DE8406288U1 - Ultraschallschweißvorrichtung für metallische Werkstücke - Google Patents

Description

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Siemens Aktiengesellschaft Unser Zeichen Berlin und München VfA MP I O 7 O SE

S UltraschallsohweiSvorrlchtung für metallische Werkstücke

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ultraechallsehweißvorrichtung für metallische Werkstücke, insbesondere zum Verbinden von Drähten und/oder Litzen, bestehend aus einer Sehwingungseinheit mit Ultraschallwandler und Ultra-

sehall-Sonotrode als aktiver Schweißelektrode, der ge- ζ ·· gebenenfalls ein Transformationsstück zur Anpassung der Ultraschallamplituden vorgeschaltet ist, sowie aus einem Amboß als Segenelektrode, wobei Sonotrode und Amboß zur Bildung eines Verdiohtungsraumes relativ zueinander bewegbar sind.

Die Ultraschallverschweißung von metallischen Werkstücken, insbesondere auch von Drähten und/oder Litzen, ist vom stand der Technik vorbekannt, übliche Ultra*

schallschweißgeräte haben neben dem eigentlichen Schallerzeugungssystem jeweils als aktive Elektrode eine sogenannte Sonotrode zur übertragung der Ultraschallschwingungen und als passive Elektrode einen sogenannten V ' 2S Amboß, die Werkzeuge für die zu verschweißenden Teile bilden. Aus der DE-OS 31 51 1S1 ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art speziell zum verbinden aweier metaliL-scher Leiter bekannt, bei der die Sonotrode an der Uffifaagsflache zumindest eise dem zu verbindenden Leitern angepaÄte AtsEsaefemttag aufweise, die v©a einer gr

randfläehe ausgeht, entlang der eine, einen der AnsnehfituBf angepaßten Vorsprung aufweisende Fläehe des Ambosses versöhiebbar ist, wobei in des die Leiter verbindenden stellen? von Sonotrode uad Amboß die Ausnehmung 35

Wht 2 Gr / 27.02.1984

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ufüJ der zugeordnete Vorsprung ein· parallel ©der nahezu parallel zur gonotradensehwingungsashss verlaufende an seinen Stirnseiten zum Durchführen der Leiter geöffneten, einen Verdichtungsraum darstellenden Hohlraum bildet. S Dabei sollen Vorsprung und Ausnehmung derart aufeinander abgestimmt sein, daß durch Wechselwirkung von Sonotrode und Amboß die Verschweißung der metallischen Leiter

erfolgen kann.

Beim Stand der Technik wird als vorteilhaft angesehen, ( ) daß die zu verbindenden Leiter nur noch in den Verdichtungsraum eingebracht zu werden brauchen, um sie anschließend verbinden zu können. Nachteilig ist allerdings bei einer Vorrichtung mit derart auegebildeter Sonotrode, daß deren Handhabung zusammen mit dem zugehörigen Amboß gemeinsam mit der gesamten Schwaiftvorrichtung ikooh relativ umständlich ist. Bei konkreter lealisieruag eines solchen Qerltes besteht die als Schweißzange beeeiohneta Vorrichtung aus einem Chassis, auf de» eiaer- »sits «as 8atMPia§aft9»systsa mit Wandler, Sonotrode und geaatoanepfalla Tranefecaatieneetttek «ad andererseits «esr Ambefi gslsqrt ist. Dabei wird apealsll dar Amboß in ₍ «las* 8OtMSjBJt* «ate Drahlagf gafQhrt, da dia Reell-

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Aufgabe vorliegender Erfindung ist β·, eint Oltfaiohallschweißvorriofetung zu schaffen, die in dec Fffaxi· für eine Verwendung an wechselnden Bineataertan und eine manuelle Handhabung geeignet let. S

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelust, daß der Amboß sehwingungsmäßig entkoppelt mechanisch mit der Sehwingungseinheit verbunden ist. Dabei kann die Schwinfungseinheit von einem schwingungsmäßig entkoppelten Halte rungerohr umgeben sein. Das Halterungerohr realisiert dann gleichermaßen eine Handhabungseinriohtung für die gesamte Vorrichtung, wobei eine Lager- und Hubeinrichtung für den ftiboB am Halterungerohr angebracht sein kann. Die Lager- und Hubeinrichtung für den Amboß kann aber auch schwingungsmäßig entkoppelt unmittelbar am Transformstioneetttek und/oder an der Sonotrode angebracht sein. In beiden Fällen wird dabei vorteilhafterweise eine Ringttalterung um die Sonotrode gebildet derart, daß der Amboß mitteile Hubeinrichtung, die voraugsweise einen Druckzy-

2Θ linder mit Dsruckkolben für den Amboß aufweist, zur Arbeits fläche der Benotrode awecks Aufbringen der Schweißkraft kenn.

Reelieierung der Erfindung ist es von Bedeutung«.

ü tee die Sonotrode im Gegensatz zum Stand der Technik nicht etwa ewlnngen an der ümfangsflache aufweist, sondern deß sieh die Ausnehmung als Aussparung an ihrer Stirnfläche befindet, die Aussparung kann von parallelen Flächen begrenzt sein, zwisehea denes der Amboß verschieb» bar ist. Dabei ist die Aussparung von einer Arbeitsfläche rnzt, der eine Arbeitsfläche des Ambosses zugeordnet ist. vorzugsweise ist die Aussparung zum Sonohin zmr Aufnahme des Ambosses offen, wo bei die Arbeitsflächen durch entsprechende Vorspnmgs flächen gebildet sind. Dabei ist der von der zurückver

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setzten Sonotrodenstirnflache zusammen mit dem Amboß gebildete Hohlraum von fünf Flächen begrenzt, so daß ein Verdichtungsraum für Draht- und/oder Litzenenden gebildet wird.

Durch eine solche Ausbildung der Sonotrode läßt sich erreichen, daß der Amboß weitgehend mittig zur Sonotrodenachse und auch zur Achse der gesamten Schwingungseinheit geführt wird. Dadurch werden störende Drehmomente verringert, so daß der Aufbau der Ultraschallschweißvorrichtung im erfinducfsgemäßen Sinne möglich wird. Durch \ die so erreichte konstruktive Vereinfachung von Lage

rung und Verschiebemechanismus wird die gesamte Vorrichtung kompakter und leichtgewichtiger. Ein derart realisiertes Gerät ist für einen flexiblen Betrieb an wechselnden Einsatzorten geeignet und läßt sich als

Handzange einsetzen, wenn es beispielsweise gewichtsentlastet aufgehängt ist. Draht- und/oder Litzenenden bei der stellung von Kabelbäumen können dann an wechselnden Stellen,beispielsweise unmittelbar am Verlegebrett,verschweißt werden, so daß sich eine erhebliche Zeitersparnis ergibt.

r In vorteilhafter Ausgestaltung kann die als Ringhalterung

ausgebildete Lagereinrichtung von einer Abschlußplatte abgegeschlossen sein, in der sich wenigstens eine Fensteröffnung zum Durchführen von Draht-und/oder Litzenenden befindet. Die öffnungen können durch handbetätigbare, federbelastete Schieber abgedeckt sein, die vorteilhafterweise als Klemmeinrichtung für die Draht und/oder Litzenenden dienen. Dadurch wird die Handhabung der Vorrichtung beim bestimmungsmäßigen Gebrauch weiter verbessert.

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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Ansprüchen.
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Es zeigen

FIG 1 eine Seitenansicht der gesamten ültraschallschweiüvorrichtung in teilweise geschnittener Form.

FIG 2 eine Frontansicht des Ultraschallschweißkopfes.

FIG 3 einen Schnitt längs der Linie III-III in FIG 1.

FIG 4 einen Schnitt durch die Halte- und Hubeinrichtung für den Amboß längs der Linie IV-IV in FIG 2 und

FIG 5 einen Schnitt gemäß der Linie V-V in FIG T und FIG 2.

Die FIG 1 einerseits sowie die Figuren 2 bis 5 sind nicht maßstabsgerecht zueinander; speziell die Gesamtansicht nach FIG 1 ist als schematische Darstellung auf die / wesentlichen Elemente reduziert worden.

In der nachfolgenden Beschreibung wird auf die elektrische Versorgung mit dem zugehörigen Generator nicht im einzelnen eingegangen. Prinzipiell können bekannte Generatoren verwendet werden. Die Verbindung zur nachfolgend beschriebenen Vorrichtung erfolgt über flexible Leitungen, so daß die erfindungsgemäfle Ultraschallschweißvorrichtung frei geführt werden kann. Zur Auelösung des VerschweleVorgangs kann ein Fußschalter vor handen sein.

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In FIG 1 ist eine Schwingunseinheit für Ultraschall gezeigt, wie sie vom Stand der Technik bekannt ist. Eine solche Schwingungseinheit besteht üblicherweise aus einem piezokeramischen Ultraschal!wandler 1, der elektrisch erregbar ist und mechanische Schwingungen charakteristischer Frequenz, beispielsweise bei etwa 20 kHz, abgibt, einem ültraschallwerkzeug 2, welches weiter unten im einzelnen beschrieben wird, sowie aus einem Transformatioasstück 3 für Ultraschall. Durch das auch als "Booster" bezeichnete Transformationsstück 3 wird eine Schwingungs-) amplitude aiawendungsbezogen erzeugt, beispielsweise von 20 μη, und auf das als "Sonotrode" bezeichnete Ultraschallwerkzeug 2 weitergeleitet. Vom Sonotrodervkopf 20 werden Ultraschallschwingungen vergrößerter Amplitude, beiapLelsweise von30 bis 40 um,auf zu verschweißende Werkstücke weitergeleitet. Mit 4 sind die elektrischen Anschlußleitungen bezeichnet/ die zum (nicht dargestellten) Generator führen.

Die Schwingungseinheit ist üblicherweise in einem Halterungsrohr 5 mit Ansatzteil 6 entkoppelt angeordnet. Zur Entkopplung sind Lagereinrichtungen 7 und 8 vorhanden, die im allgemeinen in den Ebenen der Schwingungsknoten im Abstand von η·Λ/2 angeordnet sind, wobei \ die Wellenlänge der Ultraschallschwingungen und η eine ganze Zahl bedeuten. Möglich wäre auch eine Lagerung in Schwingungsbauchebenen, wenn jeweils über entsprechende Membranlagerungen die Entkopplung sichergestellt ist.

In FIG 1 kennzeichnet das Bezugszeichen 10 eine Ringhai terung, die am proximalen Teil des Halterungsrohres 5 um den Sonotrodenkopf 20 herum angebracht ist und an ibKem uiiifce«en find« eine Lager- und Hubeinrichtung für einen schieber als Ultraschallamboß trägt. Der Auf-

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bau dieses neugeschaffenen ültraschallschweiBkopfes wird anband der weiteren Figuren näher erläutert:

Aus PIG 2 ist ersichtlich ,daß die Ringhalterung 10 außen von den Flächen eines Sechsecks und innen von einer Kreisfläche begrenzt ist. An ihrem unteren Ende trägt die Ringhalterung 10 eine Lager- und Hubeinrichtung für einen Amboß, die im einzelnen aus vier mittels Schrauben 12 an der Ringhalterung 10 befestigten Bolzen besteht, die eine Querauflage 13 zur Aufnahme eiiisss Zylinders mit Druckkolben 15 als Hubeinrichtung tragen.

J Frontseitig ist die Ringhalterung 10 durch eine Abschluß-

; platte 30 mit zwei Fensteröffnungen 31 und 32 abgedeckt.

- 15 Die Offnungen 31 und 32 sind durch federbelastete ; Schieber 35 und 36 verschlossen, die durch manuell aktivierbare Betätigungselemente geöffnet werden können, wobei die Schieber 35 und 36 zum Festklemmen von Drähten und/oder Litzenenden geeignet sind. Dies wird weiter unten noch im einzelnen beschrieben.

Aus der Schnittdarstellung nach FIG 3 ist das Zusammenwirken des Ultraschallwerkzeuges aus Sonotrode und Amboß ' ) durch die als Ringhalterung 10 ausgebildete Lager- und Hubeinrichtung für den als Schieber wirksam werdenden Amboß ersichtlich: Die stirnfläche des Sonotrodenkopfes ist mit 200 bezeichnet. Die Sonotrodenstirnflache 200 weist eine mittige Aussparung 201 auf, die vom unteren Rand des Sonotrodenkopfes 20 kantenparallel mit Wänden 202 und 203 in vorgegebener Breite verläuft, Vorsprünge 204 und 205 im rechten Winkel bildet und im mittleren Teil der Stirnfläche 200, d.h. im Bereich der Achse I, mit geringerer Breite verläuft. Im oberen Teil der Sono-

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tredenstirnfläehe 200 erweitert sieh die Aussparung βηΐ-epseehend über reahte Winkel und verläuft wiederum kanteaparallel bis zum oberen Rand des Sonetrodeakspfea 2O₄ Bine Sonotredenstirnflache 200 mit derart ausgebildeter Aussparung S 201 kann in der gezeigten Betriebestellung oder um 180° gedreht verwendet werden.

Auf dem auf der Querauflage 13 getragenen Druckkolben 15 mit Ansatzstück 16 1st, zwischen zwei parallelen Sohle nen 17 geführt, ein Amboß 210 verschiebbar angeordnet. Der Amboß 210 ist mit seinem vorderen feil 211 auf die Aussparung 201 in der Sonotrodenetirnflache 200 abgestimmt, und zwar derart, daß die Amboßbreite der Breite der Aussparung 101 entspricht und vom Vorsprung 111 des Am-

IS bosses im Zusammenwirken mit den Vorsprüngen 204 und 2OS der Aussparung 201 jeweils ein Verdichtungsraum gebildet wird. Diese sind in FIG 3 mit 220 und 230 bezeichnet. Für unterschiedliche beetimmungsgemäße Anwendungen können die Vorsprünge 204 und 2OS der Aussparung 201 sowie der zugehörige vorsprung 211 am Amboß 210 konstruktiv unterschiedlich ausgebildet sein.

s fiel der beschriebenen Ausbildung nach FIS 3 1st wesentlich, daß der Amboß 210 als Schieber mit seinem Vorsprung 211 in der Aussparung 201 der Sonotrodenstirnfläehe 200 geführt ist. Es wird dadurch von der zurückversetzten Sonotrodenstirnfläehe mit den Arbeitsflächen der Ausnehmung 201 und des Ambosses 210 ein von £§&f Flächen begrenzter Verdichtungsraum 220 bzw.. 230 gebildet.

Nach Einführen von Draht bzw. Litzeaenden bis zum Anschlag und Verkleinerung des Verdichtungsrauffies 220 bzw. 230 können dtirch Druckausübung und gleichzeitiger Einwirkung von ultraschall durch die erzeugten Reibkräfte

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eine Versefaweiftung and damit sine dauerhafte Verbindung der Draht- bzw« Litzenenden erreieht werden«

Aus der gemäß FIG 4 in Achsenrichtung verlaufenden Schnitt-S darstellung des Schweißkopfes mit als Ringhalterung ausgebildeter Lager- und Hubeinrichtung 10 und den oben beschriebenen Einzelheiten ist der FunktionsZusammenhang der neuen Vorrichtung noch deutlicher erkennbar. Es ist insbesondere ersichtlich, dafl das obere Ansatzteil 16 des Druckkolbens 15 eine Auflage bildet, auf die der Amboß ζ , als austauschbarer Schieber aufsetzbar ist. Rückseitig wird der Amboß 210 durch die Schiene 13 mit Querriegel geführt, welche einen oberen Ansehlag für den Schieber bildet. An der Vorderseite des Ambosses 210 schließt sich die Abdeckplatte 30 mit Fensteröffnungen 31 und 32 an. Dabei sind die Fensteröffnungen 31 und 32 der Abdeckplatte 30 konstruktiv derart bemessen, daß beim Durchschieben der Draht- bzw. Litzenenden letztere in den von Sonotrodenstirnflache 200 und Amboß 210 gebildeten Verdichtungsraum 220 bzw. 230 eintauchen.

Aus FiG 5 kann weiterhin die Funktionsweise der Klemmeinrichtung konstruktiv entnommen werden: Heben den be-' reits beschriebenen Einzelheiten von Ringhalterung 10 und Abdeckplatte 30 ist eine Betätigungseinrichtung für die Schieber 35 und 36 gezeigt: Auf der Ringhalterung befinden sieh auf jeder Seite Aufsetzstüeke 41, in denen jeweils Druckfedern 42 angeordnet sind. Die Druckfedern 42 äsftefeea aa£ ia ©sealageen 44 se&weal^ar gelagerte Handbetäfciguagshebel 43 derart, daß normalerweise die in der Abdeckplatte 30 beweglich gelagerten Schieber 35 und M die öffnuagen 31 und 32 versekiießea. Baren FingerdruGk auf die Betätigtmfsnebel 43 lassen sieh die Fenster 31 und 32 offnen, wafeei bei eingescho&enea Drahtenden

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durch den Gegendruck dee Schieber 35 und 36 bereits eine geuLsie Fixierung vor der eigentlichen Vers «ftweißung erreicht ist.

S Letzteres ist für die Praxis vorteilhaft! Die beispielsweise durch Aufhängung gewichtsentlastet geführte Vorrichtung kann unmittelbar am Verlegebrett für Kabeib&ume zu den einzelnen Abzweigungen geführt werden. Nach öffnen der Schieber 33 und 36 für die Fenster 31 und 32 werden Drahtenden bis zum Anschlag eingeschoben und in der / χ Schweißposition festgeklemmt. Der Benutzer kann dabei das Halterungsrohr S der Vorrichtung gleichermaßen als Hand« habongseinrichtung führen, während die Aktivierung von Schweißkraft und Ultraschalleinwirkung beispieleweise durch einen Fu&achalter erfolgt.

a«i der beschriebenen vorrichtung ist besonders vorteilhaft, daB der AmboB als Schieber raittig in der Sonotrode® etirnfltehe geführt let. Dadurch können in Beeug a«f die Mittelachse der geaasten vorriebtong kaum gröftere Drehite entetelten, die kaepeaelert werden

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Gegenüber den stationär angeordneten und *uoh d«n tragbaren , aber immar nur ortsfest aktiviarb»ten aahweiU-vorsiehtungsn werden somit praxisgereeltt· Vevbe*serung«n erzielt«

15 5 Figuren

Claims (1)

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   1. Ultraschallschweißvorrichtung für metallische Werkstücke, Insbesondere zum Verbinden von Drähten und/oder Litzen, bestehend aus einer Schwingungseinheit mit Ultra schallwandler und Ultraschall-Sonotrode als aktiver Schweißelektrode, der gegebenenfalls ein Transformations stück zur Anpassung der Ultraschallamplituden vorgeschaltet ist, sowie aus einem Amboß als Gegenelektrode, wobei Sonotrode und Amboß zur Bildung eines Verdichtungs- f \ raumes relativ zueinander bewegbar sind, dadurch gekennzeichnet , daß der Amboß (210) schwingungsmäßig entkoppelt mechanisch mit der Schwingungseinheit (1 bis 3) verbunden ist.

   15

   2. UltrasshalZschweißvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungseinheit (1 bis 3) von einem schwingungsmäßig entkoppelten Halterungsrohr (5) umgeben ist.

   20

   3. Ultraschallschweißvorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lager- und Hubeinrichtung (10) für den Amboß (210)

   am Halterungerohr (5) angebracht ist. 25

   4. Ultraschallschweißvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halterungerohr (5) gleichermaßen eine Handhabungseinrichtung realisiert.

   30

   5. Ultraschallschweißvorrichtung nach Anspruch 4, d a~- durch gekennzeichnet, daß zur •ehw<img.ung;emMAg*n Entkopplung das Halterungerohr (5)

   in den Sehwingungetcnotanabenen dee Trans formations-3· gtüok«· (3) gelagert igt.

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   - 13 - WAWP3 0 70DE

   6. ültraschallschweißvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lager- und Hubeinrichtung (10) für den Amboß (210) schwingungsmäßig entkoppelt in den Schwingungsknotenebenen von Transformationsstück (3) und/oder Sonotrode (2) angebracht ist.

   7. ültraschallschweißvorrichtung nach Anspruch 3 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daü die Lager- und Hubeinrichtung (10) für den Amboß (210) eine Ringhalterung um die Sonotrode (2) mit Sonotrodenkopf (20) bildet.

   8. Ültraschallschweißvorrichtung nach Anspruch 7, d a durch gekennzeichnet, daß die Ringhalterung (10) durch eine Abschlußplatte (30) mit wenigstens einer Fensteröffnung (31, 32) abgeschlossen ist.

   9. ültraschallschweißvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fensteröffnungen (31, 32> mit federbelasteten Schiebern (35, 36) als Klemmeinrichtung für Drähte und/oder Litzen versehen sind.

   25

   10. Ultraschallschweißvorrichtung nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lager- und Hubeinrichtung (20) für den Amboß (210) einen Druckkolben (15) zum Aufbringen der Sc.Viweißkraft aufweist.

   11. Ültraschallschweißvorrichtung nach Anspruch 10/ dadurch gekennzeichnet, da& &me

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   - 14 - VPA MP 3 0 70 DE

   Amboß (210) als Ausiauschtell auf einen Msatzboizafi (16) das BEuskkeltoens (15) auisteekbai:

   12· UltraschallschweiÄvorriohtung nach Anspruch 1, d a -durch gekennzeichnet, daß die Sono trode (2) auf des Stirnfläche (200) des Sonotrodenkopfes (20) eine Aussparung (201) aufweist.

   13. Ultrasohallschweißvorrichtung nach Anspruch 12/ d adurch gekennzeichnet, daß die V ' Aussparung (201) zur Umfangefläche des Sonotrodenkopfes (20) hin offen ist/ wobei der Amboß (210) als Schieber in der Aussparung (201) angeordnet ist.

   IS 14. ültraschallsöhweißvorrichtuns nach Anspruch 12/ da durch gekennzeichnet, daß die Aussparung (201) in der Sonotrodenstirnflache (200) wenigstens einen Vorsprung (202/ 203) zur Bildung des Vexdiehtungsraumee im Zusammenwirken mit einem Vorspreng

   (211) des verschiebbaren Ambosses (210) aufweist, wodurch Arbeitsflächen (206, 207, 212, 213) in der Aussparung (201) in Schwingungerichtung der Sonotrode (2) f einerseits und am Amboß (210) andererseits senkrecht zu dessen Bewegungsrichtung gebildet werden.

   25

   15. Rltrasehallsöhweißvorriehtung nach Anspruch 14, dadurch geke&nseichnefc, daß die ia öehwtfigung^rish^eng 2Βχϋ6&ν@£9&£2&£ SönotxeuießSitArBEie— ehe (200) zusammen mit dem Amboß (210) einem von £8n£ Fläehen abgesehlosseaen Verdiehtungsraum (220) £®ε Sralit* und/Oder Litzenendett (230) bildet.