DE2630343A1

DE2630343A1 - Selbstschneidende einsatzbuechse

Info

Publication number: DE2630343A1
Application number: DE19762630343
Authority: DE
Inventors: Jun Theodore Ziaylek
Original assignee: Yardley Products Corp
Current assignee: Yardley Products Corp
Priority date: 1975-07-08
Filing date: 1976-07-06
Publication date: 1977-01-20
Also published as: JPS586085B2; FR2330900B1; US4003287A; DE2630343C2; GB1545626A; FR2330900A1; JPS529761A

Description

PATENTANWÄLTE: MENGES & PRAHL 2630343

Erhardtstrasse 12, D-8000 München 5

Patentanwälte Menges & Prahl, Erhardtstr. 12, D-8000 München 5 Dipl.-Ing. Rolf Menges

Dipl.-Chem.Dr. Horst Prahl

Telefon (089) 26 3847 Telex 529581 BIPATd Telegramm BIPAT München

IhrZeichen/Yöur ref.

Unser Zeichen/Ourref. Y

Datum/Data

Β. J'jii 1376

YARDLEY PRODUCTS CORPORATION Yardley, Pennsylvania, V. St. A.

Selbstschneidende Einsatzbuchse

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf metallische Befestigungselemente und betrifft insbesondere Einsatzbüchsen, welche sich beim Einschrauben in ein in einem Werkstück gebildetes Loch ihr Gewinde selbst schneiden.

Metalleinsatzbüchsen werden häufig in verschiedene Kunststoffmater ialien eingebettet, um Vorrichtungen zur Aufnahme passender Befestigungselemente zu schaffen. Zu diesem Zweck ist eine zylindrische Einsatzbuchse, die eine Gewindebohrung aufweist,

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üblicherweise so ausgebildet, daß sie, wenn sie in eine in der Oberfläche eines Kunststoffwerkstückes gebildete Ausnehmung eingebettet ist, auf diese Weise ein Loch oder eine Ausnehmung mit metallischem Innengewinde bildet, das ein an einem passenden Befestigungselement gebildetes komplementäres Gewinde aufnehmen kann.

Die Erfindung fällt somit allgemein in das Gebiet der Befestigungselemente und insbesondere in denjenigen Bereich dieses Gesamtgebietes, der sich auf die Schaffung metallischer Befestigungselemente bezieht, die fest in die Oberflächen von Kunststoffwerkstücken eingebettet sind.

Metallische Einsatzbüchsen der oben beschriebenen Art sind an und für sich bekannt. In vielen Fällen haben sie Außengewinde, damit sie sich ihr Gewinde beim Einschrauben in ein am Anfang mit glatter Wand versehenes Loch eines Kunststoffwerkstückes selbst schneiden. Selbstschneidende Einsatzbüchsen sind somit an und für sich nicht neu. Es ist auch nicht neu, eine Einsatzbüchse dieser Art mit gleichmäßig winkelversetzten Rillen oder Nuten zu versehen. Außerdem ist es bekannt, die Enden einer Einsatzbüchse dieser Art konisch auszubilden.

Im Stand der Technik gibt es jedoch bislang keine vollkommen zufriedenstellende Lösung der Probleme, die bei der Herstellung und Montage von Gewindebüchsen dieser allgemeinen Art auftreten· Bei den bekannten Gewindebüchsen sind beispielsweise die

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Rillen so ausgelegt, daß sie Späne aufnehmen, die sich durch die Schneidwirkung des Gewindes der Büchse ergeben, wenn sich die Gewindebüchse in dem Loch des Kunststoffwerkstückes ihr Gewinde schneidet.

Obgleich bei den bekannten Einsatzbüchsen durch die Schaffung der Rillen an winkelversetzten Stellen auf ihren Umfangen bis zu einem gewissen Grad eine Aufnahmemöglichkeit für die Späne von dem Werkstück vorhanden ist, hat es sich gezeigt, daß die Spanaufnahmefunktion der Einsatzbüchsen bislang ziemlich unzulänglich erfüllt wird. Der Grund liegt darin, daß es bislang keine spezielle, wissenschaftlich geplante Beziehung zwischen den Rillentiefen, den Querschnittsformen der Rillen, den konischen Enden der Einsatzbüchse und dem Verhältnis der Rillengrundflächen zu dem Gewindekern gibt, durch die die Späne veranlaßt werden, · eine echte Selbstverriegelungswirkung zu erzeugen, wenn die Einsatzbüchse voll in das Werkstück eingeschraubt ist.

Wie oben bereits erwähnt, ist es nicht neu, selbstschneidende Einsatzbüchsen mit Außengewinde zu schaffen, die mit winkel— versetzten Längsrillen versehen sind.

Gemäß der Erfindung wird diese bereits bekannte grundlegende Einsatzbüchsenkonstruktion derart weitergebildet, daß eine spezielle Beziehung und Form für die verschiedenen Grund.-bestandteile einer Rille dieser Art geschaffen wird. Erfindungsgemäß läßt man, kurz gesagt, die Enden jeder Rille in die

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kegelstumpfförmig verjüngten Teile der Einsatzbüchse an Stellen kurz vor den Enden der Einsatzbuchse einmünden, und in Kombination mit diesem Merkmal wird die Einsatzbüchse so ausgebildet, daß ihre Rillen ebene Grundflächen und ebene Seitenflächen haben, wobei die Seitenflächen einen Winkel von

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angenähert 60 miteinander bilden.

Die Konstruktion ist so getroffen, daß, wenn die Einsatzbüchse in ein Loch eingeschraubt wird, dessen Durchmesser nicht größer ist als der des konischen Einsatzbüchsenteils, wo die Rillen enden, sämtliche Späne, die von dem Kunststoffmaterial abgeschnitten werden, wenn sich die Einsatzbuchse beim Einschrauben ihr Gewinde selbst schneidet, in den Rillen eingeschlossen werden. Die Konstruktion bewirkt außerdem, daß die Späne schließlich innerhalb jeder Rille zu einer fest zusammenhängenden, kompakten Masse zusammengedrückt werden, so daß aus dieser Masse ein integraler Bestandteil des umgebenden, uugeschnittenen Werkstückmaterials wird. Das wird durch die oben bereits angegebenen Merkmale erreicht, zusammen mit der weiteren Maßnahme, daß die Rillen bis in eine Tiefe gebildet.werden, die größer als der Kerndurchmesser des Außengewindes der Einsatzbüchse ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 teilweise im Schnitt und teilweise in

Seitenansicht einen Teil einer Einsatzbuchse und eines Werkstückes, wobei die Einsatzbüchse teilweise in das Werkstück eingeschraubt ist,

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Fig. 2 einen Querschnitt durch die Einsatzbuchse,

im wesentlichen auf der Linie 2-2 von Fig. 1,

Fig. 3 eine Ansicht, welche einen Teil des Werk

stückes im Schnitt zeigt, wobei eine Einsatzbuchse nach der Erfindung vor dem Eindringen in die Ausnehmung dargestellt ist,

Fig. 4 eine Ansicht der Einsatzbuchse und des

Werkstückes von der Linie 4-4 in Fig. aus,

Fig. 5 eine gleiche Ansicht wie in Fig. 3,

wobei jedoch die Einsatzbuchse in die Ausnehmung eingedrungen ist,

Fig. 6 eine Ansicht der Einsatzbüchse von der

Linie 6-6 in Fig. 5 aus,

Fig. 7 eine ähnliche Ansicht wie in Fig. 3, wo

bei sich jedoch die Einsatzbuchse selbst weiter in die Ausnehmung eingeschnitten hat,

Fig. 8 eine Ansicht der Einsatzbüchse von der

Linie 8-8 in Fig. 7 aus,

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Fig. 9 eine gleiche Ansicht wie in Fig. 3, in

welcher jedoch die Einsatzbuchse voll in die Ausnehmung eingeschraubt worden ist, und

Fig. 10 einen Querschnitt durch die Einsatzbuchse

und das Werkstück im wesentlichen auf der Linie 10-10 von Fig. 9.

Die Einsatzbuchse 10 nach der Erfindung ist zusammen mit einem Kunststoffwerkstück W dargestellt, das eine zylindrische Ausnehmung R hat, die sich von seiner Oberfläche aus nach innen erstreckt und zur Aufnahme der Einsatzbuchse dient.

Die Einsatzbuchse 10 ist in einer bevorzugten Ausführungsform *aus Metall und hat einen zylindrischen, langgestreckten Körper 12, der mit einer axialen Gewindebohrung 14 versehen ist, die zur Aufnahme eines passenden Gewindes eines nicht dargestellten komplementären Befestigungselements dient.

Es dürfte klar sein, daß es keiner besonderen Veranschaulichung bedarf, daß die Einsatzbüchse, statt mit einer Innengewindebohrung versehen zu sein, auch mit einem Bolzengewinde versehen sein könnte, d.h. mit einem mit Außengewinde versehenen Ansatz mit geringerem Durchmesser als der Hauptdurchmesser des Einsatzbüchsenkörpers, wobei der Ansatz von der Oberfläche des Werkstückes nach außen vorstehen würde, wenn die Einsatzbuchse voll in das Werkstück eingeschraubt wäre. Die Erfindung befaßt

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sich somit nicht mit den Vorrichtungen zur Aufnahme komplementärer Befestigungselemente und diese können, je nach Bedarf, mit Außen- oder Innengewinde versehen sein. Die Erfindung befaßt sich stattdessen mit den Mitteln, mit denen die Einsatzbuchse versehen ist, damit sie von der Ausnehmung R des Werkstückes W aufgenommen werden kann.

Zu diesem Zweck wird die Einsatzbuchse mit Außengewinden 16 versehen, die je nach den Bedürfnissen oder Wünschen des Benutzers von verschiedener Art sein können und verschiedene Steigungen und Größen haben können. In dem dargestellten Beispiel ist die Einsatzbuchse mit dem nationalen amerikanischen Normgewinde dargestellt. Das dient jedoch nur zur Veranschaulichung und ist für die erfolgreiche Durchführung der Erfindung unkritisch.

Es sei außerdem angemerkt, daß in dem dargestellten Beispiel das Gewinde 16 der Einsatzbüchse etwa übertrieben groß dargestellt worden ist, um das Prinzip der Erfindung deutlicher zu machen. In einer kommerziellen Ausführungsform hätte es sehr wahrscheinlich bezüglich des Durchmessers R der Ausnehmung des Werkstückes einen kleineren Hauptdurchmesser.

In der dargestellten Ausführungsform sind drei Rillen vorgesehen, die gleichmäßig winkel versetzt auf dem Umfang der Einsatzbuchse angeordnet sind. Die Rillen sind mit 18 bezeichnet und jede Rille ist mit einer ebenen Grundfläche 20 und mit. ebenen Seitenflächen 22 versehen, die zwischen sich einen Winkel

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von 60 einschließen. In Fig. 1 erstrecken sich die Rillen in Längsrichtung der Einsatzbuchse und das Ende 26 jeder Rille ist kurz vor dem benachbarten Ende 27 des Einsatzbüchsenkörpers angeordnet.

Die entgegengesetzten Endteile 28 des Einsatzbüchsenkörpers sind kegelstumpfförmig ausgebildet. Jeder Endteil 28 ist so konisch zulaufend, daß eine Ebene A~A, die zu ihm tangential ist und mit dem Kegel winkel des Endteils zusammenfällt, die Ebene B-B jeder Grundfläche 20 einer Rille 18 zwischen dem Ende 26 der Einsatzbuchse und einer Ebene C-C schneidet, die zu dem Durchmesser des Mittelteils 30 der Einsatzbuchse tangential ist. Infolgedessen mündet jede Rille in die kegelstumpfförmigen Endteile 28 in kurzen Entfernungen von den benachbarten Enden 27 des Einsatzbüchsenkörpers ein.

Es ist außerdem bedeutsam, daß, wie insbesondere in Fig. 2 gezeigt, der Kerndurchmesser des Außengewindes 16 mehr als doppelt so groß ist wie der radiale Abstand D zwischen dem Zentrum der Einsatzbüchse und irgendeiner der Grundflächen der Rillen. Die Tiefe jeder Rille ist also größer als die Tiefe des Gewindes 16.

Im Gebrauch der Einsatzbuchse nach der Erfindung wird üblicherweise zuerst eine Ausnehmung R in dem Werkstück W hergestellt. Die Ausnehmung kann durch Pressen gebildet werden oder aber

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im Anschluß an die Herstellung des Werkstückes in dasselbe gebohrt werden. In jedem Fall wird die Einsatzbuchse in die Ausnehmung R mit Hilfe irgendeines geeigneten bekannten Werkzeuges (nicht dargestellQeingeschraubt.

Der Durchmesser der Ausnehmung R des Werkstückes wird, wenn die Einsatzbüchse nach der Erfindung benutzt wird, größer gewählt als der Durchmesser des Endes 27 der Einsatzbuchse, gleich oder kleiner als der Durchmesser des gedachten Kreises, zu welchem die Grundflächen 20 tangential sind, und kleiner als der Hauptdurchmesser MD des Gewindes 16, irgendwo auf der Länge des Zwischenteils 30 der Einsatzbuchse 10 genommen.

Wenn sich die Einsatzbuchse unter Selbstschneidung ihres Gewindes in die Ausnehmung R einschraubt, bildet ihr mit geringerem Durchmesser versehenes Ende 27 eine Führung zum Zentrieren der Einsatzbüchse innerhalb der Ausnehmung. Durch fortgesetzte Axial- und Drehbewegung der Einsatzbüchse von der Stellung in Fig. 3 in die Stellung in Fig. 5 wird die Hinterkante 34 der Rille neben ihrem benachbarten Ende 26 (vgl. Fig. 1) veranlaßt, die Wand der Ausnehmung R wegzuschneiden, so daß sich ein spiralförmiger Span C zu bilden beginnt (vgl. Fig. 6).

Da der radiale Abstand D zwischen der Fläche 20 jeder Rille und dem Zentrum oder der Achse der Einsatzbüchse gleich oder größer als der Radius der Ausnehmung R ist (in dem betrachteten Beispiel ist er gleich dem Radius), können die Späne C nicht aus

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den Rillen in die Ausnehmung R entweichen, d.h. die Späne können nicht auf den Grund der Ausnehmung fallen, sondern werden statt dessen in den Rillen gehalten. Die Späne erhalten somit einen Druck axial zu der Einsatzbüchse, wenn diese weiter in die Ausnehmung eingeschraubt wird und nun durch den begrenzten Bereich 36 hindurchgeht, der zwischen der Grundfläche 20 der Rille und dem Kerndurchmesser RD des Gewindes 16 liegt. Diese begrenzten Bereiche treten zwischen benachbarten Vertiefungen 38 auf, die innerhalb der Rillen durch die Gewindescheitel gebildet sind.

Infolgedessen werden bei fortgesetztem Einschrauben der Einsatzbuchse in die Ausnehmung mehr und mehr Späne gebildet, wenn aufeinanderfolgende Flanken 40, 42 (vgl. Fig. 1) mit der Wand der Ausnehmung in Berührung kommen und die Wand wegschneiden.

Das Spanmaterial, das von der Wand der Ausnehmung abgetragen worden ist, um die Gewinde der selbstschneidenden Einsatzbuchse aufzunehmen, wird sämtlich innerhalb der Rillen gehalten, und zwar aufgrund der Tatsache, daß die Vordei— flanken der Rillen aufgrund der Beziehung des Radius der Ausnehmung R zu dem radialen Abstand D geschlossen sind, der, wie oben erwähnt, so gewählt ist, daß er gleich oder kleiner als der radiale Abstand ist.

Fortgesetztes Einschrauben der Gewindebuchse in die Ausnehmung bringt schließlich den Mittelteil 30 derselben (vgl. Fig. 7) in die Ausnehmung, wobei zusätzliches Material von der Wand der Ausnehmung weggeschnitten wird, wenn das Gewinde eindringt.

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In dieser Beziehung hat es sich in der Praxis gezeigt, daß die besondere Winkelform jeder Rille, betrachtet man dieselbe im Querschnitt, äußerst erwünscht ist, um das von dem Werkstück weggeschnittene Material zu veranlassen, sich spiralförmig zu krümmen, wodurch das abgetragene Material besser verdichtet wird. Infolgedessen wird das abgetragene Material einem verfestigenden Druck ausgesetzt, so daß schließlich innerhalb jeder Rille eine sehr dichte, äußerst kompakte Masse geschaffen wird, deren Dichte ihr Maximum erreicht, wenn die Einsatzbüchse vollständig in die Ausnehmung eingeschraubt ist, wie in Fig. 9 gezeigt. Während des gesamten Gewindeschneidvorganges wirken die Begrenzungsbereiche 36 sozusagen als Rückschlagventile, die den Spänen gestatten, sich über die gesamte Länge der Rille zu bewegen, bis sie schließlich die Rille bis zu ihrem hinteren Ende vollständig ausfüllen.

Dieser Strom des Spänematerials ist jedoch nicht so frei, daß er die Verdichtung und Zusammendrückung des Material innerhalb der Rille verhindert. An ihren hinteren Enden sind die Rillen im wesentlichen geschlossen und sie sind selbstverständlich, wie bereits erwähnt, an ihren vorderen Enden vollständig geschlossen, so daß durch Wahl des Verhältnisses der Querschnittsabmessungen jeder Rille zu dem Durchmesser der Ausnehmung und der Gewindegröße die Menge an Spänematerial vorherbestimmt werden kann, die in den verschiedenen Rillen eingeschlossen wird. Das gestattet eine Vorausbestimmung des Ausmaßes der Verdichtung oder Zusammendrückung des innerhalb der Rillen

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in der oben beschriebenen Weise eingeschlossenen Materials. Das Endergebnis besteht darin, daß, wenn die Einsatzbuchse vollständig in die Ausnehmung eingeschraubt ist, das verdichtete Material (vgl. Fig. 10) eine Dichte hat, die der Dichte des die Ausnehmung umgebenden eigentlichen Werkstückes entspricht oder nahekommt, wodurch das Spänematerial somit praktisch mit dem umgebenden Material eins wird. Dadurch wird eine äußerst wirksame Verriegelung geschaffen, durch die die Einsatzbuchse fest in die Ausnehmung R eingebettet wird, um eine Drehbewegung der Einsatzbuchse in jeder Richtung zu verhindern, nachdem sie vollständig in die Ausnehmung eingeschraubt worden ist. Das ist selbstverständlich von großer Bedeutung, da die Einsatzbuchse anschließend als ein Teil einer Schraub— befestigung dient und ihre Fähigkeit, diese Funktion zu erfüllen, verlieren würde, wenn sie sich innerhalb der Ausnehmung drehen könnte.

Die besondere Gesamtlänge der Einsatzbuchse, die Länge des Zwischenteils in Beziehung zu den Längen der kegelstumpfförmigen Eridteile, die Gewindegröße und die Rillenzahl können selbstverständlich entsprechend dem besonderen Anwendungsfall zwar geändert werden, aber in jedem Fall ist es das Kennzeichen der Erfindung, das die durch den selbstschneidenden Gewindeeinsatz abgetragenen Späne in den Rillen in einem Ausmaß zusammengedrängt werden, daß die Späne verdichtet und unter starken Druck gesetzt werden, bis ihre Dichte dazu führt, daß die Späne praktisch mit dem umgebenden Material eins werden und damit eine wirksame Verriegelung schaffen, die bislang nicht erreicht worden ist.

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Claims

Patentansprüche:

y Selbstschneidende Einsatzbüchse, die zur Aufnahme in einer Ausnehmung in einem Kunststoffgegenstand bestimmt ist und Mittel hat, die mit einem komplementären Befestigungselennent zusammenpassen, gekennzeichnet durch einen zylindrischen Körper, der mit Außengewinde sowie mit einer Reihe von auf seinem Umfang winkelversetzten Rillen und mit konischen Endteilen versehen ist, in die die Rillen kurz vor den Enden des Körpers münden, wodurch beim Einschrauben der Einsatzbüchse in eine Ausnehmung, deren Radius kleiner ist als der zwischen der Achse des Körpers und dem Punkt größter Tiefe einer Rille gemessene radiale Abstand, Späne, die durch das Gewinde der Einsatzbüchse abgetragen werden, in den Rillen gehalten und verdichtet werden, um die Einsatzbüchse in der Ausnehmung zu verriegeln.
2. Einsatzbüchse nach Anspruch 1 ,dadurch gekennzeichnet, daß die Endteile kegelstumpfförmig sind.
3. Einsatzbüchse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der radiale Abstand kleiner ist als der Radius des Kerns des Außengewindes.
4. Einsatzbüchse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Gewinde über die volle Länge der Rillen erstreckt.

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5. Einsatzbüchse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Rille eine ebene Grundfläche und ebene Seitenflächen hat.
6. Einsatzbuchse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Rille eine ebene Grundfläche und unter einem Winkel zueinander angeordnete Seitenflächen hat.
7. Einsatzbüchse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Rille eine ebene Grundfläche hat, die in einer zu der Längsachse des Einsatzbüchsenkörpers parallelen Ebene liegt, und ebene Seitenflächen, die in bezug auf die Grundfläche symmetrisch angeordnet sind und zwischen sich einen

schließen.

ο sich einen Winkel in der Größenordnung von etwa 60 ein—
8. Einsatzbuchse nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Körper einen Zwischenteil mit über seiner gesamten Länge konstantem Durchmesser hat und mit kegelstumpfförmigen Endteilen versehen ist, die sich in einer Richtung weg von dem Zwischenteil verjüngen, daß der Zwischenteil mit Außengewinde versehen ist, das sich über einen Teil der Länge der Endteile fortsetzt, daß der Kerndurchmesser des Gewindes größer ist als der der kleineren Enden der Endteile, aber kleiner als der Durchmesser der größeren Enden der Endteile, daß die Rillen ebene Grundflächen haben, die in einer radialen Entfernung von der Achse des Körpers angeordnet sind, welche

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kleiner ist als der Abstand, um den der Gewindekern von der Achse entfernt ist, und außerdem kleiner als die radiale Abmessung der größeren Enden der Endteile des Körpers, und daß der radiale Abstand zwischen der Achse des Körpers und den Grundflächen der Rillen größer ist als die radiale Abmessung der kleineren Enden der Endteile.
9. Einsatzbüchse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Kern des Gewindes ebene Flächen vorgesehen sind, die mit den Grundflächen der Rillen zusammenwirken, um Begrenzungsbereiche zu bilden, durch welche in den Rillen eingeschlossene Späne hindurchgehen können.
10. Einsatzbüchse nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheitel des Gewindes auf entgegengesetzten Seiten jedes Begrenzungsbereiches Vertiefungen begrenzen, innerhalb welchen die eingeschlossenen Späne während des Einschraubens der Einsatzbüchse in die Ausnehmung des Werkstückes verdichtet werden.

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