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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der
japanischen Patentanmeldung Nr. 2015-055936 , eingereicht am 19. März 2015, deren gesamter Inhalt hiermit durch Verweis aufgenommen ist.
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Die Erfindung betrifft ein Harzbauteil, das ein thermoplastisches Harz enthält und durch Ultraschallschweißen mit einem weiteren Harzbauteil verbunden wird.
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Herkömmlich werden Strukturteile von Kraftfahrzeugkarosserien aus Metallmaterialien, z. B. Stahlmaterialien, gebildet. Um das Gewicht der Fahrzeugkarosserie zu senken, kommen heutzutage Strukturteile in Gebrauch, die aus Harzmaterialien, z. B. kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFRP), gebildet sind. Die Verfahren zum Verbinden von Teilen, die aus Metallmaterialien hergestellt sind, lassen sich grob in drei Verfahren einteilen. Bei einem handelt es sich um Verbinden beim Ausbau mit Hilfe von Schrauben o. ä., ein weiteres ist Kleben mit Hilfe eines Klebers und das andere ist Anschmelzen durch Schmelzmaterial. Auch bei Bildung von Teilen aus Harzmaterialien ist eine feste Verbindung ähnlich wie die für Teile aus Metallmaterialien notwendig. Insbesondere zählt man bei Teilen, die aus thermoplastische Harze enthaltenden Harzmaterialien hergestellt sind, auf eine Schweißtechnologie, bei der Harzmaterialien geschmolzen werden, um miteinander verbunden zu werden.
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Schweißen ist ein Verbindungsverfahren, das Teile ohne Gebrauch eines dritten eingefügten Objekts wie beim Verbinden beim Ausbau mit Hilfe von Schrauben o. ä. und Kleben mit Hilfe eines Klebers fest zu verbinden vermag. Unter den Schweißarten kann Ultraschallschweißen das Harz nur in einem Abschnitt schmelzen, der lokal verbunden werden soll, und ist daher weithin anwendbar, ohne z. B. die Gesamtformen der Teile berücksichtigen zu müssen. Werden aber aus Harzmaterialien hergestellte Teile durch Ultraschallschweißen verbunden, verbleibt fallweise das an der Grenzfläche geschmolzene Harz an der Grenzfläche, weshalb die Steuerung der Grenzflächendicke schwierig oder die Verbindungsfestigkeit instabil ist.
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Dagegen offenbart die
JP-A-H10-156555 ein Schweißverfahren für Halterungsteile, bei dem ein Schmelzabschnitt und eine entlang des Schmelzabschnitts verlaufende Nut auf einer Schweißfläche eines aus Harz hergestellten Halterungsteils gebildet werden, die Schweißfläche mit einer Oberfläche eines Grundmaterials in Kontakt gebracht wird und Schwingung mit Druck auf den Schmelzabschnitt von der Rückseite der Schweißfläche des Halterungsteils ausgeübt wird. Obwohl im Schweißverfahren das geschmolzene Harz, das aufgeschmolzen ist, diffundiert und in die Nut fließt und ein Teil des geschmolzenen Harzes zur Oberfläche des Halterungsteils fließt, wird das geschmolzene Harz, das aufgeschmolzen ist, durch einen ringartigen ebenen Abschnitt einer an einem Ultraschalltrichter vorgesehenen Aussparung zwangsweise in die Nut gegossen. Dadurch werden die Schmelzfläche des Schmelzabschnitts und das geschmolzene Harz, das das Innere der Nut gefüllt hat, im Wesentlichen bündig miteinander, das geschmolzene Harz zeigt eine Funktion als Kleber, und das Halterungsteil wird durch Schweißen in das Grundmaterial integriert.
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Gleichwohl handelt es sich bei der Nut, die im Schweißverfahren für Halterungsteile gemäß der
JP-A-H10-156555 veranschaulicht ist, um eine ringartige Nut, die den Umfang des Schmelzabschnitts umgibt, eine Nut mit einer Konfiguration, in der sich Nuten von einer ringartigen Nut weiter radial erstrecken, oder sich radial um den Schmelzabschnitt erstreckende Nuten. Das heißt, im Schweißverfahren gemäß der JP-A-H10-156555 ist ein Spielraum zum Entweichen des überschüssigen geschmolzenen Harzes gewährleistet, das beim Schweißen an der Grenzfläche erzeugt wird, indem eine relativ große Nut vorgesehen ist; ist aber die Nut zu groß, kann es zu einem Bereich kommen, in dem die Verbindung zwischen den Teilen mit Hilfe von Harz unzureichend ist, sogar in dem Bereich, in den das geschmolzene Harz fließt.
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Ist insbesondere auch in dem Bereich, in den das geschmolzene Harz fließt, die Nut zu groß, steht zu befürchten, dass das geschmolzene Harz nicht vollständig in den Raum zwischen dem Nutgrund und der Grundmaterialoberfläche des Verbindungsobjekts gefüllt und die Verbindungsfestigkeit nicht verstärkt wird. Obwohl die Dicke der Grenzfläche verringert werden kann, besteht daher die Besorgnis, dass das geschmolzene Harz nicht an den beiderseitigen Teilen klebt, während es zur Verbindungsfestigkeit beiträgt.
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Speziell bei einem aus faserverstärktem Harz hergestellten Bauteil kommt es leicht zu Güteschwankung einer Verbindungszielfläche, und es ist schwierig, eine Position und eine Menge von geschmolzenem Harz zu stabilisieren, das erzeugt wird, wenn Harzbauteile in Überdeckung miteinander gebracht und durch Ultraschallschweißen verbunden werden. Somit ist zu befürchten, dass der Schweißverfahrensablauf und die Verbindungsfestigkeit instabil werden.
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Angesichts der zuvor beschriebenen Probleme schlägt die Erfindung folglich ein Harzbauteil vor, das eine Position und eine Menge von geschmolzenem Harz, das beim Ultraschallschweißen erzeugt wird, steuern und die Dicke der Grenzfläche stabilisieren kann, um die Verbindungsfestigkeit zu stabilisieren.
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Ein Aspekt der Erfindung stellt ein Harzbauteil bereit, das ein thermoplastisches Harz enthält und durch Ultraschallschweißen mit einem weiteren Harzbauteil verbunden wird, wobei das Harzbauteil Vorsprünge aufweist, die von einer Oberfläche eines Verbindungszielteilstücks des Harzbauteils vorstehen und durch Ausübung von Kontaktdruck beim Ultraschallschweißen geschmolzen werden. Die Vorsprünge weisen Vorsprünge mit unterschiedlichen Vorsprunghöhen von der Oberfläche des Verbindungszielteilstücks auf.
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Unter den Vorsprüngen kann eine Vorsprunghöhe mindestens eines Mittelvorsprungs, der in einer Mitte des Verbindungszielteilstücks angeordnet ist, höher als Vorsprunghöhen umliegender Vorsprünge sein, die um die Mitte angeordnet sind.
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Der mindestens eine Mittelvorsprung kann mindestens drei Mittelvorsprünge aufweisen.
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Die umliegenden Vorsprünge können unterschiedliche Abstände von der Mitte haben. Unter den umliegenden Vorsprüngen kann eine Vorsprunghöhe mindestens eines umliegenden Vorsprungs nahe der Mitte höher als eine Vorsprunghöhe mindestens eines umliegenden Vorsprungs entfernt von der Mitte sein.
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Die umliegenden Vorsprünge können mindestens drei umliegende Vorsprünge aufweisen.
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Die umliegenden Vorsprünge können in gleichen Intervallen um die Mitte angeordnet sein.
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Nachstehend wird ein bevorzugtes Beispiel für die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine erläuternde Darstellung von Harzbauteilen, die durch Ultraschallschweißen verbunden werden;
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2 eine Perspektivansicht einer Konfiguration eines beispielgemäßen Harzbauteils;
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3 eine Draufsicht und Querschnittansicht der Konfiguration des beispielgemäßen Harzbauteils;
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4 eine erläuternde Darstellung eines Falls eines Harzbauteils mit Mittelvorsprüngen;
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5 eine erläuternde Darstellung eines Falls von umliegenden Vorsprüngen, die in einer Doppelkreisform gebildet sind;
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6 eine erläuternde Darstellung von Fällen einer Querschnittform eines Vorsprungs;
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7 eine erläuternde Darstellung von Fällen einer ebenen Form eines Vorsprungs;
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8 eine erläuternde Darstellung eines Verfahrens zum Verbinden von beispielgemäßen Harzbauteilen;
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9 eine erläuternde Darstellung des Verfahrens zum Verbinden von beispielgemäßen Harzbauteilen;
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10 eine erläuternde Darstellung des Verfahrens zum Verbinden von beispielgemäßen Harzbauteilen; und
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11 eine erläuternde Darstellung eines Verfahrens zum Verbinden von Harzbauteilen gemäß einem Vergleichsbeispiel.
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Zu beachten ist, dass in dieser Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen Strukturelemente, die im Wesentlichen die gleiche Funktion und Struktur haben, mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet sind und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Strukturelemente verzichtet wird. Zu beachten ist, dass in dieser Beschreibung und den Zeichnungen Strukturelemente, die im Wesentlichen die gleiche Funktion und Struktur haben, mitunter dadurch voneinander unterschieden werden, dass unterschiedliche Buchstaben nach der gleichen Bezugszahl verwendet werden. Besteht aber keine spezielle Notwendigkeit, Strukturelemente zu unterscheiden, die im Wesentlichen die gleiche Funktion und Struktur haben, ist die gleiche Bezugszahl allein angefügt.
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1. Harzbauteil
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Zunächst wird die Konfiguration eines Harzbauteils gemäß einem Beispiel für die Erfindung beschrieben. Das Harzbauteil ist ein Bauteil, das durch Ultraschallschweißen mit einem Verbindungszielbauteil verbunden wird. Durchgeführt wird das Ultraschallschweißen, indem beispielsweise gemäß 1 ein erstes Harzbauteil 10 und ein zweites Harzbauteil 20 gestützt werden, während Verbindungszielteilstücke S der beiden Bauteile 10 und 20 zueinander weisen und eine Spitze 30 eines Ultraschallschwingers von einer Oberfläche des zweiten Harzbauteils 20 auf die Gegenseite zur Verbindungsfläche presst. Das beispielgemäße Harzbauteil kann als erstes Harzbauteil 10, das auf beim Ultraschallschweißen unten angeordnet ist, und/oder als zweites Harzbauteil 20 verwendet werden, das beim Ultraschallschweißen oben angeordnet ist. Nachstehend wird ein Fall erläutert, in dem die Erfindung auf das erste Harzbauteil 10 angewendet ist, das unten angeordnet ist.
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1-1. Bestandteilsmaterial
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Das Harzbauteil unterliegt insofern keinen speziellen Einschränkungen, als dass es zum Ultraschallschweißen verwendet wird und ein Harzbauteil ist, das ein thermoplastisches Harz enthält. Beispielsweise kann das Harzbauteil ein Bauteil sein, das aus einem faserverstärkten Harz hergestellt ist, das für Kraftfahrzeugkarosserieteile verwendet wird. Bei einem aus einem faserverstärkten Harz hergestellten Bauteil unterliegen die Verstärkungsfasern keiner speziellen Einschränkung; beispielsweise können Keramikfasern, z. B. Kohlefasern und Glasfasern, organische Fasern, z. B. Aramidfasern, und aus einer Kombination daraus hergestellte Verstärkungsfasern verwendet werden. Insbesondere sind vorzugsweise Kohlefasern unter den Aspekten guter mechanischer Eigenschaften, leichter Festigkeitsgestaltung usw. enthalten.
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Als Hauptkomponente der Harzmatrix des faserverstärkten Harzes, das das erste Harzbauteil 10 bildet, sind beispielsweise thermoplastische Harze, z. B. Polyethylenharz, Polypropylenharz, Polyvinylchloridharz, ABS-Harz, Polystyrolharz, AS-Harz, Polyamidharz, Polyacetalharz, Polycarbonatharz, thermoplastisches Polyesterharz, Polyphenylensulfid-(PPS-)Harz, Fluorharz, Polyetherimidharz, Polyetherketonharz und Polyimidharz veranschaulicht. Ein oder eine Mischung aus zwei oder mehr dieser thermoplastischen Harze kann verwendet werden. Diese thermoplastischen Harze können eine einzelne Art, eine Mischung oder ein Copolymer sein. Bei einer Mischung kann ein Verträglichkeitsvermittler in Kombination zum Einsatz kommen. Zusätzlich können ein Feuerschutzmittel auf Brombasis, ein Feuerschutzmittel auf Siliziumbasis, roter Phosphor usw. als Feuerschutzmittel zugegeben sein.
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In diesem Fall seien als verwendetes thermoplastisches Harz beispielsweise solche Harze genannt wie ein Harz auf Polyolefinbasis, z. B. Polyethylen und Polypropylen, ein Harz auf Polyamidbasis, z. B. Nylon 6 und Nylon 66, ein Harz auf Polyesterbasis, z. B. Polyethylenterephthalat und Polybutylenterephthalat, ein Polyetherketon, ein Polyethersulfon und ein aromatisches Polyamid.
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1-2. Konfiguration des Verbindungszielteilstücks
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2 bis 4 sind jeweils eine erläuternde Darstellung des Verbindungszielteilstücks S des ersten Harzbauteils 10. 2 ist eine Perspektivansicht des ersten Harzbauteils 10. 3 ist eine Draufsicht und Querschnittansicht des ersten Harzbauteils 10. Die Querschnittansicht in 3 ist eine Darstellung des Querschnitts A-A in der Draufsicht mit Blick in Pfeilrichtung. Das dargestellte erste Harzbauteil 10 hat eine plattenartige Form, wobei aber das erste Harzbauteil 10 nicht auf die plattenartige Form beschränkt ist, sondern verschiedene Formen haben kann.
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Das Verbindungszielteilstück S ist ein Bereich, der zum zweiten Harzbauteil 20 weisend angeordnet ist und beim Ultraschallschweißen mit dem zweiten Harzbauteil 20 verbunden wird. Auf das Verbindungszielteilstück S wird Kontaktdruck durch die Spitze 30 des Ultraschallschwingers beim Ultraschallschweißen ausgeübt. Das dargestellte Verbindungszielteilstück S ist kreisförmig. Die Außenform und Größe des Verbindungszielteilstücks S entsprechen der Außenform und Größe der Spitze 30 des Ultraschallschwingers (siehe 1).
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Das Verbindungszielteilstück S weist Vorsprünge 12 auf, die von einer Oberfläche zur Seite des zweiten Harzbauteils 20 vorstehen. Zu den Vorsprüngen 12 gehören ein Mittelvorsprung 12a und umliegende Vorsprünge 12b. Die Vorsprünge 12 sind Abschnitte, die beim Ultraschallschweißen mit dem zweiten Harzbauteil 20 in Kontakt kommen können, wobei das zweite Harzbauteil 20 so angeordnet ist, dass es zu den Vorsprüngen 12 weist. Die Vorsprünge 12 werden durch Reibungswärme geschmolzen, die bei Ausübung von Ultraschallschwingung erzeugt wird, und mit einem geschmolzenen Harz des zweiten Harzbauteils 20 verbunden.
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Der Mittelvorsprung 12a ist in der Mitte des Verbindungszielteilstücks S vorgesehen. Die Vorsprunghöhe h1 des Mittelvorsprungs 12a von der Oberfläche des ersten Harzbauteils 10 ist höher als die Vorsprunghöhen h2 der umliegenden Vorsprünge 12b. Beim Ultraschallschweißen wird Kontaktdruck zuerst auf den Mittelvorsprung 12a ausgeübt. Anders gesagt ist der Mittelvorsprung 12a eine Schmelzanfangsposition. Ein durch den geschmolzenen Mittelvorsprung 12a erzeugtes geschmolzenes Harz fließt in einen Raum zwischen dem Mittelvorsprung 12a und den umliegenden Vorsprüngen 12b um den Mittelvorsprung 12a. Da das erste Harzbauteil 10 den Mittelvorsprung 12a mit der relativ hohen Vorsprunghöhe h1 aufweist, ist es möglich, das Verbinden mit Hilfe des geschmolzenen Harzes in der Mitte des gewünschten Verbindungszielteilstücks S zu gewährleisten.
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Die Vorsprunghöhe h1 des Mittelvorsprungs 12a kann zum Beispiel in einem Bereich von 0,1 bis 3,0 mm liegen. Ist die Vorsprunghöhe h1 zu hoch, wird eine übermäßige Menge des geschmolzenen Harzes erzeugt. Damit steigt leicht die Dicke der Grenzfläche zwischen dem ersten Harzbauteil 10 und dem zweiten Harzbauteil 20 oder wird leicht ungleichmäßig. Ist andererseits die Vorsprunghöhe h1 zu niedrig, verringert sich eine Differenz zwischen der Vorsprunghöhe h1 und den Vorsprunghöhen h2 der umliegenden Vorsprünge 12b, und es kann schwierig sein, damit zu beginnen, den Mittelvorsprung 12a zuerst zu schmelzen. Somit liegt die Vorsprunghöhe h1 des Mittelvorsprungs 12a vorzugsweise in einem Bereich von 0,15 bis 2,5 mm und stärker bevorzugt in einem Bereich von 0,2 bis 2,0 mm.
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Die umliegenden Vorsprünge 12b sind um den Mittelvorsprung 12a vorgesehen. Im beispielgemäßen ersten Harzbauteil 10 sind sechs umliegende Vorsprünge 12b um den Mittelvorsprung 12a in gleichen Intervallen angeordnet. Die Vorsprunghöhen h2 der umliegenden Vorsprünge 12b von der Oberfläche des ersten Harzbauteils 10 sind niedriger als die Vorsprunghöhe h1 des Mittelvorsprungs 12a. Die umliegenden Vorsprünge 12b stehen zu Beginn des Ultraschallschweißens nicht mit dem zweiten Harzbauteil 20 in Kontakt. Nachdem das obere Endteil des Mittelvorsprungs 12a geschmolzen ist, kommen die umliegenden Vorsprünge 12b mit dem zweiten Harzbauteil 20 in Kontakt. Anders gesagt beginnen die umliegenden Vorsprünge 12b zu schmelzen, nachdem der Mittelvorsprung 12a zu schmelzen beginnt.
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Der Mittelvorsprung 12a ermöglicht das Verbinden mit Hilfe des geschmolzenen Harzes in der Mitte des gewünschten Verbindungszielteilstücks S, und die umliegenden Vorsprünge 12b gewährleisten einen gewünschten Verbindungsbereich mit Hilfe des geschmolzenen Harzes. Ein durch die geschmolzenen umliegenden Vorsprünge 12b erzeugtes geschmolzenes Harz fließt in einen Raum zwischen den umliegenden Vorsprüngen 12b. Das durch den geschmolzenen Mittelvorsprung 12a erzeugte geschmolzene Harz kann auch in den Raum zwischen den umliegenden Vorsprüngen 12b fließen. Folglich ist ein Spielraum zum Entweichen des geschmolzenen Harzes gewährleistet, und das geschmolzene Harz verbleibt nicht in einem schmalen Bereich. Somit ist es möglich, Ungleichmäßigkeit der Grenzfläche zwischen dem Verbindungsteil des ersten Harzbauteils 10 und dem Verbindungsteil des zweiten Harzbauteils 20 zu reduzieren.
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Da in diesem Fall die zu schmelzenden Vorsprünge 12 den Mittelvorsprung 12a und die um den Mittelvorsprung 12a angeordneten umliegenden Vorsprünge 12b aufweisen, fließt das erzeugte geschmolzene Harz nacheinander nach außen, während es durch die umliegenden Vorsprünge 12b abgefangen wird. Auf diese Weise fließt das geschmolzene Harz leicht gleichmäßig in allen Regionen im Verbindungszielteilstück S. Somit ist es möglich, das erste Harzbauteil 10 und das zweite Harzbauteil 20 in der Mitte des Verbindungszielteilstücks S leicht zu verbinden, und es ist möglich, Ungleichmäßigkeit an der Verbindungsposition zu reduzieren.
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Die Vorsprunghöhen h2 der umliegenden Vorsprünge 12b können beispielsweise in einem Bereich von 0,01 bis 2,9 mm liegen. Sind die Vorsprunghöhen h2 zu hoch, ist es notwendig, die Vorsprunghöhe h1 des Mittelvorsprungs 12a weiter zu erhöhen. Folglich steigt leicht die Dicke der Grenzfläche zwischen dem ersten Harzbauteil 10 und dem zweiten Harzbauteil 20 oder wird leicht ungleichmäßig. Sind andererseits die Vorsprunghöhen h2 zu niedrig, verringert sich der Spielraum zum Entweichen des erzeugten geschmolzenen Harzes und das geschmolzene Harz bleibt leicht zurück. Folglich nimmt die Dicke der Grenzfläche zwischen dem ersten Harzbauteil 10 und dem zweiten Harzbauteil 20 leicht zu oder wird leicht ungleichmäßig. Somit liegen die Vorsprunghöhen h2 der umliegenden Vorsprünge 12b vorzugsweise in einem Bereich von 0,05 bis 2,0 mm und stärker bevorzugt in einem Bereich von 0,1 bis 1,5 mm.
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Vorzugsweise sind die umliegenden Vorsprünge 12b um den Mittelvorsprung 12a in gleichen Intervallen angeordnet. Sind die umliegenden Vorsprünge 12b um den Mittelvorsprung 12a in gleichen Intervallen angeordnet, ist es möglich, Kippen des ersten Harzbauteils 10 und des zweiten Harzbauteils 20 zu unterdrücken, nachdem der Kontaktdruck durch die Spitze 30 des Ultraschallschwingers ausgeübt und der Mittelvorsprung 12a geschmolzen ist. Daher kann der Kontaktdruck auf das Verbindungszielteilstück S gleichmäßig ausgeübt werden. Sind die umliegenden Vorsprünge 12b um den Mittelvorsprung 12a in gleichen Intervallen angeordnet, ist es zudem möglich, Mengenschwankungen des geschmolzenen Harzes in Abhängigkeit von Positionen im Verbindungszielteilstück S zu unterdrücken. Somit ist es möglich, das erste Harzbauteil 10 und das zweite Harzbauteil 20 in der Mitte des Verbindungszielteilstücks S leicht zu verbinden, und Ungleichmäßigkeit an der Verbindungsposition kann reduziert werden.
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Gemäß 3 ist der Mittelvorsprung 12a des ersten Harzbauteils 10 ein Vorsprung, der in der Mitte des Verbindungszielteilstücks S vorgesehen ist. Allerdings können mehrere Mittelvorsprünge 12a vorgesehen sein. In diesem Fall ist bevorzugt, dass mindestens drei oder mehr Mittelvorsprünge 12a vorgesehen sind, um einen Stützzustand des zweiten Harzbauteils 20 zu stabilisieren, das auf dem ersten Harzbauteil 10 so angebaut ist, dass es zum ersten Harzbauteil 10 weist, wenn das Ultraschallschweißen beginnt. Bei Verwendung von drei oder mehr Mittelvorsprüngen 12a ist es möglich, Kippen des zweiten Harzbauteils 20 zu unterdrücken und das Schmelzen ausgehend von den Mittelvorsprüngen 12a zu beginnen, wenn die Spitze 30 des Ultraschallschwingers angepresst wird. Zu beachten ist, dass bei Verwendung eines oder zweier Mittelvorsprünge 12a lediglich eine Lehre o. ä. zum Einsatz kommen muss, die das zweite Harzbauteil 20 stützt, um das Kippen des zweiten Harzbauteils 20 zu verhindern.
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4 ist eine Draufsicht und Querschnittansicht des ersten Harzbauteils 10 mit Vorsprüngen 12, wobei die Vorsprünge 12 drei Mittelvorsprünge 12a aufweisen. Die Querschnittansicht in 4 zeigt den Querschnitt E-E in der Draufsicht mit Blick in Pfeilrichtung. Die drei Mittelvorsprünge 12a sind In der Mitte des Verbindungszielteilstücks S in gleichen Intervallen angeordnet. Folglich wird das zweite Harzbauteil 20 beim Ultraschallschweißen stabil auf dem ersten Harzbauteil 10 gehalten. Auf diese Weise wird Kontaktdruck gleichmäßig auf die drei Mittelvorsprünge 12a über das zweite Harzbauteil 20 ab Schmelzbeginn ausgeübt. Somit beginnen die drei Mittelvorsprünge 12a, gleichmäßig zu schmelzen. In diesem Fall sind drei oder mehr Mittelvorsprünge 12a nicht unbedingt in völlig gleichmäßigen Intervallen angeordnet. Vorzugsweise sind die Mittelvorsprünge 12a so angeordnet, dass sie Kippen des ersten Harzbauteils 10 oder des zweiten Harzbauteils 20 beim Ultraschallschweißen unterdrücken.
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Im Fall gemäß 3 sind sechs umliegende Vorsprünge 12b um den Mittelvorsprung 12a in gleichen Intervallen angeordnet. Allerdings unterliegt die Anzahl umliegender Vorsprünge 12b keiner speziellen Einschränkung. Um aber Kontaktdruck gleichmäßig auf das Verbindungszielteilstück S des ersten Harzbauteils 10 und des zweiten Harzbauteils 20 beim Ultraschallschweißen auszuüben, ist bevorzugt, mindestens drei umliegende Vorsprünge 12b um den Mittelvorsprung 12a in gleichen Intervallen anzuordnen. In diesem Fall sind drei oder mehr umliegende Vorsprünge 12b nicht unbedingt in völlig gleichmäßigen Intervallen angeordnet. Vorzugsweise sind die umliegenden Vorsprünge 12b so angeordnet, dass sie Kippen des ersten Harzbauteils 10 oder des zweiten Harzbauteils 20 beim Ultraschallschweißen unterdrücken.
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Im Fall gemäß 3 sind die umliegenden Vorsprünge 12b in einer einzelnen Kreisform um die Mitte des Verbindungszielteilstücks S angeordnet. Alternativ können die umliegenden Vorsprünge 12b in einer doppelten oder noch zahlreicheren Kreisform angeordnet sein. 5 ist eine Draufsicht und Querschnittansicht des ersten Harzbauteils 10 mit umliegenden Vorsprüngen 12b und 12c, die um den Mittelvorsprung 12a doppelkreisförmig angeordnet sind. Die Querschnittansicht in 5 zeigt den Querschnitt F-F in der Draufsicht mit Blick in Pfeilrichtung. Die umliegenden Vorsprünge 12c sind an Positionen vorgesehen, die vom Mittelvorsprung 12a weiter entfernt als die umliegenden Vorsprünge 12b liegen. Die umliegenden Vorsprünge 12b sind sechs Vorsprünge, die um den Mittelvorsprung 12a in gleichen Intervallen angeordnet sind. Die umliegenden Vorsprünge 12c sind sechs Vorsprünge, die um die umliegenden Vorsprünge 12b in gleichen Intervallen angeordnet sind.
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Die Vorsprunghöhe h1 des Mittelvorsprungs 12a ist höher als die Vorsprunghöhen h2 und h3 der umliegenden Vorsprünge 12b und 12c. Die Vorsprunghöhen h2 der umliegenden Vorsprünge 12b näher zum Mittelvorsprung 12a sind höher als die Vorsprunghöhen h3 der umliegenden Vorsprünge 12c weiter vom Mittelvorsprung 12a entfernt. Folglich wird beim Ultraschallschweißen der Mittelvorsprung 12a zuerst geschmolzen, die umliegenden Vorsprünge 12b werden geschmolzen, und anschließend werden die umliegenden Vorsprünge 12c geschmolzen. Damit wird ein geschmolzenes Harz nacheinander von der Mitte des Verbindungszielteilstücks S zur Peripherie erzeugt, und es ist möglich, das erste Harzbauteil 10 und das zweite Harzbauteil 20 in der Mitte des Verbindungszielteilstücks S leicht zu verbinden. Als Ergebnis lassen sich Ungleichmäßigkeit der Dicke der Grenzfläche und Schwankung der Verbindungsposition reduzieren.
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Ein Abstand zwischen den umliegenden Vorsprüngen 12b (12c) und ein Abstand zwischen den umliegenden Vorsprüngen 12b und dem Mittelvorsprung 12a (Abstand zwischen Endteilen) liegen vorzugsweise in einem Bereich von 1,0 bis 15,0 mm. Ist der Abstand zu kurz, so ist der Spielraum zum Entweichen des geschmolzenen Harzes blockiert, und das geschmolzene Harz bleibt leicht zurück. Ist andererseits der Abstand zu lang, fehlt das geschmolzene Harz in der Grenzfläche zwischen dem ersten Harzbauteil 10 und dem zweiten Harzbauteil 20, und zu befürchten ist, dass die Dicke der Grenzfläche ungleichmäßig wird. Folglich liegen der Abstand zwischen den umliegenden Vorsprüngen 12b (12c) und der Abstand zwischen den umliegenden Vorsprüngen 12b und dem Mittelvorsprung 12a vorzugsweise in einem Bereich von 1,0 bis 10,0 mm und stärker bevorzugt in einem Bereich von 1,0 bis 5,0 mm.
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Querschnittformen der Vorsprünge 12 im Schnitt in Höhenrichtung der Vorsprünge 12, darunter des Mittelvorsprungs 12a und der umliegenden Vorsprünge 12b (12c) unterliegen keiner speziellen Einschränkung. Beispielsweise kann gemäß 6 die Querschnittform des Vorsprungs 12 jede von verschiedenen Formen sein, z. B. eine Halbellipsenform, eine Rechteckform, eine Trapezform und eine Kombination daraus.
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Zusätzlich unterliegen ebene Formen der Vorsprünge 12 mit Blick von oben keiner speziellen Einschränkung. beispielsweise kann gemäß 7 die ebene Form des Vorsprungs 12 jede von verschiedenen Formen sein, z. B. eine Kreisform, eine Ellipsenform, eine Rechteckform, eine Dreieckform, eine Polygonform, eine Kreuzform und eine Kombination daraus.
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2. Verfahren zum Verbinden von Harzbauteilen
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Vorstehend wurde die Konfiguration des ersten Harzbauteils 10 als beispielgemäßes Harzbauteil beschrieben. Im Folgenden wird ein Fall des Verfahrens zum Verbinden des ersten Harzbauteils 10 mit dem zweiten Harzbauteil 20 durch Ultraschallschweißen als beispielgemäßes Verfahren zum Verbinden von Harzbauteilen beschrieben.
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2-1. Beispielgemäßes Ultraschallschweißen
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8 bis 10 sind jeweils eine erläuternde Darstellung der Art und Weise, wie das erste Harzbauteil 10 mit dem zweiten Harzbauteil 20 verbunden wird. In 8 bis 10 ist eine Darstellung des ersten Harzbauteils 10 und des zweiten Harzbauteils 20 in gegenseitiger Überdeckung mit Blick von der Seite des zweiten Harzbauteils 20 oben gezeigt, und eine Querschnittansicht des ersten Harzbauteils 10 und des zweiten Harzbauteils 20 (Darstellung des Querschnitts B-B, des Querschnitts C-C oder des Querschnitts D-D mit Blick in Pfeilrichtung) ist unten gezeigt.
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Der Fall des Verbindungsverfahrens ist ein Fall des Ultraschallschweißens, bei dem die Spitze 30 des Ultraschallschwingers an ein Harzbauteil gepresst und Ultraschallschwingung auf das Verbindungszielteilstück S ausgeübt wird, während Kontaktdruck auf das Verbindungszielteilstück S wirkt, um das thermoplastische Harz zu schmelzen; dadurch werden das erste Harzbauteil 10 und das zweite Harzbauteil 20 verschweißt. Die Endform der verwendeten Spitze 30 kann punktartig mit einer spitzwinkligen Form sein oder kann eben mit einer Rautenform sein.
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Zunächst werden gemäß 8 das erste Harzbauteil 10 mit den Vorsprüngen 12 und das zweite Harzbauteil 20 in gegenseitige Überdeckung gebracht, während man die Verbindungsflächen der beiden Bauteile zueinander weisen lässt. Im dargestellten Fall wird das zweite Harzbauteil 20 mit seiner nach unten weisenden Verbindungsfläche so gehalten, dass es das erste Harzbauteil 10 überdeckt, das mit seiner nach oben weisenden Verbindungsfläche angebaut ist. Das erste Harzbauteil 10 und das zweite Harzbauteil 20 können umgedreht sein. Ist nur ein Mittelvorsprung 12a vorgesehen, kann das zweite Harzbauteil 20 mit Hilfe der Lehre (nicht gezeigt) gehalten werden, da das auf dem ersten Harzbauteil 10 angebaute zweite Harzbauteil 20 geringe Stabilität hat.
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In diesem Zustand wird die Spitze 30 an die dem Verbindungszielteilstück S entsprechende Position von der Kopfflächenseite des zweiten Harzbauteils 20 gepresst, während Ultraschallschwingung einwirkt. Unter den Vorsprüngen 12 des ersten Harzbauteils 10 beginnen folglich der Mittelvorsprung 12a mit der relativ hohen Vorsprunghöhe h1 sowie eine Oberfläche des zweiten Harzbauteils 20 in Kontakt mit dem Mittelvorsprung 12a zu schmelzen. Gemäß 9 fließt ein dabei erzeugtes geschmolzenes Harz P in einen Raum um den Mittelvorsprung 12a.
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Die Spitze 30 wird weiter an das zweite Harzbauteil 20 gepresst, während Ultraschallschwingung ausgeübt wird; dadurch kommen die zu den Vorsprüngen 12 des ersten Harzbauteils 10 gehörenden umliegenden Vorsprünge 12b in Kontakt mit dem zweiten Harzbauteil 20. Zusätzlich zum kontinuierlich schmelzenden Mittelvorsprung 12a beginnen folglich die umliegenden Vorsprünge 12b und die Oberfläche des zweiten Harzbauteils 20 in Kontakt mit den umliegenden Vorsprüngen 12b zu schmelzen. Hierbei wird das geschmolzene Harz in allen Regionen im Verbindungszielteilstück S gleichmäßig erzeugt. Das erzeugte geschmolzene Harz fließt aus dem Raum zwischen den umliegenden Vorsprüngen 12b nach außen.
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Nachdem dann eine vorab festgelegte vorbestimmte Zeit ab Pressbeginn der Spitze 30 an das zweite Harzbauteil 20 abgelaufen ist, wird die Spitze 30 angehoben; wodurch das Ultraschallschweißen beendet wird. Das geschmolzene Harz P beginnt, in einem Zustand zu härten, in dem es im Raum zwischen dem ersten Harzbauteil 10 und dem zweiten Harzbauteil 20 eingefüllt ist, und die Grenzfläche zwischen der Verbindungsfläche des ersten Harzbauteils 10 und der Verbindungsfläche des zweiten Harzbauteils 20 wird verschweißt. Gemäß 10 wird die Dicke der Grenzfläche auch im Verbindungszielteilstück S durch das geschmolzene Harz P, das durch Schmelzen des Mittelvorsprungs 12a erzeugt wird, der zuerst geschmolzen wird, und durch das geschmolzene Harz P, das durch anschließendes Schmelzen der umliegenden Vorsprünge 12b erzeugt wird, vergleichmäßigt. Im Fall gemäß 10 ist das geschmolzene Harz P in die Umgebung des Verbindungszielteilstücks S geflossen.
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Wie zuvor beschrieben, ist es durch das Ultraschallschweißen mit Hilfe des ersten Harzbauteils 10, das den vorbestimmten Mittelvorsprung 12a und die umliegenden Vorsprünge 12b im Verbindungszielteilstück S aufweist, möglich, eine Schmelzanfangsposition und eine Menge und Position von geschmolzenem Harz so zu steuern, dass die Dicke der Schweißgrenzfläche zwischen dem ersten Harzbauteil 10 und dem zweiten Harzbauteil 20 stabilisiert wird. Damit kann die Verbindungsfestigkeit zwischen dem ersten Harzbauteil 10 und dem zweiten Harzbauteil 20 stabilisiert werden. Da zusätzlich die umliegenden Vorsprünge 12b um den Mittelvorsprung 12a vorgesehen sind, ist der Spielraum zum Entweichen des geschmolzenen Harzes P gewährleistet, und das geschmolzene Harz P wird daran gehindert, in einem schmalen Bereich zu verbleiben. Folglich ist es möglich, durch das geschmolzene Harz P das Abheben des ersten Harzbauteils 10 vom zweiten Harzbauteil 20 zu unterdrücken.
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Da die umliegenden Vorsprünge 12b um den Mittelvorsprung 12a vorgesehen sind, stößt zusätzlich das von der Mitte des Verbindungszielteilstücks S nach außen fließende geschmolzene Harz P auf Widerstand, das geschmolzene Harz P breitet sich im Verbindungszielteilstück S aus, und das geschmolzene Harz P trägt sicher zur Verbesserung der Verbindungsfestigkeit bei. Da wie zuvor beschrieben das Ultraschallschweißen mit Hilfe der beispielgemäßen Harzbauteile durchgeführt wird, wird die Dicke der Grenzfläche zwischen der Verbindungsfläche des ersten Harzbauteils 10 und der Verbindungsfläche des zweiten Harzbauteils 20 stabilisiert, und die Verbindungsfestigkeit zwischen dem ersten Harzbauteil 10 und dem zweiten Harzbauteil 20 wird stabilisiert.
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2-2. Ultraschallschweißen gemäß dem Vergleichsbeispiel
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Zum Vergleich wird nunmehr ein Vergleichsbeispiel beschrieben, in dem Harzbauteile, die keine Vorsprünge im Verbindungszielteilstück S haben, durch Ultraschallschweißen verbunden werden. 11 ist eine erläuternde Darstellung der Art und Weise, wie ein erstes Harzbauteil 110 mit einem zweiten Harzbauteil 120 im Vergleichsbeispiel verbunden wird. In 11 ist eine Darstellung des ersten Harzbauteils 110 und des zweiten Harzbauteils 120, die einander überdecken, mit Blick von der Seite des zweiten Harzbauteils 120 oben gezeigt, und eine Seitenansicht des ersten Harzbauteils 110 und des zweiten Harzbauteils 120 ist unten dargestellt.
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Im Vergleichsbeispiel wird Kontaktdruck durch die Spitze 30 des Ultraschallschwingers in dem Zustand ausgeübt, in dem eine Verbindungsfläche des ersten Harzbauteils 110 und eine Verbindungsfläche des zweiten Harzbauteils 120 einander überdecken. Da in diesem Fall das Verbindungszielteilstück keinen Mittelvorsprung und keine umliegenden Vorsprünge aufweist, beginnt das Schmelzen von einer beliebigen Position aus, an der das erste Harzbauteil 110 und das zweite Harzbauteil 120 in Kontakt miteinander stehen. Insbesondere bei einem Harzbauteil mit relativ geringer Oberflächengüte, z. B. faserverstärktem Harz, ist es schwierig, eine Schmelzanfangsposition zu steuern. Folglich beginnt gemäß 11 das Schmelzen mitunter in einer Region um das Verbindungszielteilstück S.
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Da zusätzlich das geschmolzene Harz P in dem Zustand erzeugt wird, in dem die Verbindungszielfläche des ersten Harzbauteils 110 und die Verbindungszielfläche des zweiten Harzbauteils 120 in gegenseitigem Kontakt stehen, gibt es keinen Spielraum zum Entweichen des geschmolzenen Harzes P, und das erste Harzbauteil 110 wird durch das geschmolzene Harz P leicht vom zweiten Harzbauteil 120 abgehoben. Folglich dient im Vergleichsbeispiel das geschmolzene Harz P als Kleber zwischen dem ersten Harzbauteil 110 und dem zweiten Harzbauteil 120. Allerdings wird die Dicke der Grenzfläche zwischen dem ersten Harzbauteil 110 und dem zweiten Harzbauteil 120 ungleichmäßig, und die Verbindungsfestigkeit wird instabil.
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3. Wirkung
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Das zuvor beschriebene beispielgemäße Harzbauteil (erstes Harzbauteil 10) weist die Vorsprünge 12 im Verbindungszielteilstück S auf, wobei zu den Vorsprüngen 12 der Mittelvorsprung 12a und die umliegenden Vorsprünge 12b gehören. Unter den Vorsprüngen 12 ist die Vorsprunghöhe h1 des in der Mitte des Verbindungszielteilstücks S vorgesehenen Mittelvorsprungs 12a höher als die Vorsprunghöhen h2 der um den Mittelvorsprung 12a vorgesehenen umliegenden Vorsprünge 12b. Somit ist es möglich, die Schmelzanfangsposition festzulegen, wenn der Ultraschallschwinger Kontaktdruck ausübt.
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Da zusätzlich die umliegenden Vorsprünge 12b so vorgesehen sind, dass sie eine Peripherie des Mittelvorsprungs 12a umgeben, wird das geschmolzene Harz P von der Mitte zur Peripherie des Verbindungszielteilstücks S nacheinander erzeugt. Hierbei ist der Spielraum zum Entweichen des geschmolzenen Harzes P durch den Mittelvorsprung 12a und die umliegenden Vorsprünge 12b gebildet, wodurch sich das geschmolzene Harz P in allen Regionen des Verbindungszielteilstücks S leicht ausbreitet. Auf diese Weise wird die Dicke der Grenzfläche zwischen dem ersten Harzbauteil 10 und dem zweiten Harzbauteil 20 im Verbindungszielteilstück S stabil gleichmäßig, und die Verbindungsfestigkeit zwischen dem ersten Harzbauteil 10 und dem zweiten Harzbauteil 20 wird stabil.
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Durch Gebrauch des beispielgemäßen Harzbauteils (erstes Harzbauteil 10) ist es möglich, eine Menge des beim Ultraschallschweißen erzeugten geschmolzenen Harzes P zu steuern, indem Größen oder die Anzahl der Mittelvorsprünge 12a und der umliegenden Vorsprünge 12b eingestellt werden. Folglich lassen sich auch dann, wenn Verbindungsflächen geringe Glätte oder komplizierte Formen haben, die Dicke der Grenzfläche zwischen den Verbindungsflächen der Harzbauteile und die Verbindungsfestigkeit zwischen den Harzbauteilen stabilisieren.
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Obwohl das bevorzugte Beispiel für die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Dem Fachmann ist klar, dass verschiedene Abwandlungen oder Abänderungen möglich sind, soweit sie in den technischen Schutzumfang der beigefügten Ansprüche oder deren Äquivalente fallen. Verständlich sollte sein, dass derartige Abwandlungen oder Abänderungen ebenfalls im technischen Schutzumfang der Erfindung liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2015-055936 [0001]
- JP 10-156555 A [0005, 0006]
