ist. Es versteht sich, dass der Dorn 42 grundsätzlich dafür konfiguriert ist, innere Oberflächen des Strangpresserzeugnisses 34 zu definieren, während die Matrize 44 grundsätzlich dafür konfiguriert ist, äußere Oberflächen des Strangpresserzeugnisses 34 zu definieren.
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Der Dorn 42 umfasst einen grundsätzlich zylindrischen Körper von einheitlichem, einteiligem Aufbau, der eine äußere zylindrische Oberfläche 46, eine Stirnseite 48 und eine Hinterseite 52 aufweist. Eine Vielzahl von Öffnungen, die sich von der Stirnseite 48 bis zur Hinterseite 52 erstrecken, sind im Dorn 42 definiert. Im gezeigten Beispiel schließen die Öffnungen eine zentrale Öffnung 54 und eine Vielzahl von äußeren Öffnungen 56 ein, die radial nach außen von der zentralen Öffnung 54 beabstandet sind. Die Öffnungen 54 und 56 sind durch Stege 58 voneinander getrennt. Der Dorn 42 umfasst ferner eine Vielzahl von Kernen 62, die von der Hinterseite 52 nach hinten vorstehen. Im gezeigten Beispiel umfasst der Dorn 42 drei (3) Kerne 62, die von der Hinterseite 52 nach hinten vorstehen, wobei die Kerne 62 durch Lücken getrennt sind, die axial mit der zentralen Öffnung 54 ausgerichtet sind. Die zylindrische Oberfläche 46 weist eine darin ausgebildete Umfangsnut 64 auf, die dafür bemessen ist, einen Schrumpfring 70 aufzunehmen. Die Umfangsnut 64 ist in der hinteren Hälfte des Dorns 42 ausgebildet, und im gezeigten Beispiel ist die Umfangsnut 64 an der Hinterseite 52 des Dorns 42 ausgebildet. Ebenfalls im gezeigten Beispiel hat die Umfangsnut 64 eine Breite w, die etwa ein Viertel der axialen Länge L des Dorns 42 beträgt, oder w = 0,25 L. Der Dorn 42 ist aus warmverformtem Werkzeugstahl hergestellt, und in dieser Ausführungsform ist der Dorn 42 aus Stahl der Sorte AISI H13 hergestellt.
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Die Matrize 44 umfasst einen grundsätzlich zylindrischen Körper von einheitlicher, einteiliger Konstruktion, der eine äußere zylindrische Oberfläche 76, eine Stirnseite 78 und eine Hinterseite 82 aufweist. Eine Austrittsöffnung 84 ist in der Matrize 44 definiert und erstreckt sich von der Stirnseite 78 zur Hinterseite 82. Im gezeigten Beispiel ist die Austrittsöffnung 84 über ihre Länge verjüngt und weitet sich allmählich zur Hinterseite 82 hin. Die Austrittsöffnung 84 ist dafür bemessen, die Kerne 62 aufzunehmen, die von der Hinterseite 52 des Dorns 42 nach hinten ragen. Die Matrize 44 umfasst außerdem eine Umfangslasche 86, die sich um den Umfang der Stirnseite 78 erstreckt. Die Umfangslasche 86 ist so geformt, dass sie in eine im Schrumpfring 70 ausgebildete Umfangsnut eingreift. Die Matrize 44 ist aus warmverformtem Werkzeugstahl hergestellt, und in dieser Ausführungsform ist die Matrize 44 aus Stahl der Sorte AISI H13 hergestellt.
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Der Schrumpfring 70 ist durch Presspassung mit dem Dorn 42 gekoppelt und ist dafür konfiguriert, örtlich begrenzte Druckbeanspruchung nur auf einen Abschnitt des Dorns 42 auszuüben, und zwar auf den hinteren Abschnitt des Dorns 42 in der Nähe der nach hinten vorstehenden Kerne 62. Es versteht sich, dass der Schrumpfring 70 durch Ausüben örtlich begrenzter Druckbeanspruchung auf den hinteren Abschnitt des Dorns 42 in der Nähe der nach hinten vorstehenden Kerne 62 die elastische Verformung an der Hinterseite 52 des Dorns 42 und namentlich der Kerne 62 verringert oder beseitigt und dadurch das Verziehen der Form des Strangpresserzeugnisses 34 und insbesondere der Form von inneren Oberflächen des Strangpresserzeugnisses 34 verringert oder beseitigt. Außerdem versteht es sich, dass der Schrumpfring 70 durch Ausüben örtlich begrenzter Druckbeanspruchung auf den hinteren Abschnitt des Dorns 42 in der Nähe der nach hinten vorstehenden Kerne 62 eine plastische Verformung an der Hinterseite 52 des Dorns 42 an den Stegen 58 und/oder Kernen 62 verhindert und dadurch ein Rissversagen des Strangpresswerkzeugs 30 verhindert, das andernfalls zu kostspieligen Ausfallzeiten der Strangpresse führen würde.
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Der Schrumpfring 70 ist grundsätzlich ringförmig und hat eine Stirnseite 88 und eine innere Oberfläche 92, die an Flächen der im Dorn 42 ausgebildeten Umfangsnut 64 anliegen, eine äußere Oberfläche 94 und eine Hinterseite 96. In der gezeigten Ausführung hat der Schrumpfring 70 eine Breite, die gleich der Breite der Umfangsnut w ist, und die Hinterseite 96 des Schrumpfrings 70 ist koplanar mit der Hinterseite 52 des Dorns 42 und liegt an der Stirnseite 78 der Matrize 44 an. Darüber hinaus weist der Schrumpfring 70 eine nach hinten gerichtete Nutoberfläche 102 und eine radial nach außen gerichtete Nutoberfläche 104 auf, die darin ausgebildet sind und zusammen eine Umfangsnut 106 des Schrumpfrings 70 bilden. Die Umfangsnut 106 ist dafür geformt, die Umfangslasche 86 der Matrize 42 aufzunehmen. In dieser Ausführungsform ist der Schrumpfring 70 aus dem gleichen Material wie der Dorn 42 hergestellt, und im gezeigten Beispiel ist der Schrumpfring 70 aus Stahl der Sorte AISI H13 hergestellt.
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Während des Betriebs wird der Strangpresskolben 28 betätigt, um gegen den Blindblock zu stoßen und den Barren 26 in den Behälter und in Richtung des Strangpresswerkzeugs 30 vorzuschieben. Unter dem Druck, der durch den vorrückenden Strangpresskolben 28 ausgeübt wird, wird der Barren 26 durch das im Strangpresswerkzeug 30 bereitgestellte Profil stranggepresst. Der durch den vorrückenden Strangpresskolben 28 ausgeübte Druck drückt einen vorderen Abschnitt des Strangpresswerkzeugs 30 zusammen. Insbesondere erzeugt der Vorwärtsdruck einen Zustand der Biegebeanspruchung innerhalb des Dorns 42, und zwar insbesondere einen Zustand der radial nach innen gerichteten Kompression an der Stirnseite 48 des Dorns 42 und einen Zustand der radial nach außen gerichteten Spannung an der Hinterseite 52 des Dorns 42. Es versteht sich, dass der Schrumpfring 70 der radial nach außen gerichteten Spannung an der Hinterseite 52 des Dorns 42 entgegenwirkt und dadurch eine radial nach außen gerichtete Verformung sowie eine axial nach vorn gerichtete Verformung des Dorns 42 verringert oder verhindert, namentlich an der Hinterseite 52. Der Strangpresskolben 28 fährt fort, den Barren 26 in den Behälter und in Richtung des Strangpresswerkzeugs 30 vorzuschieben, bis das gesamte Barrenmaterial oder der größte Teil davon aus dem Behälter herausgedrückt ist, was zu dem Strangpresserzeugnis 34 führt.
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Man wird anerkennen, dass der Schrumpfring 70 die Verformung des Dorns 42 an der Hinterseite 52 während des Betriebs verringert oder verhindert. Es versteht sich, dass die Verformung der Hinterseite 52 des Dorns 42 Folgendes einschließen kann: i) elastische Verformung des Dorns 42 an der Hinterseite 52, die sonst zum Verschieben der Positionen der Kerne 62 führen und dadurch die Form des Strangpresserzeugnisses verziehen würde, was zu Ausschuss führt; und ii) plastische Verformung, die sonst zu einem Reißen und Brechen der Stege 58 und/oder Kerne 62 an der Hinterseite 52 führen würde. Die Erfinder haben festgestellt, dass der Schrumpfring 70 durch die Verringerung oder Verhinderung solcher Verformungen den Ausschuss verringert, die Standzeit des Strangpresswerkzeugs 30 um ein Vielfaches verlängert und kostspielige Ausfallzeiten der Strangpresse vermeidet.
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Man wird anerkennen, dass die Anordnung des Schrumpfrings 70 an der Hinterseite 52 des Dorns 42 vorteilhaft ermöglicht, die Druckkraft auf den Bereich des Dorns örtlich zu begrenzen, in dem sie benötigt wird, nämlich an der Hinterseite 52 des Dorns 42. Es versteht sich, dass eine zusätzliche Kompression im vorderen Abschnitt des Dorns nicht erforderlich ist, weil der vordere Abschnitt des Dorns 42 aufgrund des durch den Barren ausgeübten Vorwärtsdrucks bereits unter Druck steht. Dies ermöglicht vorteilhafterweise, die Breite des Schrumpfrings 70 (nämlich die Abmessung des Schrumpfrings 70, die sich entlang der „Matrizenachse“ oder entlang der axialen Richtung des Strangpresswerkzeugs 30 erstreckt) zu verringern.
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Man wird anerkennen, dass die Verwendung des gleichen warmverformten Werkzeugstahls, um sowohl den Dorn 42 als auch den Schrumpfring 70 herzustellen, sicherstellt, dass sowohl der Dorn 42 als auch der Schrumpfring 70 vorteilhafterweise den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen und sich daher vorteilhafterweise ähnlich und proportional ausdehnen, wenn sie während des Betriebs erhöhten Temperaturen ausgesetzt werden.
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Obwohl in der oben beschriebenen Ausführungsform die Umfangsnut 64, die den Schrumpfring 70 aufnimmt, eine Breite w aufweist, die etwa ein Viertel der axialen Länge L des Dorns 42 beträgt, oder w = 0,25 L, kann in anderen Ausführungsformen die Breite w der Umfangsnut alternativ anders sein und irgendwo im Bereich zwischen w = 0,15 L und w = 0,50 L liegen.
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Obwohl in der oben beschriebenen Ausführungsform die Umfangsnut 64 in der zylindrischen Oberfläche 46 an der Hinterseite 52 des Dorns 42 ausgebildet ist, kann in anderen Ausführungsformen die Umfangsnut alternativ in der zylindrischen Oberfläche, jedoch von der Hinterseite des Dorns beabstandet ausgebildet sein, sodass die Umfangsnut in der hinteren Hälfte oder im hintersten Drittel des Dorns liegt.
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Obwohl in der oben beschriebenen Ausführungsform der Dorn 42, die Matrize 44 und der Schrumpfring 70 aus Stahl der Sorte AISI H13 hergestellt sind, können in anderen Ausführungsformen ein oder mehrere Element aus dem Dorn, der Matrize und dem Schrumpfring alternativ aus einer anderen Sorte warmverformten Werkzeugstahls hergestellt werden, wie etwa Stahl der Sorte DIN 1.2367, Stahl der Sorte AISI H11, Dievar oder ein anderer geeigneter Stahl.
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Obwohl in der oben beschriebenen Ausführungsform der Schrumpfring 70 aus dem gleichen Material wie der Dorn 42 hergestellt ist, können in anderen Ausführungsformen der Schrumpfring und der Dorn alternativ aus unterschiedlichen Materialien hergestellt werden.