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Die
vorliegende Erfindung betrifft Verschlussstopfen zum Abdichten und
schalldämpfenden
Verschließen
eines Loches in einem Bauteil aus flächigem Material, vorzugsweise
aus Blech oder Kunststoff sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
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Bei
der Herstellung von Karosserien im Automobilbau entsteht eine Reihe
von Öffnungen
oder Löchern
als Hilfe zur Montage und Befestigung von Karosseriebauteilen. Weitere Öffnungen
dienen dem ungehinderten Durchfluss von Prozessflüssigkeiten in
der Fertigung des Fahrzeuges wie Entfettungsmittel, Phosphatierungsmittel
und KTL-Beschichtungsmaterial, damit diese Flüssigkeiten durch die Hohlräume und
Säulen
der Fahrzeugkarosserie fließen können und
die Innenwände
dieser Hohlraumelemente vollständig
benetzen können.
Am Ende müssen
die genannten Öffnungen
oder Löcher
mit einem Stopfen verschlossen werden. Dabei müssen die Stopfen so beschaffen
sein, dass sie die Öffnungen oder
Löcher
sicher abdichten, so dass Schmutz und Feuchtigkeit nicht von der
einen Seite des Bleches auf die andere gelangt. Innerhalb der Karosseriehohlräume eingeschlossene
Feuchtigkeit kann zu Korrosion führen.
Da derartige Löcher
auch so genannte Schallbrücken
bilden, wird angestrebt, die Stopfen so auszuführen, dass sie auch schalldämpfend wirken.
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Es
ist eine große
Reihe verschieden strukturierter Lochstopfen bekannt geworden.
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US 4290536 A beschreibt
einen Verschluss zum dichten Verschließen von Löchern, Öffnungen und Durchbrüchen in
Platten. Der Verschluss weist eine Umfangrille und eine Einrichtung
zum Aufdrücken
der Rille gegen die zu verschließende Platte sowie ein thermisch
schmelzendes Material auf. Dabei soll letzteres insbesondere einen
Umfangsstreifen aufweisen, der zusammendrückbar und schmelzbar zwischen
der Rille und der Platte angeordnet ist. Beim Verschließen soll
das thermisch schmelzende Material zwischen Verschluss und Platte
zusammengedrückt
werden, so dass nach dem Abkühlen
der Verschluss perfekt mit der Platte über dem Loch verbunden ist.
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DE 102 53 983 A offenbart
einen Verschlussstopfen zum dichten und schalldämpfenden Verschließen eines
Loches in einem Bauteil aus Flachmaterial, vorzugsweise Blech oder
Kunststoff, mit einem Schaft, der im Dichtsitz in die Öffnung einsetzbar
ist, und einem einteilig mit dem einen Ende des Schaftes aus elastisch
nachgebendem Material geformten radialen Flansch, wobei der Flansch
einen radialen äußeren schrägen oder
gewölbten
Abschnitt aufweist, der sich unter Verformung dichtend gegen die
zugekehrte Fläche
des Bauteils anlegt, wenn der Schaft in das Loch eingedrückt wird.
Der Schaft soll durch einen mit der Wandung des Loches zusammenwirkenden
Hinterschnitt in dem Loch gehalten werden, wobei der Schaft im Bereich
des Dichtsitzes einen Dichtabschnitt mit im entspannten Zustand glatter
konischer Außenfläche aufweist,
deren zum Flansch hin größer werdender
Durchmesser zumindest im Bereich des Dichtsitzes größer als
der Durchmesser des Loches ist. Auf der Innenseite der Verbindung
von Flansch und Schaft ist ein axialer Freiraum vorgesehen, der
sich zum anderen Ende des Schaftes hin bis in Höhe des Dichtsitzes oder darüber hinaus
erstreckt. Unterhalb des Flansches bildet er einen ringförmigen Schaftabschnitt,
wodurch das Material des ringförmigen
Schaftabschnittes in den Freiraum hineinverformt wird, wenn der
Schaft in das Loch eingedrückt
und die Lochwandung eine den Hinterschnitt bildende Nut in den Ringabschnitt
formt.
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WO 2004/011320 A beschreibt
ein Verfahren zum Abdichten, Schalldämmen und Verstärken von Öffnungen
in Bauteilen, insbesondere einer Automobilkarosserie, sowie ein
hierfür
geeignetes stopfenförmiges
Bauteil. Dieses stopfenförmige
Bauteil umfasst einen Träger
mit einem auf dem flanschartigen Umfangsbereich angeordneten expandierbaren
Material. Der Träger
ist mit einem Befestigungsmittel verbunden, das einen flexiblen
Abschnitt und mindestens einen lang gestreckten Teilbereich aufweist. Durch
diese Anordnung soll der Stopfen geeignet sein, in eine Öffnung des
Karosserieteiles unter Krafteinwirkung gesteckt zu werden, wobei
das Befestigungsmittel durch die Öffnung ragt und beeinträchtigungsfrei
mit dem Karosserieteil verbunden ist. Nach der thermischen Expansion
des expandierbaren Materials bewirkt dieses einen Verbund zwischen
Stopfenträger
und Karosserieteil.
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Die
bekannten Lochstopfen erweisen sich im Wesentlichen in ihrer Funktion
als zufrieden stellend. Bei Löchern
mit ausreichendem Durchmesser sind derartige Stopfen verhältnismäßig leicht
einsetzbar, auch von Hand. Der Einsatz der Stopfen erfolgt üblicherweise
jedoch erst im Lackbereich (am KTL-beschichteten Rohbau), so dass
die Korrosionsbeständigkeit
der Lochkante kein Problem darstellt. Erheblicher Verbesserungsbedarf
besteht darin, im Rohbau einen Stopfen für jene Löcher einzusetzen, die im Lackbereich
nicht mehr zugänglich
sind. Dieser Stopfen muss zusätzlich
zur Sicherstellung der Dichtigkeit der mit den Stopfen verschlossenen Öffnungen
unter allen vorkommenden Montagebedingungen so beschaffen sein,
dass keine Korrosion an der Lochkante auftritt.
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Angesichts
dieses Standes der Technik haben sich die Erfinder die Aufgabe gestellt,
Verschlussstopfen mit verlässlich
abdichtender und akustisch wirksamer Funktion bereitzustellen, die vorzugsweise
im Spritzgussverfahren kostengünstig herstellbar
sind und zudem eine KTL-Beschichtung der Lochkante sicherstellen
sowie die Lochkante anschließend
vollständig
einschäumen.
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Die
erfindungsgemäße Lösung der
Aufgabe ist den Patentansprüchen
zu entnehmen. Sie besteht im wesentlichen in der Bereitstellung
von Verschlussstopfen zum Abdichten und schalldämpfenden Verschließen eines
Loches in einem Bauteil aus flächigem
Material, vorzugsweise aus Blech oder Kunststoff, umfassend ein
Stopfenoberteil, ein Unterteil sowie ein Oberteil und Unterteil
verbindendes Verbindungselement. Diese Verschlussstopfen sind gekennzeichnet
durch die folgenden wesentlichen Merkmale:
- a)
das Unterteil hat einen geringfügigeren
wirksamen Durchmesser als das Oberteil,
- b) das Unterteil weist ein im wesentlichen planares, zur Ebene
des Oberteils parallel angeordnetes Mittelteil auf, an dem in Richtung
Oberteil abgewinkelte Verbindungsstücke angeordnet sind und an
der dem Oberteil zugewandten Kante sind zum Oberteil parallel ausgerichtete
Tragplatten integral angeformt, deren freie Kante in Richtung Mittenachse
des Stopfens weist,
- c) auf den Tragplatten sowie auf den Flanken des Verbindungselements
ist eine Dichtung aus thermisch expandierbaren Material aufgebracht.
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Die
Herstellung des vorgenannten Verschlussstopfens gelingt mit den
folgenden wesentlichen Verfahrensschritten:
- (a)
Injektion des thermoplastischen Werkstoffs für den Träger in die Spritzguss-Form,
- (b) Entformen des Trägers,
- (c) nachfolgende Injektion des thermisch expandierbaren Materials
auf die Tragplatten, das Verbindungselement unter Ausbildung der
Verbindungsstränge
in einer zweiten Spritzguss-Form,
- (d) Entformen des Verschlussstopfens.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Verbund des Verschlussstopfens aus Oberteil, Tragplatten,
Verbindungsstücken
als einstückiger Träger ausgebildet.
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Das
Trägermaterial
ist dabei vorzugsweise aus thermoplastischen Kunststoffen geformt,
wobei die thermoplastischen Kunststoffe gegebenenfalls faserverstärkt und/oder
mit Füllstoffen
versehen sein können.
Der thermoplastische Kunststoff muss dabei einen Schmelz- oder Erweichungspunkt
aufweisen, der oberhalb der Expansionstemperatur des thermisch expandierbaren
Materials liegt. Bevorzugte thermoplastische Kunststoffe sind dabei
Polyamide, Polyimide, Polyoxypropylen oder Polyethylenterephthalat,
ganz besonders bevorzugt ist Polyamid 6.
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Vorzugsweise
ist der wirksame Kreis des Unterteils in der Art geringfügig größer ist
als der Innendurchmesser des zu verschließenden Loches, dass sich das
Unterteil unter elastischem Verbiegen der Verbindungsstücke (6)
in das Loch eindrücken
lässt, vorzugsweise
so weit, dass vorhandene Einkerbungen (10) in dem expandierbaren
Material in den Rand des Loches einrasten und durch die Federwirkung der
elastischen Verbindungsstücke
(6) festgehalten werden. Als „wirksamer Kreis" ist der Kreis zu
verstehen, der sämtliche
Bereiche der Projektion des Unterteils auf eine Ebene einschließt. Der
wirksame Kreis des Unterteils richtet sich dabei selbstverständlich nach
dem Innendurchmesser des zu verschließenden Loches. Er liegt in
bevorzugten Ausführungsformen
zwischen 20 und 40 mm, der Außendurchmesser
des Oberteils liegt dabei zwischen 30 und 50 mm.
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Die
bevorzugte einstückige
Ausführungsform
des Trägers
für den
Verschlussstopfen ist dabei so ausgebildet, dass die auf den Tragplatten
und den Flanken des Verbindungselementes aufzubringende Dichtung
aus thermisch expandierbarem Material in einem einzigen Spritzgussvorgang
injizierbar ist.
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Der
Expansions- und Aushärtebereich
des thermisch expandierbaren Materials liegt dabei bei Temperaturen
zwischen 140°C
und 220°C,
vorzugsweise zwischen 150°C
und 180°C,
so dass für
die Expansion und Aushärtung
dieses Materials die Prozesswärme
der Öfen
zur Aushärtung
der kathodischen Tauchlackierung (KTL bzw. E-coat) ausgenutzt werden
kann um die Expansion der Dichtung aus dem thermisch expandierbaren
Material auszulösen, um
somit das Loch in dem Bauteil der Fahrzeugkarosserie vollständig abzudichten.
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Geeignete
polymere Basisbindemittel für
das thermisch expandierbare Material sind beispielsweise Ethylenvinylacetat-Copolymere
(EVA), Copolymere des Ethylens mit (Meth)-acrylatestern, die gegebenenfalls
noch anteilig (Meth)acrylsäure
einpolymerisiert enthalten, statistische oder Blockcopolymere des
Styrols mit Butadien oder Isopren oder deren Hydrierungsprodukte.
Letztere können
auch Triblockcopolymere vom Typ SBS, SIS oder deren Hydrierungsprodukte
SEBS oder SEPS sein. Es können
auch Mischungen der vorgenannten (Co)polymeren als Bindemittel eingesetzt
werden. Zusätzlich
können
die Bindemittel noch Vernetzer, Haftvermittler, klebrigmachende
Harze („tackifier"), Weichmacher sowie weitere
Hilfs- und Zusatzstoffe wie z. B. niedermolekulare Oligomere enthalten.
Zur Erzielung einer ausreichenden Treibfähigkeit und Expansionsfähigkeit enthalten
diese polymeren Bindemittel noch Treibmittel. Als Treibmittel eignen
sich im Prinzip alle bekannten Treibmittel wie z. B. die "chemischen Treibmittel" die durch Zersetzung
Gase freisetzen oder "physikalische
Treibmittel", d.h.
expandierende Hohlkugeln. Beispiele für die erstgenannten Treibmittel
sind Azobisisobutyronitril, Azodicarbonamid, Di-Nitrosopentamethylentetramin,
4,4'-Oxybis(benzolsulfonsäurehydrazid),
Diphenylsulfon-3,3'-disulfohydrazid,
Benzol-1,3-disulfohydrazid, p-Toluolsulfonylsemicarbazid. Beispiele
für die
physikalischen Treibmittel sind expandierbare Kunststoffmikrohohlkugeln
auf der Basis von Polyvinylidenchloridcopolymeren oder Acrylnitril/-(Meth)acrylat-Copolymeren,
wie sie z.B. unter den Namen "Dualite" bzw. "Expancel” von den Firmen
Pierce & Stevens
bzw. Casco Nobel im Handel erhältlich
sind.
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Einige
besonders bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung sollen nun anhand der Zeichnungen näher erläutert werden.
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Es
zeigen im einzelnen:
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1 eine
perspektivische Aufsicht des erfindungsgemäßen Verschlussstopfens auf
dessen Unterseite
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2 eine
halbperspektivische seitliche Ansicht des erfindungsgemäßen Verschlussstopfens
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3 eine
seitliche Ansicht des erfindungsgemäßen Verschlussstopfens
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4 eine
schematische Darstellung des Verschließens eines Karosseriebauteils.
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1 zeigt
eine Aufsicht auf die Unterseite des Verschlussstopfens (1)
mit dem Stopfenoberteil (2), dem senkrecht auf dem Stopfenoberteil
in Richtung der Mittel achse (M, M') angebrachten Verbindungselement (3)
zu dem Stopfenunterteil (4). Dieses Stopfenunterteil (4)
ist senkrecht zum Verbindungselement (3) integral an diesem
angeformt. Das zentrale Mittelteil (5) ist dabei im wesentlichen
parallel zu dem Stopfenoberteil ausgerichtet. Beidseitig schließt sich
an das Mittelteil parallel zur Mittelachse jeweils ein abgewinkeltes
Verbindungsstück
(6) an, das in Richtung auf die Unterseite des Stopfenoberteils
weist. An der Unterkante der beiden abgewinkelten Verbindungsstücke sind
die Tragplatten (7) angeformt, die in Richtung auf die
Mittelachse (M, M')
des Verschlussstopfens weisen. Dabei sind die freien Kanten (8)
der Tragplatten (7) parallel zur Mittelachse und zu dem
Verbindungselement (3) angeordnet. Auf den der Unterseite
des Stopfenoberteils zugewandten Flächen der Tragplatten (7)
sowie den auswärts gerichteten
Flanken (11) des Stopfenträgers ist die Dichtung (9)
aus dem thermisch expandierbaren Material aufgebracht. Die Dichtung
(9) weist in den Eckbereichen Einkerbungen (10)
sowie im mittigen Bereich unterhalb der Tragflächen (7) Vorsprünge (12) auf.
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2 zeigt
eine halbperspektivische seitliche Ansicht des erfindungsgemäßen Verschlussstopfens
gemäß 1.
Sichtbar sind hier wiederum der Träger des Verschlussstopfens
bestehend aus Stopfenoberteil (2), Verbindungselement (3),
Stopfenunterteil (4) mit Mittelteil (5), abgewinkelten
Verbindungsstücken
(6) sowie daran angeformten Tragplatten (7). Zusätzlich ist
hier die Mittelplatte (23) sichtbar, die senkrecht auf
dem Verbindungselement (3) zwischen Mittelteil (5)
und Stopfenoberteil (2) parallel zu diesen angeordnet ist.
In dieser Mittelplatte (23) ist eine Bohrung (24)
sichtbar, die als Injektionsöffnung zum
Einspritzen des Dichtungsmaterials (9) während des
Spritzgussvorganges dient. Weiterhin sind wiederum die Einkerbungen
(10) sowie Vorsprünge
(12) des thermisch expandierbaren Dichtungsmaterials sichtbar.
Auf die Funktion der Vorsprünge
(12) und Einkerbungen (10) wird weiter unten bei
der Erläuterung
der 4 eingegangen werden.
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3 zeigt
eine seitliche Ansicht der bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verschlussstopfens
gemäß 1 und 2.
Diese Ansicht ist senkrecht zur Mittelachse (M, M') vorgenommen. Aus
dieser Darstellung wird sichtbar, dass das Stopfenoberteil (2)
vorzugsweise keine planare Anordnung aufweist, sondern eine planare
Mittelfläche (13)
im Bereich der Mittelachse hat, woran sich abgewinkelte Zwischenflächen (14)
sowie abgewinkelte Randbereiche (15) anschließen. Dabei
können
die Kanten der abgewinkelten Zwischenflächen (14) und Randbereichsflächen (15)
im wesentlichen parallel zur Mittelachse angeordnet sein. Es ist
jedoch auch denkbar, dass diese Kanten konzentrische Kreise oder
Polygone um den Mittelpunkt des Stopfenoberteils bilden. In Richtung
der Mittelachse ist senkrecht zur Mittelfläche (13) das Verbindungselement
(3) in Richtung Stopfenunterteil sichtbar. Das Stopfenunterteil
bestehend aus der Mittelplatte (23) des Verbindungselementes,
dem planaren Mittelteil (5), den abgewinkelten Verbindungsstücken (6)
und den Tragplatten (7) ist hier ebenfalls dargestellt.
Weiterhin sichtbar ist die auf den Tragplatten (7), den
Flanken des Verbindungselements (3) sowie der Mittelplatte (23)
aufgebrachte Dichtung (9). Zusätzlich sind in dieser Abbildung
die Verbindungsstränge
(16) der Dichtung (9) sichtbar, die den Flankenbereich
(11) sowie den auf den Tragplatten (7) und der
Mittelplatte (23) aufgebrachten Teil des Dichtungsmaterials
miteinander verbinden. Durch diese Anordnung ist sichergestellt,
dass durch die einzige Injektionsbohrung (24) das Dichtungsmaterial
während
des Spritzgussvorganges in alle vorgesehenen Bereiche gelangen kann.
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4 stellt
in schematischer Weise den Verschließvorgang eines Karosseriebauteils
dar. Angedeutet ist im rechten Teil dieser Figur das abzudichtende
Bauteil (17) mit dem Blechteil (18) und dem zu verschließenden Loch
(19) des Karosseriebauteils. Zum Verschließen wird
der Stopfen (1) in Richtung des Pfeiles (V) in das Loch
(19) gedrückt.
Dabei wird das Stopfenunterteil in Richtung der Pfeile (Z, Z') in Richtung der
Mittelachse etwas komprimiert. Begünstigt wird dies durch die
rückfedernde
Wirkung der abgewinkelten Verbindungsstücke (6) sowie der Verbindungsstränge (16).
Die Einkerbungen (10) bewirken dabei ein „Einrasten" des Stopfens in
dem Karosseriebauteil (17) und sorgen somit für eine mechanische
Fixierung des Stopfens in dem zu verschließenden Loch (19).
Die Vorsprünge
(12) stellen dabei gleichzeitig sicher, dass zu diesem
Zeitpunkt, zu dem das Dichtungsmaterial noch nicht thermisch expandiert
ist, keine vollflächige
Berührung
des Dichtungsmaterials (9) mit den Kanten des Blechteils
in der Bohrung stattfindet. Hierdurch wird gewährleistet, dass vor der Expansion
des Dichtungsmaterials sämtliche
metallischen Bereiche des Bauteils (17) vollflächig mit
den Prozessflüssigkeiten
benetzt werden können.
Damit ist sichergestellt, dass auch die Kantenbereiche von Bohrungen
(19) sicher vor Korrosion geschützt werden können. Die
thermische Expansion und Aushärtung
des Dichtungsmaterials (9) erfolgt erstmalig im KTL-Ofen
bei Temperaturen zwischen 140°C
und 220°C.
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Durch
den vorstehend beschriebenen „Rastmechanismus" eignet sich der
erfindungsgemäße Verschlussstopfen
für den
Verbau in allen im Fahrzeugbau vorkommenden Lagen (senkrechte Anordnung, „Überkopfanordnung", waagerechte Anordnung).
Da die thermisch expandierende Dichtung einen hohen Expansionsgrad
aufweist, ist eine vollständige
und sichere Abdichtung unabhängig
von der Einbaulage gewährleistet.
Die erfindungsgemäßen Verschlussstopfen
weisen eine hohe Kälteschlagzähigkeit
im Gesamtverbund auf. Es wird kein Sprödbruch bei schlagartiger Beanspruchung
beobachtet. Außerdem
treten keinerlei Ermüdungserscheinungen oder
Haftverluste nach Vibrationsbelastung auf. Die Verschlussstopfen
eignen sich für
alle im Karosseriebau vorkommenden Blechstärken (0,5 bis 6 mm) und Toleranzen
und dichten gegen Wasser, Staub, Luft bzw. Gas und Schall in beiden
Richtungen die Bauteile dauerhaft ab.
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- 1
- Verschlussstopfen
- 2
- Stopfenoberteil
- 3
- Verbindungselement
- 4
- Stopfenunterteil
- 5
- Mittelteil
- 6
- abgewinkelte
Verbindungsstücke
- 7
- Tragplatten
- 8
- freie
Kante der Tragplatten
- 9
- Dichtung
aus thermisch expandierbaren Material
- 10
- Einkerbungen
in expandierbarem Material
- 11
- auf
den Flanken aufgebrachte Dichtung aus thermisch expandierbaren Material
- 12
- Vorsprünge in expandierbarem
Material
- 13
- Mittelfläche des
Stopfenoberteils
- 14
- abgewinkelte
Zwischenflächen
des Stopfenoberteils
- 15
- abgewinkelte
Randbereiche des Stopfenoberteils
- 16
- Verbindungsstränge der
Dichtung
- 17
- abzudichtendes
Bauteil
- 18
- Blechteil
des zu verschließenden
Bauteils
- 19
- zu
verschließendes
Loch des Bauteils
- 23
- Mittelplatte
des Verbindungselements
- 24
- Injektionsbohrung
für Dichtungsmaterial
- M,
M'
- Mittenachse
des Stopfens