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Diese Erfindung bezieht sich auf Dichtungen derart, in denen eine Metallbahn
zumindest eine Öffnung aufweist, deren Ränder abgedichtet werden sollen, wenn
eine Dichtung in der Grenzfläche bzw. Berührungsfläche zwischen zwei
gegenüberliegenden Hartteile-Komponenten eingesetzt wird. Abdichten bzw.
Gegenüberstellen von Leitungsflanschen, Zylinderkopf/Zylinderblock-Verbindungen sind
typische Anwendungen für Bahnmetalldichtungen.
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Es ist bekannt eine Öffnung oder eine Vielzahl von Öffnungen in einer Metallbahn
zu bilden, z.B. durch einen Ausstanzvorgang zwischen zwei zusammenwirkenden
Stanzerei- bzw. Stanzwerkzeugen. Die oder jede Öffnung kann danach mit einer
Abdichteinrichtung versehen werden, z.B. einer elastomerischen Hülle bzw.
Durchgangshülse, oder einer Metallrohrniet bzw. -öse, so daß bei Gebrauch in der
beabsichtigten Verbindung der Rand von der oder jeder Öffnung mittels des
lokalisierten Druckes entlang des Rand es von der oder jeder Öffnung abgedichtet
ist. Es ist auch bekannt, z.B. aus EP-A-230804 zumindest eine ringförmige Rippe
in dem Bahnmaterial um die Öffnung oder Öffnungen herum zu bilden, deren
Ränder abgedichtet werden sollen. In einigen Fällen wurde solch eine Rippe bzw.
Riffelung bzw. Wellung anstelle einer Metallöse benutzt; in anderen Fällen wurde
eine solche Rippe in einer Metallöse eingeschlossen. Es wurde auch in der EP-A-
230804 vorgeschlagen, Metallstreifen oder Ausgleichscheiben bzw.
Abstandshalter unter Ösen zu Verstärkungszwecken einzusetzen, insbesondere um den
Klemmdruck in den ausgewählten Orten zu erhöhen.
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In all den Instanzen ist die Aufgabe, die Abdichtungsleistung durch Entwickeln
eines ausreichend hohen, lokalisierten Druckes um den Rand der Öffnung oder
Öffnungen herum zu erhöhen. Es gibt jedoch andere Faktoren, welche die
Erzeugung
einer perfekten Abdichtung gewissermaßen unsicher machen. Abgesehen
von Faktoren z.B. die Temperatur, welche einen Verlust von Klemmspannung
erzeugen kann, und die Vibration, entspringt ein viel ernsteres Problem von den
gezwungenermaßen beabstandeten Anordnungen der Bolzen, welche benutzt
werden, um die gegenüberliegenden Elemente zusammenzuklemmen. Damit
verbunden kommt zuzüglich ein Effekt von Element- bzw. Komponentendistorsion,
welcher durch die beabstandeten Bolzen erzeugt wird. Auch falls die Bolzen
sorgfältig und gleichmäßig verspannt werden, ist der zwischen benachbarten
Bolzen erzeugte Druck nicht notwendigerweise gleichmäßig und es kann eine
Undichtheit entstehen, insbesondere in den Bereichen einer Dichtung, welche
zwischen relativ breit beabstandeten Bolzen angeordnet ist.
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Eine Hardwaredistorsion ist ein bekanntes Problem und es gibt verschiedene
Weisen, deren Effekte zu minimieren. Abgesehen vom Wiederkonstruieren der
gegenüberliegenden, durch die Dichtung verbundenen Komponenten (und solch
eine Wiederkonstruktion ist nicht immer durchführbar, jedoch immer teuer) ist es
eine bekannte Technik, die Dichtung selektiv zu verstärken, um einen erhöhten
Druck auf die Flächen zu richten, von denen man glaubt, daß sie die höchste
Undichtheitsgefahr aufweisen. Es wurden z.B. solide "Kompressionsanschläge"
(engl. "compression stops") benutzt, um die Effekte von der Hardware- bzw.
Harteildistorsion auszugleichen bzw. gegenzuwirken, und zwar durch Einführen
einer absichtlich, entgegengesetzt gerichteten Distorsion. In dem Fall von
Bahnmetalldichtungen, welche mit elastomerischen Dichtungen in Form von
kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Streifen bzw. Bändern vorgesehen sind, wurden
letztere in ungleichmäßigen Breiten und/oder Dicken angewendet, wiederum mit
dem Ziel eine Abdichtungsleistung zu erzeugen, welche für individuelle Bereiche
der Dichtung geeignet ist. Jeder dieser allgemein benutzten Hilfsmittel hat seine
Vorteile und Nachteile. Jedoch wenn die gegenüberliegenden bzw. abzudichtenden
Komponenten progressiv leichter gemacht werden, um ihre Kosten zu reduzieren,
und wenn Betriebszustände z.B. Drücke und Temperaturen herausfordernder
werden, besteht ein Bedürfnis für eine verbesserte Dichtungsleistung,
insbesondere im Gebiet der Verbrennungsmotoren.
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Daher beabsichtigt die vorliegende Erfindung das technische Problem zu lösen,
einen lokalilierten Klemmdruck in einer bekannten Dichtungskonstruktion zu
erzeugen.
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Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer Dichtung derart, in der
zumindest eine Öffnung bei einem gewünschten Ort in einer Metallplatte
ausgestanzt wird und eine periphäre Rippe um den Rand der Öffnung herum gebildet
wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippe in der Bahn um den beabsichtigten
Ort von der einen Öffnung nach einem Anfangsschritt des Bildens von zumindest
einer preliminären Öffnung bei dem Ort benachbart zu einer Fläche gebildet wird,
bei der erhöhter Klemmdruck benötigt wird, wobei die Form und Konfiguration der
preliminären Öffnung gemäß der Nähe der einen Öffnung zu den Kanten der Platte
und zu dem Ort von jeder beliebigen in der Platte beabsichtigten anderen Öffnung
derart gewählt wird, daß die nach dem Bildungsschritt der preliminären Öffnung
gebildete Rippe eine gesteuerte bzw. geregelte bzw. kontrollierte Geometrie und
plastische Deformation aufweist, wenn sie einer Kompression ausgesetzt wird.
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Das Verfahren der Erfindung beinhaltet bevorzugt auch einen Schritt des
Ausstanzens der einen Öffnung nach dem Bilden der Rippe. Es kann auch ein Schritt
des Anpassens der einen Öffnung mit einem oder mehreren Öhsen beinhalten,
welche danach gepreßt oder andererweise umgelegt wird bzw. werden, um die
Rippe einzuschließen.
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Bevorzugt wird die Form und Konfiguration der preliminären Öffnung (oder
Öffnungen, da mehrere solche gebildet werden können, und zwar gemäß lokalen
Anforderungen) derart gewählt, daß die Rippe auch ein ungleichförmiges bzw.
nicht uniformes Profil im Querschnitt aufweist. Es ist jedoch besonders bevorzugt,
daß der Bildungsschritt der Rippe mittels eines Stanzwerkzeuges mit einem
gleichmäßigen Profil, und zwar ebenso im Querschnitt gesehen, durchgeführt wird.
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Vorangehend wurde Bezug auf eine Rippe genommen, welche eine kontrollierte
Geometrie und plastische Deformation aufweist, wenn sie einer Kompression
ausgesetzt wird. Es wurde gefunden, daß durch die geeignete Wahl der Parameter
der preliminären Öffnung, insbesondere ihre Form und Konfiguration bezüglich der
Bahnkanten und/oder der Nähe zu einer beliebigen benachbarten Öffnung, es
möglich ist, die Art, in welcher die Rippe gebildet ist, zu kontrollieren. In diesem
Kontext können Faktoren, z.B. die relative Verfügbarkeit einer Menge von zu
verformendem Metall, wie auch die in der tatsächlichen Deformation auftretenden
Spannungen, selektiv kontrolliert werden, um ein gewünschtes Rippenprofil zu
erreichen. Es ist zu bemerken, daß gewöhnlich ein gleichmäßiges Rippenprofil nicht
das Endresultat ist, da die Erfindung es erlaubt, eine Rippe zu erzeugen, welche bei
Gebrauch als eine Dichtung eine empfindlich gleichmäßige
Abdichtungscharakteristik um die meisten, falls nicht alle der Ränder der Öffnung herum erzeugen
wird, welche abgedichtet werden soll. Wie vorangehend beschrieben, erzeugen
Hardwaredistorsionen wegen ungleichmäßiger Bolzenkraftverteilung,
Temperaturveränderungen und dergleichen eine nicht gewollte Asymmetrie. Bei Verwendung
des Verfahrens gemäß dieser Erfindung kann die Rippe derart gebildet bzw.
konstruiert werden, daß diese ungewollte Asymmetrie zumindest teilweise
kompensiert wird.
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Darüberhinaus, da das Bedürfnis der Herstellung und Installation von besonderen
Abstandshaltern und/oder Kompressionsanschlägen eliminiert ist, ist der
Herstellungsvorgang vereinfacht, insbesondere da ein gleichmäßiges Werkzeugprofil
benutzt werden kann, um eine Rippe zu erzeugen, welche tatsächlich nicht
gleichförmig ist. Der Zusatzschritt des Bildens von zumindest einer preliminären Öffnung
ist ein relativer Routinestanzvorgang, welcher nur konventionelle Stanzwerkezeuge
benötigt, sobald die geeignete Form/Konfiguration der preliminären Öffnung
gewählt wurde, zusammen mit ihrer Anzahl und relativen Anordnung, falls mehr
als eine benötigt wird.
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Der exakte Mechanismus durch den die vorliegende Erfindung arbeitet, wird in
Folge generell beschrieben werden. Der Schritt des Bildens der preliminären
Öffnung ("Vorstanzen", engl. "pre-blanking") erlaubt dem übrigbleibenden Material,
eine Flexibilität zu haben, welche es ansonsten nicht haben würde. Das Werkstück
kann in Abhängigkeit von der Werkstückgeometrie, den Materialeigenschaften und
der Werkzeuggeometrie eine erhöhte plastische Deformation durchführen. Die der
Deformation ausgesetzte Fläche erfährt eine erhöhte Werkhärtung und daher wird
die daraus entstehende Deformation eine erhöhte Steifigkeit auf Kompression
aufweisen. Gleichzeitig wird die Geometrie der Deformation verändert werden; z.B.
wird eine Rippe eine größere oder kleinere Tiefe aufweisen gemäß ihrer Nähe (oder
anders) zu einer preliminären Öffnung. Sogar wenn die Geometrie der Rippe die
gleiche erscheint, kommt jedoch eine erhöhte plastische Deformation vor, und
zwar wo eine preliminäre Öffnung gemäß dieser Erfindung gebildet wurde. Daher
können die Kompressionscharakteristiken bzw. -eigenschaften, sogar wo eine
Rippe die gleichen oder sehr ähnlichen Höhencharakteristiken wie eine
konventionel gebildete Rippe aufweist, wesentlich verändert sein.
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Die vorliegende Erfindung stellt daher eine einzigartige Möglichkeit bereit, wodurch
Dichtungseigenschaften derart ausgestaltet bzw. konstruiert werden können, um
einer spezifischen Anwendung ohne eine wesentliche Erhöhung der
Kosten/Komplexität angepaßt zu werden.
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Als ein weiteres Nebenprodukt der Erfindung erscheint es auch möglich, die
Gesamtdistorsion der Metallbahn zu minimieren, welche aus dem Ausstanzen
und/oder Bilden der Rippe erzeugt wird, welche in der bekannten Weise ausgeführt
wird. Das Bedürfnis nachfolgend eine fertige oder halbfertige Dichtung
abzuflachen, kann somit vermieden oder zumindest minimiert werden.
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Die Erfindung beinhaltet weiterhin Dichtungen, welche durch erfindungsgemäße
Verfahren gebildet bzw. hergestellt werden und insbesondere
Zylinderkopfdichtungen für Verbrennungsmotoren und dergleichen.
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Um die Erfindung besser zu verstehen, wird jetzt eine Ausführungsform in
Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben werden, in der:
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Fig. 1 eine planare Ansicht einer herkömmlichen Dichtung, mit einer
Ausschnitt-Schnittansicht (Fig. 1A) entlang der Linie X-X aus Fig. 1,
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Fig. 2 eine planare Ansicht der Dichtung aus Fig. 1, welche gemäß der
vorliegenden Erfindung verändert ist,
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Fig. 3 eine planare Ansicht der Dichtung aus Fig. 1, welche eine
verschiedene Veränderung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt,
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Fig. 4 eine planare Ansicht der Dichtung aus Fig. 1, welche eine weitere
Veränderung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt, und
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Fig. 5 ein graphischer Vergleich der Kompressionscharakteristiken der
Dichtung aus Fig. 1 mit denen der Dichtung aus Fig. 3.
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In Fig. 1 wird eine einzige, relativ breite Öffnung 2 in einer Metallplatte 1 gebildet.
Ein geprägter bzw. hervorspringender Wulst in der Form einer ringförmigen Rippe
bzw. Wellung 3 ist um den Rand der Öffnung 2 herum gebildet. Fig. 1A zeigt (in
einem vergrößerten Maßstab) die Querschnitts- bzw. Schnittansicht durch die
Rippe 3. Das gleich Querschnittsprofil 3 ist auf alle Fig. 1 bis 4 anwendbar. Fig. 1
zeigt die übliche Technik. All die Öffnungen und die ringförmige Rippe können in
einem einzigen Vorgang gebildet werden, obwohl es auch übliche Technik ist, die
Öffnungen vor dem Bilden der Rippe in einem getrennten Vorgang zu bilden. Es ist
auch möglich, die Rippe vor dem Ausstanzen der Öffnungen zu bilden. Es wird
ersichtlich sein, daß falls mehrere Öffnungen benötigt werden, auch diese als Teil
eines gleichen Herstellungsschritts gemacht werden, so daß für eine
Zylinderkopfdichtung für einen Vierzylindermotor vier relativ breite Zylinderbohrungsöffnungen
2 und eine Vielzahl von Befestigungsbolzenlöcher 4 vorgesehen sind. In einer
praktischen Dichtung sind auch Öl/Wasserdurchgänge vorgesehen, jedoch sind
diese in Fig. 1 zur Einfachheit der Darstellung nicht gezeigt.
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Bei Gebrauch ist die Dichtung bzw. Flach- bzw. Profil- bzw. Formdichtung bzw.
Dichtscheibe zwischen einem Paar von gegenüberliegenden Flächen bzw.
Oberflächen
geklemmt, durch die Öffnungen entsprechend zu 2 und 4 definiert sind,
und zwar durch Verwendung eines Satzes von vier Bolzen, einer für jede der
Öffnungen 4. Wenn diese Bolzen progressiv angezogen werden, werden
kompressive Kräfte in der Rippe 3 erzeugt, wodurch diese in Richtung der
Anfangsdicke der Metallplatte abgeflacht wird und gleichzeitig einen Abdichtungsdruck um
den Rand der Öffnung 2 herum entwickelt. (Ähnliche Betrachtungen würden
natürlich auf eine Mehrfach-Öffnungs-Version von Fig. 1 gelten, wenn diese z.B.
zwischen einem Zylinderkopf und einem Zylinderblock installiert wird.)
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Fig. 2 zeigt die Anwendung der vorliegenden Erfindung auf die Dichtung von Fig.
1. Eines der Probleme mit der gerade in Bezug auf Fig. 1 beschriebenen bekannten
Anordnung ist die Tatsache, daß der entwickelte Abdichtungs- bzw.
Dichtungsdruck um den Umfang der Öffnung 2 herum nicht gleichförmig ist. Ein höherer
Druck ist insbesondere in der Nähe der Bolzen entwickelt bzw. erzeugt (in der
Nähe der Öffnungen 4) als in den Bereichen etwa auf halbem Weg zwischen den
Bolzen. In diesem Fall gibt es daher vier gleichmäßig um die Rippe 3 beabstandete
Bereiche, in denen eine niedrige Kompressionskraft erzeugt wird, wenn die
Dichtung benutzt wird. Diese vier Bereiche bilden potentiell zu Undichtheit neigende
Flächen bzw. Gebiete. In Fig. 2 wird dies berücksichtigt durch einen
vorbereitenden Schritt der Bildung von Öffnungen 11, 12, 13 und 14, bevor der normale
Ausstanz/Rippenbildungsvorgang ausgeführt wird. Selektives Entfernen dieser Flächen
läßt bzw. hinterläßt die sofort benachbarten Flächen 11A, 12A, 13A und 14A in
einem relativ flexibleren Zustand für den Hauptausstanz- und Rippenbildungs-
Schritt, welcher folgt. Erhöhte plastische Deformation der Flächen 11A, 12A, 13A
und 14A findet als ein direktes Ergebnis von diesem statt, so daß die Rippe 3 eine
größere lokale Arbeits- bzw. Werkhärtung bzw. -verfestigung aufweist. Das
aktuelle Ausmaß dessen ist hauptsächlich durch die Größe und Konfiguration der
preliminären Öffnungen 11, 12, 13 und 14 bestimmt; es könnten einige Versuche
erforderlich sein, um optimale Resultate zu erreichen. Durch geeignetes Wählen der
Größe und der Konfiguration für die Öffnungen 11, 12, 13 und 14 wird das
Endprodukt eine Rippe umfassen, welche bei Kompression einen empfindlich
konstanten Abdichtungsdruck um den ganzen Rand der Endöffnung 2 herum
entwickelt, wobei die vorangehenden relativ schwachen bzw. weichen Bereiche
zwischen den Bolzen jetzt steifer sind als in einer bekannten Dichtung, wie sie in
Bezug auf Fig. 1 beschrieben wurde.
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Fig. 3 zeigt eine typische praktische Anwendung, bei der verschiedene Öffnungen
2 dicht nebeneinander angeordnet werden müssen, Seite an Seite in einer einzigen
Dichtung z.B. einer Automobilzylinderkopfdichtung. Es ist in solchen Fällen üblich,
daß nur ein schmaler Metallsteg bzw. Brücke zwischen den
Zylinderbohrungsöffnungen ist. Dieser schmale Steg ist eine Problemfläche für Dichtungsentwickler, da
eine zufriedenstellende Dichtung zwischen den Zylinderbohrungen wesentlich,
jedoch schwierig durch bekannte Einrichtungen zu erzielen ist. Lösungen des
Problems umfassen z.B. die Bereitstellung von zusätzlichen Verstärkungselementen
in der Stegfläche. Bei der Verwendung der Vor-Ausstanz-Technik dieser Erfindung,
um die preliminären Öffnungen 21, 22 zu erzeugen, wird jedoch das Metall in der
beabsichtigten Stegfläche relativ flexibel bzw. biegsam bzw. biegeweich gemacht
(oder relativ unbegrenzt bzw. unbehindert). Bei Anwendung des End-Ausstanz-
Schritts kann daher die Stegfläche 21A, 22A eine erhöhte plastische Deformation
und Werkhärtung durchführen, genau wie vorangehend in Bezug auf Fig. 2
besprochen. Da die Paare von benachbarten preliminären Öffnungen so nah aneinander
angeordnet sind, wodurch nur ein schmaler Metallbereich zwischen ihnen gelassen
wird, ist darüber hinaus die mögliche plastische Deformation relativ gesehen hoch.
Daher werden die nachfolgend gebildeten Rippen 3 in der Bohrungsstegfläche
einen erhöhten Kompressionswiderstand bzw. -festigkeit aufweisen. Dies ist jenes,
welches benötigt wird, um einen verbesserten Abdichtungsdruck und den daraus
entstehenden Undichtheitswiderstand bzw. Leckagenwiderstand sicherzustellen.
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In Bezugnahme jetzt auf Fig. 4 wird verstanden werden, daß eine preliminäre
Öffnung zu vielen Zwecken dienen kann. In diesem Beispiel wird eine einzige,
vierflügelige, einem Kleeblatt ähnelnde Öffnung 30 benutzt, um erhöhte plastische
Deformationseigenschaften vier diskreten Flächen der ringförmigen Rippe zu
erteilen. Diese Flächen sind gleichmäßig um den Umfang der Endöffnung 2 herum
beabstandet. Wie in Bezug auf Fig. 1 beschrieben, ist das Resultat eine ringförmige
Rippe, welche einen verbesserten Kompressionswiderstand in diesen vorangehend
relativ zur Undichtheit neigende Flächen benachbart zu den Befestigungsbolzen
aufweist.
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Fig. 5 zeigt den Effekt der Anwendung der Prinzipien gemäß dieser Erfindung auf
eine Zylinderkopfdichtung derart, wie sie in Bezug auf Fig. 3 gerade besprochen
wurde. In Fig. 5 ist die Kompressionskraft gegenüber der Dicke aufgetragen. Die
letztere ist die Summe der Basisbogen- bzw. Basisbahndicke und der tatsächlichen
Rippenhöhe, welche durch den Ausstanzvorgang erzeugt wurde. Es wird erkannt
werden, daß bei Kompression die Endhöhe der Rippe, wenn sie so vollkommen wie
möglich abgeflacht ist, sich an Null nähert. In der Fig. 5 ist dies durch die Dicke
der Stahlbahn, 0,5 mm, dargestellt.
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Zwei Kurven sind auf der gleichen Skala dargestellt. Die erste von diesen ist für
eine konventionell gebildete Rippe, wobei kein Schritt zur Bildung einer
preliminären Öffnung durchgeführt wird (die Kurvenpunkte sind durch Quadrate dargestellt).
Die zweite entspricht der Dichtung aus Fig. 3, wobei die Kurvenpunkte durch
Kreise dargestellt sind. Beide Kurven zeigen die Antwort auf Kompression entlang
einer gemeinsamen Linie radial durch die Bohrungsstegfläche, 21A, in Fig. 3.
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Beide Kurven basieren auf Ausstanzen zu einer Zielrippenhöhe von 0,5 mm, wobei
eine Gesamt-Anfangsdicke von etwa 1,0 mm gegeben ist. Bei Anwendung einer
Kompressionskraft wird die Rippe progressiv abgeflacht. Es ist sofort aus dem
Graphen ersichtlich, daß die Kraft, welche benötigt wird, um die Rippe zu
komprimieren, signifikant höher ist, wenn der Bildungsschritt der preliminären Öffnung
dieser Erfindung angewendet wird. Z.B. bei einer Dicke von 0,7 mm widersteht die
konventionelle Rippe einer Kraft von etwa 60 KN, während die gemäß der
Erfindung gebildete Rippe einer Kraft von etwa 110 KN widersteht. Es folgt, daß in
einer aktuellen Dichtungsanwendung, eine durch den Gebrauch der vorliegenden
Erfindung gebildeten Rippe einen sehr wesentlich größeren Abdichtungsdruck
entwickeln bzw. erzeugen kann, obwohl sie auf die gleiche Höhe wie eine
bekannte Rippe gebildet wurde.