DE2105425B2 - Verfahren und vorrichtung zur hermetisch abdichtenden befestigung eines kunststofforgans in einer platte oder starren folie vorgesehenen oeffnung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur hermetisch abdichtenden befestigung eines kunststofforgans in einer platte oder starren folie vorgesehenen oeffnung

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DE2105425B2
DE2105425B2 DE19712105425 DE2105425A DE2105425B2 DE 2105425 B2 DE2105425 B2 DE 2105425B2 DE 19712105425 DE19712105425 DE 19712105425 DE 2105425 A DE2105425 A DE 2105425A DE 2105425 B2 DE2105425 B2 DE 2105425B2
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Description

Die Gründung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum hermetisch abdichtenden Befestigen eines Kunststofforgans in einer in einer Platte oder starren Folie, beispielsweise aus Metall, vorgesehenen Öffnung.
Das Verfanren und die Vorrichtung finden ein wichtiges Anwendungsgebiet, insbesondere bei der Befestigung von Greiforganen aus Kunststoff an den Deckeln metallischer Behälter, wie Konservendosen, »zum leichten Öffnen«, das heißt, ohne Hilfsgerät zu öffnende Dosen.
ίο Es sind bereits Verfahren zum I.Ösen dieses Problems vorgeschlagen worden.
Üblicherweise geht man dabei so vor. daß ein verstärkter Abschnitt eines Kunststofforgans in ein Loch des Deckels jäh eingeklinkt wird. Die auf diese Weise erzielte Dichtigkeit reicht jedoch nicht für unter Druck stehende Füllungen, wie kohlensäurehaltige Getränke aus.
Nach einem anderen bekannten Verfahren wird der Kunststoff an Ort und Stelle unter Druck einüc—
;o formt, oder ein Verformung aus Kunststoff wird in seine endgültige Gestalt gebracht. Beim Spritzgießen ist es schwierig, eine Qualitätsfertigung mit sehr hohen Stückzahlen zu erreichen, wie sie für die Massenproduktion, z. B. von Deckeln für Konservendosen, gefordert wird.
Es sind feiner Verfahren und Vorrichtungen bekannt, mit denen thermoplastische Kunststoffe in plastifizicrtem oder Hüssigem Zustand, unter Verwendung eines Uliraschallgenerators miteinander vcr-
schmolzen werden können, um eine örtlich begrenzte Verschweißung oder Formung zu erhalten. Der schwingende Teil des Ultraschallgenerators, gewöhnlich als Sonotrode bezeichnet, hat eine zum übertragen son Ultraschallschwingungen auf die
,lf) thermoplastische Masse geeignete Gestalt. Eine derartige Behandlung mit infraschall geschieht unter Anwendung von hohen Drücken. Als Beispiel sei ein Verfahren zum Finbei'cn von Teilen in Kunststoffkörper genannt, bei dem auf das einzubettende Teil Ultraschallschwingung^! ausgeübt werden und das Teil dabei in den sich durch die Ultraschailschwingungcn plastifizierenden Kunststoff eingedrückt wird (deutsche Patentschrift 1 296 355).
Wenn man bei Anwendung von Ultraschall die durch Spritzgießen erhaltene thermoplastische Masse örtlich erhitzt, stellt man fest, daß die Qualität des ersten Formungsvorgangs einen Einfluß auf das Endergebnis des Verfahrens hat. Unter konstantem Druck der Sonotrode ergeben die Volumen- und Dichteänderungen sowie die unvermeidlichen Unregelm 'ßigkeiten der geformten Werkstücke, die einer Ultraschallbehandlung unterworfen weiden, eine Variierung der Verschmelzungsbedingungen. Die durch die Sonotrode auf die plastische Masse aufgebrachte äußere Druckkraft ist zwar während der Aufheiz- und Abkühlpcriode konstant. Jedoch verändert sich mit den Änderungen des physikalischen Zusiandcs der thermoplastischen Masse die durch die äußere Druckkraft im Inneren der Masse erzeugte Druckspannung, so daß die erzielten Ergebnisse unkontrollierbar werden, selbst wenn man einen sehr genau und stets mit konstanten Ausgangsgrößen arbeitenden Ultraschallgenerator verwendet: es wird somit unmöglich, den erforderlichen Grad an Dichtheit zu erreichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß eine stets gleich-
bleibende Qualität und Dichtigkeit des KunststolT-organs gegenüber einer oder mehreren Platten oder Folien, die es durchdringt, erzielt wird.
Zur Lösung dieser Autgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung vorgesehen, daß das Kunststofforgan zwei gesonderte Teile umfaßt, und daß diese Teile durch dTe Öffnung hindurch so miteinander verbunden werden, daß der Rand der Öffnung zwischen den Rändern der beiden Teile mit einer definierten Druckkraft eingeklemmt wird, daß die beiden Teile bei zwischen ihnen aufrechterhaltener, durch die Krafteinwirkung erzeugter innerer Spannung durch Ultraschall aufgeheizt werden, wobei eine Ultraschallsonotrode drucklos oder last drucklos auf eines der Teile aufgesetzt ist und daß zur endgültigen Verbindung der Teile diese im wesentlichen nach der Ultraschallaufheizung durch eine zusätzliche Druckkraft ineinandergepreßt werden.
Die zusätzliche Krafteinwirkunu kann unmittelbar vor Beendigung oder unmittelbar nach der Ultraschallbehandlung beginnen.
Hs hat sich gezeigt, daß bei allen auftretenden Veränderungen der Abmessungen, des Volumens und der Dichte der verwendeten Vorformlinge im Ergebnis eine vollkommene Dichtheit infolge einer nahezu automatischen Angleichung an diese Veränderungen mit dem Verfahren nach der Erfindung erzielt werden kanr>.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens nach der Erfindung werden die beiden Krafteinwirkungen durch Verschrauben der beiden Teile des KunststolTorgans mit konstantem Moment aufgebracht, wobei sich die Anzahl der Umdrehungen automatisch an die Abmessungen un.l die Dichte der zu verschraubenden Teile anpaßt.
Vorzugsweise wird der Rand der dicht zu verschließenden öffnung vor dem Einsetzen des KunststolTorgans in die Platte oder Folie hochgezogen, um einen Kragen zu bilden.
Eines der beiden Teile des KunststolTorgans kann vor deren Verbindung mit einer Zentrierschultcr versehen werden.
Eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens ist gekennzeichnet durch eine Schraubvorrichtung, deren Kopf eine mit einem Bereich eines der Teile des Kunstsiofforgans zusammenwirkende Mitnahmevorrichtung aufweist, sowie einen Ultraschallgenerator, dessen schwingender Teil ein Halteglied aufweist, das zum Festhalten des anderen Teils des Kunststofforgans beim Aufbringen einer Kraft auf das eine Teil dient. Ebenso kann natürlich auch der schwingende Teil des Ultraschallgenerators, das heißt die Sonotrode, als Schraubvorrichtung dienen, wobei dann das eine Teil festgehalten wird.
Die Erfindung sowie vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an drei Ausführungsbcispielen näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 einen vertikalen Teilschnitt durch eine Vorrichtung nach der Erfindung vor Beginn des erfindiingsgemäßen Verfahrens.
F i g. 2 einen entsprechenden Teilschnitt während der Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung.
F i g. 3 einen Teilschnitt nach einer der F i g. 1 oder 2 am Ende des Verfahrens nach der Erfindung.
F i g. 4 bis 6 in den F i g. 1 bis 3 entsprechenden Tcilsclinitten ein abuewandcltcs Kunststofforaan und F i g. 7 in einem der Fig.! bis 6 entsprechenden Teilschnitt die Anwendung eines Kunststofforgans für die Verbindung von zwei Metallplatten.
Das in den F i g. 1 bis 3 dargestellte erste Ausführungsbeispiel zeigt die Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung zur Befestigung eines Verschlußstücks »zum leichten öffnen'· mit einem aul der Außenseite eines Deckels vorgesehenen Griffstiick und einer auf der Innenseite des Deckels vorgesehenen Lippe, die ein Öffnen des Behälters ermöglichen. Das Kunststofforgan kann z. B. aus einem Polyolefin, ζ. B. Niederdruck-Polyäthylen. Polypropylen od. dgl.. hergestellt werden.
Gemäß der Erfindung ist das Verschlußstück von zwei Teilen Γ und 1" gebildet, wobei das erste
Teil Γ das Griffstück 2 trägt, während das zweite Teil 1" mit der einziehbaren Lippe 3 auf der Innen-
-iie des Behälters versehen ist. dessen Decke! 4'
nur teilweise gezeigt isi Alle Arbeit^chriue am Deckel werden \or dessen i-'.erb- oiler Quench1.erbindung mit dem Behälter ausgeführt.
Die in dem Deckel 4 vorgesehene öffnung 5 ist von einem Kragen 6 umgeben, der die Haftung de Ver- \chlußstückN im Falle einer zufälligen Verformung des Deckels \erstärkt.
Zum besseren Verständnis der nur schematischen Zeichnungen sei erwähnt, daß die Stärke der Deckelplatte 4 (ungefähr 0.25 mim und die Höhe des Kragens 6 (ungefähr 0.5 mm) stark vergrößert bezüglich
der Abmessungen des Verschlußstücks bzw. des Kunststofforgans dargestellt sind, welches in den F i g. 1 bis 3 angenähert in wahrer Größe gezeigt ist. Die beiden Teile Γ und 1" des Organs sind ineinander mit Hilfe der Schraubgewinde 7' und 7" verschraubbar.
Um das Einschrauben zu er'eichtern. sind an den Außenflächen der beiden Teile Γ und 1" Gegenhaltefiächcn 8 und 9 vorgesehen, die in dem gezeigten Beispiel polygonal ausgebildet sind.
Die Gegenhaltefläche 9 wirkt mit einer Mitnahmevorrichtung 10 am Kopf der Schraubvorrichtung 11 zusammen, während u:e Gegenhaltefiächc 8 des anderen Teils zur Aufnahme eines Haltcglieds 12 gestaltet ist. das am Kopf der Sonotrode 13 einer Ultraschall-Schweißvorrichtung angeordnet ist.
F i g. 1 zeigt die Schraubvorrichtung 11 und die Sonotrode 13 im Abstai.d von den entsprechenden Teilen Γ und 1" des Kunststofforgans und diese wiederum im Abstand voneinander und von der Öffnung 5. in welcher das Kunststofforgan befestigt werden soll.
Das TjH 1" ist über der Mitnahmevorrichtung 10 der Schraubvorrichtung 11 derart angeordnet, daß die Gegenhaltefiächen 9 mit dieser ausgerichtet sind und der Deckel 4 sich darüber befindet. Darauf werden die Schraubvorrichtung 11 und die Sonotrode 13 einander genähert, und zwar im allgemeinen durch eine Abwärtsbewegung der letzteren.
Zu einem ersten Verspannen werden die mit Gewinde versehenen Teile Γ und 1" mit einem definierten Drehmoment gegeneinander angezogen, bis die Teile Γ und 1" an dem Kragen der Öffnung mit einer dem Anzugsdrehmoment entsprechenden Druckkraft anliegen. Das Anzugsdrehmoment darf bei diesem
ersten Verspannen nicht zu groß gewählt werden, damit die Schwingungsfähigkeit der Anordnung und insbesondere des Deckels nicht unterdrückt wird.
Wenn am Ende dieses ersten Verspannens die in
5 6
F i g. 2 dargestellte Lage erreicht ist. wird der Ultra- Frequenz F 4 und einer Amplitude /) 4 auf die plasti·
schallgenerator mit einer in Abhängigkeit von den sehe Masse zurückgetragen. Die beiden zuletzt gc
Eigenschaften der zu verbindenden Körper, ihrer nannten Parameter sind je nach physikalischen
Form und ihres Volumens gewählten Frequenz, z. B. Zustand der Masse im Laufe ihrer Behandlung unter
20 kHz mit einer Amplitude von 25 Micron für 5 schiedlich groß.
Werkstücke aus Polypropylen, eingeschaltet. Die er- Gemäß der Erfindung wird während der Aufzeugte Schwingung wird auf das Teil 1' und von heizungsperiode durch Ultraschall die zwischen der diesem auf den Deckel übertragen, dessen Kragen Teilen Γ und I" durch das Aufbringen des erster auf Grund der Aufweichung desjenigen Abschnitts Drehomcnts erzeugte Spannung zwischen den Teiler der plastischen Masse, der mit dem Metalldeckel in io durch Beibehalten dieses über die Schraubvorrichtunj Berührung steht, in das Teil 1' eindringt. 11 bzw. 103, 104 aufgebrachten Drehmoments odei
Am Ende der Umformungsphase mittels Ultra- — bei fehlendem Kragen 6 — allein auf Grund dei schall wird vor Abkühlen der plastischen Masse ein durch dieses erste Drehmoment erzeugten Reibung weiteres Drehmoment genau bestimmter Größe auf in den Gewindegängen aufrechterhalten,
die beiden Teile aufgebracht, wodurch die Vereini- 15 Wenn während der Ultraschalleinwirkung keine gung der beiden Teile vollendet wird. Es ist nicht mechanische Spannung zwischen den Teilen 1', Γ ausgeschlossen, den zweiten Anziehvorgang vor dem bzw. 101', 101" herrschen würde, müßte das Ein-Ende der Aufheizphase mit Ultraschall beginnen zu dringen des Kragens durch von der Sonotrode auslassen, geübten Druck erzeugt werden. Das hätte, wie schon
171S-S zeigt den Endzustand, bei dem das Kunst- ao angedeutet, eine beträchtliche Veränderung der Wir·
roan mit dem Deckel verbunden ist. ' '-- ™
g chtliche Veränderung der Wir
ΙΑ", T κ T ? κRunden ist. kung des Ultraschalls während dessen Anwendung*-
De dre Arbe.tsphasen Krafteinwirkung - Ultra- phase und während der Abkühlungsphase zur Folge schalle.nwirkung - Krafte.nw.rkung geschehen in Außerdem bringt ein zu starker Druck der Sonotrode sehr schneller Reihenfolge in der Größenordnung des die Gefahr mit sich, die zur Durchführung des Vcr-
^L^J^^*J^^L· CrfOrdClih Shi
^^P^^^ ist in den Fig.4 ^s^^l^^SL^^^ bis 6 dargestellt, die stark vergrößert ein abgewandel- des thermoplastik™ Mo7.1i. Zllf™?™ ·- i
SÄlfarSteIIen' daS mk einer Platte VerbUnden 30 rührun§szone 108 an d^7 S^V^BTün^ng mii
Die beiden Teile dieses Kunststofforgans haben SichcnTr £i|Ä ^ *? übri^n. Ra"d"
die Form von Schraube 101' und MutteflOl". Die zwsehenden zu ν!£77 J-"? RcinigUni
Schraube 101' wird mittels Haltestiften 102 festgehal- echt Außerdem er Γκί^Λ I "'T"'
ten, die an der Ultraschall-Sonotrode 103 angeord- 35 Indrinöen des nlaS cLn m", " °a- ein.s.Ich<T
net sind. Die Mitnahme der Mutter 101" wird durch * pischeUnctÄn de? £St Ιϊ*ί ^
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net sind. Die Mitnahme der Mutter 101 wird durch pischeUnctÄn de? £St
Mitnehmer 104 am Kopf der Schraubvorrichtung be- Besinn de? Hafuml ™ νι ί ΪΪγ^,-Τ
wirkt. Die Mutter 101" hat eine Zentrierschulter 106. s.ön diese VeSchSβ1»ηΓΐK H S?Iieß"dl «' h die dazu dient, das Kunststofforgan genau zentrisch in des Ku"s?stofforean TA 1 I Γ Zuf mme"haIt der öffnung 5 anzuordnen. 40 BcamZch™«I \ ϊ· Aufhebun8 der außerc11
D Vfhblf i bi di 4° Α^Α ί ^^
Der Verfahrensablauf ist bei diesem Beispiel aus- ΒμκΑ^Α ί TT ΤΓΤ
gehend von dem Zustand dargestellt, in dem die bei- Nlassc XräkferisÄp Ti, / P ? ^
den Teile 101' und 101" de:; Kunststofforeans gerade c ereib Teh ^W Schrumpfungen fort und
die Platte 4 und den Kragen 6 berühren und gerade Ano dm „c ΐΐ WrSnTSLfS H η T U
die mechanische Krafteiik dh Z ch' nicht I f £ §r Uascha]h ™1™ΪΧ
rken der Gewindegänge 107 und 107 bis zur Be bin T HIe de liG
rührung der beiden Teile mit dem Deckel stattgefun- Durch LS
den hat (F i 4) S
d d Kragen 6 berühren und gerade Ano dm „c ΐΐ WrSnTSLfS H η T die mechanische Krafteinwirkung durch Zusammen- 45 ,ich icd ch' nicht I f £ §r ■ α Uascha]h ™1™Ϊ wirken der Gewindegänge 107' und 107" bis zur Be- bin T HIe des K;lti%GeWind??a"8e' » daß Ü1 rührung der beiden Teile mit dem Deckel stattgefun- Durch LStteWhiH^^L '^ Wei'
den hat (F i g 4) d S ? 8 er Abmessungen der bc
rührung der beiden Teile mit dem Deckel stattgefun- Durch LStteWhiH^L
den hat (F i g. 4). den S ? ι· 8 er Abmessungen der bci-
™^ 1*" d d Abitbdi
en hat (F i g. 4). den S ? ι· 8 Abmessungen der bci In diesem Zeitpunkt wird der Ultraschallgenerator suneen bei der™^ ht1*"* U"d der Arbeitsbedin" eingeschaltet. Infolge der erzeugten Schwingung er- 5„ fedcfch wahl we U I^ T ,?, m?*scifl ,kan" zeugt der Kragen eine Reibung an dem damit zusam- zwischen Sn r .au,ch..die Iokale Verschmelzung menwirkenden Abschnitt der Schraube 101', wobei zieh werden Gewindeg.an8en d^r beiden Teile ersieh dieser Abschnitt in der Berührungszone 108 zwi- hindern. ^" Gewindes zu verschen Schraube und Kragen zu erweichen beginnt. Wenn ni* · c·
Da aus Schraube 101' und Mutter 101' unter Span- 5, das hPißt '" I" feze'Ste Stellung erreicht ist.
nung stehen, kann der Kragen 6 in den Kopf der Schrank in^""· Z agen 6 in den KoPf der
Schraube 101'eindringen. sSJaC e'ng«lningen ist. %vird der Ultra-
S^T ΪΓΐ'*? d di Shbih
dg sSJaC
Der mit einer konstanten Frequenz F1 und Am- tune S^mT ΐΪΓΐ'*? Und die Schraubvorrichplitude/11 arbeitende, unter Berührungsdruck dringen dpA'rJl drehmoment auf. um das Einreibst wenn dieser klein ist) mit dem Kopf der 6o zeitif ohne*\?aT™1 6 ^vollständigen und gleich-Schraube 101' stehende Ultraschallgenerator erzeugt len der erJ?L™ V* Hilfsmaßnahme ein Abkühim Inneren der plastischen Masse der Schraube eine ansnruchunsrT ΐΤ6 U"ter hoher innerer Be" Schwingung mit einer mittleren Frequenz F 2 und Das VerfahrpJγΊ! rl,eist!?·
einer mittleren Amplitude^ 2. Der Schraubenkopf die Vereinimin · Erfindung kann auch auf
überträgt diese Schwingung auf die Metallplatte, die 65 oder ΜεΐΑη,Γ'?™ ^"^nderliegender Folien ihrerseits mit einer Frequenz F 3 und einer Amplitude stoffcman« »ή« α OO mittels eines Kunst"
A 3 zu schwingen beginnt. Diese Schwingungen wer- £Tesem^f, 1 "*?? ^ '* g" 7^
den schlicBüch im wesentlichen bei 108 mit einer eine Srh™,h im? tlmfa& das Kuaststofforgar.
eine acnraube 201 uüd eine mit einem Rlindloch
versehene Mutter 201". wobei die crstere mittels Haltestiften 202 der Sonotrode gehalten wird und die Mutter durch Mitnehmer 204 am Kopf 205 der Schraubvorrichtung verdreht wird. Bei diesem Beispiel ist an der Schraube 201' eine Zentrierschultcr 206 vorgesehen.
Die Anwendung der Erfindung ist nicht allein auf die Deckel von Konservendosen beschränkt. Sie kann auf Platten und Folien aller An wie auch auf Hohlkörper angewendet werden, wie sie in der Verpakkungsindustric oder in anderen technischen Gebieten verwendet werden.
Obwohl die beschriebenen Beispiele sich sämtlich auf die Verbindung eines Kunststollorgans mit einer Metallplatte oder Folie bezichen, ist die Erfindung nicht auf eine solche Paarung beschränkt: das Metal! kann z. B. durch ein oder mehrere Teile aus Kunststoff ersetzt sein, die einen Erweichungspunkt haben, der sich von demjenigen des diese Teile durchdringenden Kunststofforgans wesentlich unterscheidet Dasselbe gilt auch für aus verschiedenen Materialien ίο bestehenden Platten. In allen diesen Fällen ist es auch möglich, die Verbindungsorgane als Nieten zur Verbindung einer oder mehrerer Platten auszubilden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum hermetisch abdichtenden Befestigen eines Kunststofforgans in einer in einer Platte oder starren Folie vorgesehenen öffnung, dadurch gekennzeichnet, daß das KunststolTorgan zwei gesonderte Teile (1', 1"; 101', 101": 201', 201") umfaßt, und daß diese Teile durch die Öffnung (5) hindurch so miteinander verbunden werden, daß der Rand (6) der öffnung zwischen den Rändern der beiden Teile mit einer definierten Druckkraft eingeklemmt wird, daß die beiden Teile bei zwischen ihnen aufrechterhaltener, durch die Krafteinwirkung erzeugter innerer Spannung durch Ultraschall aufgeheizt werden, wobei eine Ultraschal !sonotrode drucklos oder fast drucklos auf eines der Teile aufgesetzt ist und daß zur endgültigen Verbindung der Teile diese i:ii wesentlichen nach der Ultraschallaufliei/ung durch eine zusätzliche Druckkraft ineinimdergepreßt werden.
2. Verführen nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß ih: zusätzliche Krafteinwirkung unmittelbar nach der Ultraschallbehandlung beginnt.
3. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die zii-.i'.tzliche Krafteinwirkung unmittelbar vor Beendigung der Ultraschallbehandlung beginnt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Krafteinwirkiiimen durch Verschraubcn der beiden TdIe(I'. 1": 101', .01": 201'. 201") des Kunststofforgans mit jeweils konstantem Moment aufgebracht werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß der Rand (6) der dicht zu verschließenden Öffnung (5) vor dem Einsetzen des Kunststofforgans hochgezogen wird, um einen Kragen zu bilden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß eines der beiden Teile (lof, 101": 20Γ 201") des Kunststofforgans vor deren Verbindung mit einer Zentrierschulter (106, 206) verschen wird.
7. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche ' bis 4. gekennzeichnet durch eine Schreibvorrichtung (11: 105: 205). deren Kopf eine mit einem Bereich (9) eines (1": 101": 201"), der Teile (1'. 1": 101', 101": 20Γ, 201") des Kunststofforgans zusammenwirkenden Mitnahmevorrichtung (10: !04: 204) aufweist, sowie einen Ultraschallgenerator (13: 103. 203). dessen schwingender Teil ein Halteglied (12: 102: 202) aufweist, das zum Festhalten des anderen Teils (V, 101': 201) des KunststofTormins beim Aufbrinqen einer Kraft auf das eine TdT(I": 101"; 201")"dient.
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