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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Leiterbahnstanzgitter mit einem Kernelement, einer daran angrenzenden kunststoffhaltigen Vorumspritzung, die zumindest teilweise von einer kunststoffhaltigen Hauptumspritzung umgeben ist, wobei die Vorumspritzung zumindest einen Abstützbereich für ein Werkzeug umfasst, der sich durch die Hauptumspritzung hindurch bis zur Oberfläche der Hauptumspritzung erstreckt.
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Im Kraftfahrzeugbereich werden Steuergeräte mit Hilfe von isolierten Leiterbahnstanzgittern elektrisch kontaktiert. Solche Leiterbahnstanzgitter finden z.B. in solchen elektronischen Steuergeräten Anwendung, wie sie etwa in der
DE 10 2007 019 095 A1 offenbart sind.
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Die Leiterbahnstanzgitter sind vorzugsweise flache Elemente, auf denen auch elektronische Bauteile angebracht werden können. Es sind elektrisch leitende Abschnitte nach Art singulärer Leiterbahnen auf den Leiterbahnstanzgittern, insbesondere auf einem Kernelement, das zentral oder mittig angeordnet ist, vorhanden. Das Kernelement ist dabei aus Kunststoff oder Metall hergestellt. Bei einer Kunststoffausführung sind die leitenden Abschnitte bahnartig auf dem Leitebahnstanzgitter aufgebracht.
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Die Leiterbahnstanzgitter sind häufig durch Stanzverfahren hergestellte Bauteile, die mit Kunststoff umspritzt werden. Üblicherweise werden im Stand der Technik dabei vier Fertigungsschritte durchlaufen.
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In einem ersten Fertigungsschritt werden die Kernelemente der Leiterbahnstanzgitter mittels Stanzverfahren geschaffen. Dabei sind die einzelnen Kernelemente an einigen Stellen miteinander verbunden. Das hat den Vorteil, dass nicht jedes einzelne Kernelement in ein später benötigtes Umspritzungswerkzeug eingelegt werden muss.
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Das Umspritzen der Kernelemente zum Ausformen der fertigen Leiterbahnstanzgitter ist notwendig, um einerseits eine mechanische Stabilisierung und andererseits die notwendige elektrische Isolierung nach außen zu gewährleisten.
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In einem nachfolgenden zweiten Schritt findet ein teilweises Vorumspritzen der Kernelemente der Leiterbahnstanzgitter statt. Dabei werden jedoch die Verbindungsstellen, die die einzelnen Kernelemente zusammenhalten, zwischen den Kernelementen angeordnet und in diesem Schritt nicht umspritzt. Die Verbindungsstellen haben eine Breite von ungefähr 1 bis 2 mm. Die Verbindungsstellen von Vorteil beim Vermeiden der einzelnen Abschnitte der Kernelemente des Leiterbahnstanzgitters, etwa aufgrund hoher Drücke bis 60 MPa.
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Im danach folgenden dritten Verfahrensschritt werden die Kernelementen freigestanzt. Dabei werden die Verbindungsstellen zwischen den Kernelementen herausgestanzt oder anders getrennt. In einzelnen Anwendungsfällen entstehen dann 15 bis 16 einzelne Kernelemente. Die im zweiten Schritt geschaffene Vorumspritzung hält nun die Kernelemente zusammen und in ihrer geforderten geometrischen Position.
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In einem nachfolgenden vierten Verfahrensschritt findet eine Hauptumspritzen der einzelnen vorumspritzten Kernelemente statt. In diesem Arbeitsschritt wird die Vorumspritzung nahezu vollständig umspritzt. Auch die noch freien Bereiche des Leiterbahnstanzgitters werden umspritzt.
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Um ein Verschieben der einzelnen Abschnitte der Kernelemente der Leiterbahnstanzgitter zueinander zu vermeiden und die gewünschte Position der Kernelemente im Leiterbahnstanzgitter zu gewährleisten, werden im Umspritzungswerkzeug für die Hauptumspritzung die Abstützbereiche auf der Vorumspritzung zur Anlage gebracht, so dass die Abstützbereiche eine Positionierung im Um-
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spritzungswerkzeug für die Hauptumspritzung sicherstellen. Dies ist unter anderem aufgrund der hohen Drücke von ca. 60 MPa notwendig. Dadurch werden Verwindungen und Wellen in den einzelnen Leiterbahnstanzgittern verhindert.
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Diese Abstützbereiche durchdringen die Hauptumspritzung im fertigen Zustand. Leider hat sich im Stand der Technik gezeigt, dass zwischen der Vorumspritzung und der Hauptumspritzung in der Regel keine ausreichende stoffliche Verbindung stattfindet. Ein sehr kleiner Spalt, nach Art einer Mikrokavität, zwischen der Vorumspritzung und der Hauptumspritzung ist dann möglich. Durch diesen Spalt kann dann ein aggressives Fluid, z.B. eine Flüssigkeit, wie Öl, etwa Getriebeöl, oder eine ähnliche Flüssigkeit eindringen, wenn die Teile in einer entsprechenden Umgebung zum Einsatz kommen. Eine solche Umgebung liegt insbesondere bei der Verwendung in Kraftfahrzeugen, wie Pkws oder Lkws vor. Dort kommen die entsprechenden Leiterbahnstanzgitter in Steuergeräten zum Einsatz. Sie kommen dann mit Getriebeöl, Bremsflüssigkeit oder ähnlich aggressiven Flüssigkeiten in Kontakt.
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Da beim Betrieb in einem Kraftfahrzeug große Temperaturwechsel auftauchen, verstärken diese dann das Eindringen der Fluide in den Spalt zwischen der Vorumspritzung und der Hauptumspritzung.
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Genau dies gilt es jedoch zu verhindern, da bestimmte Fluide, wie Öle, die Metalle, die in den Kernelementen enthalten sind, angreifen. So findet dann eine chemische Reaktion, wie etwa eine Oxidation, statt. Hierdurch wird erstens das Leiterbahnstanzgittermaterial geschädigt und zweitens können Reaktionsprodukte entstehen, die unerwünschte Auswirkungen herbeiführen. Solche unerwünschten Auswirkungen sind z.B. Kurzschlüsse, die zu einem Ausfall des Steuergeräts und zu einem Ausfall der entsprechenden durch das Steuergerät gesteuerten Funktion führen. Dies hat somit eine hohe Sicherheitsrelevanz.
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Um die Dichtheit zwischen der Vorumspritzung und der Hauptumspritzung zu erreichen, wird bisher auf unterschiedliche Materialien der Vorumspritzung und der Hauptumspritzung gesetzt. Dabei hat das Material der Vorumspritzung einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Material der Hauptumspritzung. Durch die heiße Schmelze der Hauptumspritzung wird dann ein Anschmelzen der Vorumspritzung bewirkt, womit eine stoffliche Verbindung zwischen der Vorumspritzung
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und Hauptumspritzung erreicht werden soll. Allerdings hat dieser Ausweg den Nachteil, dass die Funktion im Hochtemperaturbereich nicht sicher gewährleistbar ist, da die niedrig schmelzende Vorumspritzung keine ausreichende Temperaturfestigkeit aufweist.
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Auch ein zusätzliches oder alternatives Imprägnierverfahren, bei dem der Spalt zwischen der Vorumspritzung und der Hauptumspritzung in einem zusätzlichen Arbeitsgang mit einem Füllstoff verschlossen wird, zieht einen relativ hohen Aufwand und somit höhere Kosten nach sich.
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Aus der
EP 1 170 110 A1 ist eine elektrische Schaltungseinheit mit einer kunststoffumpritzten Leiterstruktur bekannt, welche eine Vorumspritzung, die zumindest teilweise von einer kunststoffhaltigen Hauptumspritzung umgeben ist, aufweist, wobei sich die Vorumspritzung durch die Hauptumspritzung hindurch bis zur Oberfläche der Hauptumspritzung erstreckt.
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Aus der
DE 10 2004 020 085 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines kunststoffumspritzten Stanzgitters bekannt, das in einer Stritzgussform in ein Gehäuse aus Kunststoff eingebettet wird, wobei das Stanzgitter während des Spritzvorgangs an einem Fixierelement aus Kunststoff, welches vom eingespritzten Kusntstoff teilweise umschlossen wird, fixiert wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Ein gattungsgemäßes Leiterbahnstanzgitter wird erfindungsgemäß dadurch verbessert, dass die Oberflächenkontur der Vorumspritzung geometrisch so ausgestaltet ist, dass ein Eindringen einer Flüssigkeit zwischen der Hauptumspritzung und der Vorumspritzung erschwert ist, wobei von der Vorumspritzung ein sich in Richtung der Oberfläche der Hauptumspritzung erstreckender Vorsprung ausgebildet ist und zumindest ein Teil des Vorsprungs als Schmelzrippe ausgebildet ist.
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Die geometrische Gestaltung ist dabei derart, dass sie der eindringenden Flüssigkeit ausreichend Widerstand entgegenstellt und selbst die Kapillarkraft ausgleicht. Auf diese Weise wird selbst in aggressiven Medien ein langlebiges und ausfallsicheres Leiterbahnstanzgitter erreicht, dessen Einsatz in einem Steuergerät zu einem entsprechend verbesserten Steuergerät führt. Dieses Steuergerät ist dann ebenfalls ausfallsicherer und kostengünstiger als bisher zu erstellen.
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Dadurch, dass von der Vorumspritzung ein sich in Richtung der Oberfläche der Hauptumspritzung erstreckender Vorsprung ausgebildet ist, wobei ein Teil des Vorsprungs als Schmelzrippe ausgebildet ist, wird sowohl der Kriechweg, den die von der Oberfläche der Hauptumspritzung eindringende Flüssigkeit zurücklegen muss, um zum Kernelement des Leiterbahnstanzgitters zu gelangen, verlängert, als auch erreicht, dass die Dichtheit im Spalt zwischen der Vorumspritzung und der Hauptumspritzung gegen ein Eindringen der Flüssigkeit erhöht wird.
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Vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
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So ist es von Vorteil, wenn ein Abstützbereich der Vorumspritzung eine das Eindringen erschwerende Außenkontur aufweist. Beim Ausgestalten der Vorumspritzung, etwa in einem Spritzgießprozess, ist mit einfachen Mitteln die Außenkontur dabei so ausgestaltbar, dass der nach späterer Ummantelung mit der Hauptumspritzung verbleibende Spalt zwischen der Vorumspritzung und der Hauptumspritzung nur schwer oder gar nicht von Flüssigkeit durchdrungen werden kann. So kann Flüssigkeit von der Außenseite der Hauptumspritzung nicht durch den Spalt bis zum Kernelement des Leiterbahnstanzgitters gelangen und dort Korrosion und/oder Kurzschlüsse hervorrufen.
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Als besonders effizient hat es sich herausgestellt, wenn die Oberfläche der Vorumspritzung eine solche Oberflächenkontur aufweist, dass eine Labyrinthdichtungswirkung im Zusammenwirken mit der Hauptumspritzung bewirkt ist.
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Als besonders günstig zu fertigen, hat es sich herausgestellt, wenn der Vorsprung sich konzentrisch um eine sich ebenfalls konzentrisch um den Abstützbereich der Vorumspritzung erstreckende Vertiefung erstreckt. Zusätzlich muss dann die Flüssigkeit erst am Abstützbereich entlang bis in die Vertiefung und dann wieder zurück über den Vorsprung entlangkriechen, um danach auf der der Vertiefung gegenüberliegenden Seite des Vorsprungs wieder hinunter bis letztendlich zum Kernelement des Leiterbahnstanzgitters zu gelangen. Die Wahrscheinlichkeit, dass die Flüssigkeit zu einem durchgehenden Film von der Oberfläche der Hauptumspritzung bis zu der Oberfläche des Leiterbahnstanzgitters führt, wird durch diese Ausgestaltungsform weiter reduziert.
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Als besonders vorteilhaft hat sich ferner herausgestellt, wenn der Abstützbereich an der Oberfläche der Hauptumspritzung einen Umfang von 3 mm bis 7 mm aufweist.
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Dabei hat es sich auch als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Abstützbereich eine kreisrunde Außenkontur an der Oberfläche der Hauptumspritzung aufweist.
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Durch eine konische, zur Oberfläche der Hauptumspritzung zulaufende Form des Abstützbereiches wird bei einer gleichen Eintrittslänge für die Flüssigkeit an der Oberfläche der Hauptumspritzung eine verbesserte Stabilität des Abstützbereiches erreicht. Am schmalen Ende des Abstützbereiches, das eine Abstützfläche bildet, kann ein Kunststoffformgebungswerkzeug abgestützt werden.
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Es ist auch von Vorteil, wenn der Vorsprung eine kreisrunde Außenkontur mit einem Durchmesser von 2 mm bis 5 mm aufweist. Somit kann ein Ausknicken und/oder ein Beschädigen der Kontur des Abstützbereiches beim Schließen des Werkzeuges für die Hauptumspritzung besonderes wirkungsvoll vermieden werden.
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Die Erfindung betrifft auch ein Steuergerät mit einem Leiterbahnstanzgitter, das wie erläutert ausgeführt ist.
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Es hat sich ferner auch als vorteilhaft herausgestellt, wenn auf der Oberfläche der Hauptumspritzung einzelne Aussparungen vorgesehen sind, um Verzug im Kunststoffmaterial der Hauptumspritzung durch Materialanhäufung zu minimieren. Als besonders geeignetes Material hat sich Polyamid herausgestellt.
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Die Erfindung wird nachfolgend auch mit Hilfe einer Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 einen Querschnitt durch ein Werkzeug mit Hilfe dessen eine Vorumspritzung auf ein Kernelement eines Leiterbahnstanzgitters aufgebracht wird und wie es im Stand der Technik verwendet wird,
- 2 einen Querschnitt durch eine zweites Werkzeug, um eine Hauptumspritzung zu schaffen, die die Vorumspritzung und das Kernelement des Leiterbahnstanzgitters umgibt und wie es im Stand der Technik verwendet wird,
- 3 einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leiterbahnstanzgitters,
- 4 eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform eines Leiterbahnstanzgitters im Querschnitt und
- 5 eine dritte erfindungsgemäße Leiterbahnstanzgitterausgestaltung im Querschnitt.
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Die Zeichnungen sind lediglich schematischer Natur und diesen nur dem Verständnis der Erfindung, wobei bei den Figuren für gleiche Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
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In 1 ist ein Leiterbahnstanzgitter mit einem Kernelement 1, das mit einer kunststoffhaltigen Vorumspritzung 2 überzogen ist, dargestellt. Ein erstes Werkzeug 3 stützt sich in den ersten Bereichen 4 am Kernelement 1 des Leiterbahnstanzgitters ab. Es umgibt dabei das Kernelement 1 des Leiterbahnstanzgitters und bildet einen Hohlraum 5, der, nach Befüllung des ersten Werkzeugs 3 mit einem Kunststoffmaterial, wie Polymaid, die Vorumspritzung 2 ausformt. Die Vorumspritzung 2 umgibt dabei teilweise das Kernelement 1 des Leiterbahnstanzgitters.
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In 2 umgibt nun das zweite Werkzeug 7 das Kernelement 1 des Leiterbahnstanzgitters und die Vorumspritzung 2. Dabei stützt es sich auf der Oberfläche eines Abstützbereiches 6 ab, der durch einen Abschnitt der Vorumspritzung 2 gebildet ist.
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Wird nun der Bereich zwischen den zwei Hälften des Werkzeugs 7 durch Kunststoff, wie er schon für die Vorumspritzung verwendet wurde, also Polyamid, befüllt, so umgibt eine dann entstehende Hauptumspritzung 8 im Wesentlichen die Vorumspritzung 2 und im Wesentlichen auch das Kernelement 1 des Leiterbahnstanzgitters.
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Allerdings ist eine an dem zweiten Werkzeug 7 während des Ausbildens der Hauptumspritzung 8 anliegende Oberfläche 9 des Abstützbereiches 6 nicht von dem Material der Hauptumspritzung 8 bedeckt.
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Es ist daher möglich, dass durch einen Spalt 10, der sich von einer Oberfläche 11 der Hauptumspritzung 8 bis zu einer Oberfläche 12 des Kernelements 1 des Leiterbahnstanzgitters erstreckt, Fluid eintritt und bis zum Kernelement 1 gelangt.
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Das Fluid ist normalerweise eine Flüssigkeit. Unter solchen Flüssigkeiten werden Öle, insbesondere Getriebeöle, aber auch Bremsflüssigkeiten und Hydrauliköle verstanden.
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In 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leiterbahnstanzgitters ausschnittsweise im Querschnitt dargestellt. Die Vorumspritzung 2 weist dabei auch einen Abstützbereich 6 auf. Der Abstützbereich wird in einem nachfolgenden Verfahrensschritt benötigt, damit sich dort das zweite Werkzeug 7 abstützen kann. Dies ist in 2 dargestellt. Dabei umgibt die Vorumspritzung 2 das Kernelement 1 des Leiterbahnstanzgitters und weist einen zu einer Symmetrieachse der Vorumspritzung konzentrischen Abstützbereich 6 auf.
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Der Abstützbereich 6, der auch konisch ausformbar ist, weist einen inneren Zapfen 13 und einen den Zapfen 13 konzentrisch umgebenden Vorsprung 14 auf. Zwischen dem Zapfen 13 und dem Vorsprung 14 ist eine Vertiefung 15 ausgebildet. Der Vorsprung 14 ist spitz zulaufend ausgebildet und hat eine Seite, die parallel zu einer Symmetrieachse durch den Zapfen 13 ausgerichtet ist. Die Symmetrieachse ist mit dem Bezugszeichen 16 versehen.
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Der Vorsprung 14 ist insbesondere als Schmelzrippe ausgestaltet. Während er in dem Ausführungsbeispiel, welches in 3 dargestellt ist, durchgehend als Schmelzrippe ausgestaltet ist, ist es möglich, dass nur bestimmte Abschnitte des Vorsprungs als Schmelzrippen ausgestaltet sind. Wie in 3 durch die gestrichelte Linie 17 symbolisiert wird, verlängert sich der Kriechweg durch die Kombination aus Vertiefung 15 und Vorsprung 14.
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Der Abstützbereich 6 weist einen inneren Durchmesser Di und einen äußeren Durchmesser Da auf. Der innere Durchmesser beträgt ca. 1 mm bis 2 mm, wohingegen der äußere Durchmesser ca. 2 mm bis 3 mm beträgt.
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Auf der Oberfläche 11 der Hauptumspritzung 8 ist zumindest eine Aussparung 18 ausgebildet. Diese Aussparung umgibt ebenfalls konzentrisch die Symmetrieachse 16 und hat einen Innendurchmesser DI von ca. 3 mm bis ca. 4 mm.
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In dem zweiten Ausführungsbeispiel in 4 weist der Zapfen 13 des Abstützbereiches 6 eine zur Oberfläche 9 des Abstützbereiches 6 zulaufende konzentrische Form auf. Der Durchmesser Di beträgt hier ebenfalls ca. 1 mm bis 2 mm, wohingegen der Außendurchmesser Da in diesem Ausführungsbeispiel ungefähr 4 mm bis 5 mm beträgt. Der verlängerte Kriechweg ist hier ebenfalls mit dem Bezugszeichen 17, wie schon aus 3 bekannt, dargestellt. Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist der Vorsprung 14 als Schmelzrippe ausgestaltet. Der Vorsprung 14 schmilzt daher mit dem Material der Hauptumspritzung 8 zusammen, sobald das heiße Kunststoffmaterial der Hauptumspritzung 8 in Kontakt mit dem niederschmelzenden Kunststoff der Vorumspritzung 2 gerät.
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Ein drittes Ausführungsbeispiel ist in 5 dargestellt. Dabei umgibt sich der Zapfen 13 mit mehreren zueinander konzentrisch angeordneten Vorsprüngen 14, die allerdings äquidistant zueinander angeordnet sind und bei zunehmender Entfernung von der Symmetrieachse 16 einen größeren Abstand zu der Oberfläche 11 der Hauptumspritzung aufweisen. Die einzelnen Vorsprünge 14 sind dabei ebenfalls als Schmelzrippen ausgebildet. Der Innendurchmesser Di des Zapfens 13 an der Oberfläche 9 des Abstützbereiches 6 beträgt hier ebenfalls 1 mm bis 2 mm.
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Es ist erstrebenswert und in einigen Fällen auch notwendig, dass eine Vielzahl von Abstützbereichen 6 vorgesehen ist, um einen Verzug der Leiterbahnstanzgitter, insbesondere der Kernelemente, während des Umspritzens mit der Hauptumspritzung 8 zu verhindern.
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Während in den Ausführungsbeispielen immer eine zum Leiterbahnstanzgitter symmetrische Ausgestaltung dargestellt ist, ist es auch möglich, zu einer Ebene durch die Leiterbahnstanzgitter verlaufende Symmetrieebene unsymmetrische Ausgestaltungen zu kreieren. Dabei ist es sogar möglich, dass das Kernelement 1 am Rand des Schichtenaufbaus, den das Leiterbahnenstanzgitter darstellt, angeordnet ist.