DE29600917U1

DE29600917U1 - Hinsichtlich Druckbeanspruchung verstärkte lineare Kugelführung

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Publication number: DE29600917U1
Application number: DE29600917U
Authority: DE
Original assignee: Hiwin Technologies Corp
Current assignee: Hiwin Technologies Corp
Priority date: 1996-01-19
Filing date: 1996-01-19
Publication date: 1996-03-07
Anticipated expiration: 2006-01-20

Description

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Hinsichtlich Druckbeanspruchung verstärkte lineare Kugelführung

Die Erfindung betrifft eine lineare Kugelführung, insbesondere eine hinsichtlich Druckbeanspruchung verstärkte lineare Kugelführung mit vier Reihen Kugellagern.

Lineare Kugelführungen werden schon lange in Präzisionsmaschinen und -instrumenten eingesetzt. Die heute auf dem Markt befindlichen linearen Kugelführungen können grob nach der Anzahl der Reihen von Kugellagern in 2-reihige, 4-reihige und 6-reihige lineare Kugelführungen eingeordnet werden, wobei die 4-reihigen am häufigsten vertreten sind. Die heute üblichen 4-reihigen linearen Kugelführungen können im wesentlichen in drei Kategorien eingeteilt werden.

In der ersten Kategorie (siehe Fig. 15) stehen die Belastungsrichtungen der benachbarten Kugelreihen 11 senkrecht zueinander und die Verlängerungslinien der Belastungsrichtungen der jeweils seitlich benachbarten Kugelreihen 11, 12 kreuzen einander an der dem Führungskörper zugewandten Seite der Führungsbahnen in Punkt A.

In der zweiten Kategorie (siehe Fig. 16) stehen die Belastungsrichtungen der benachbarten Kugelreihen 13 senkrecht zueinander, aber die Verlängerungslinien der Belastungsrichtungen der jeweils an den Seiten benachbarten Kugelreihen 13, 14 kreuzen einander an der dem Führungskörper abgewandten Seite der Führungsbahnen in Punkt B.

In der dritten Kategorie (siehe Fig. 17) sind die Belastungsrichtungen der oberen beiden Kugelreihen 15 gleich, nämlich in senkrechter Richtung, und die Belastungsrichtungen der unteren Kugellagerreihen an beiden Seiten 16 bilden mit den oberen Kugellagerreihen jeweils einen 120° - Winkel, und kreuzen einander etwa zwischen den oberen Kugelreihen.

Die herkömmlichen linearen Kugelführungen der ersten und der zweiten Kategorie weisen in den vier waagerechten und

senkrechten Richtungen gleiche Belastbarkeit auf, sogar bei Zugkraft nach oben hat das Gleitstück 1 eine sehr hohe Steifigkeit.

Die Führung muß im allgemeinen nur selten eine reine Zugkraft nach oben abtragen; meist ist der größte Wert der abzutragenden Zugkraft nach oben kleiner als die Druckkraft nach unten: Das Gleitstück ist vor allem Druck nach unten und in seitliche Richtung ausgesetzt.

Leider beträgt jedoch, wenn die Belastung von oben gleich der von der Seite ist, die zulässige Belastung der linearen Kugelführungen dieser beiden Kategorien nur 70% der seitlich zulässigen Belastung.

Lineare Kugelführungen der dritten Kategorie haben zwar bei Druck nach unten sehr gute Belastbarkeit und können auch einigen seitlichen Druck gut aushalten; wegen der geringeren Steifigkeit bei seitlicher Beanspruchung wird jedoch die Genauigkeit der Position des Gleitstücks mangelhaft, und die Führungsschiene 7 und das Gleitstück 1 dieser Kategorie erfordern beim Polieren wenigstens zwei Bearbeitungsachsen, wodurch nicht nur die Fertigungsmaschine komplizierter wird, sondern auch die korrekte Positionierung der beiden Achsen recht schwierig ist.

Fig. 17 zeigt eine herkömmliche lineare Kugelführung der dritten Kategorie. Diese hat zwar bei reiner Druckbelastung nach unten eine sehr gute Tragkraft, aber die seitliche Steifigkeit ist mangelhaft und kann die Anforderungen an die Maschine bei schweren seitlichen Lasten nur unbefriedigend erfüllen, und bei der Herstellung der Führung der dritten Kategorie ist das Polieren relativ schwierig durchzuführen. Fig. 18 zeigt, daß zum Polieren der Führungsbahnen 3 Bearbeitungsachsen gebraucht werden; wegen der beiden Rillen der Kugelreihen u oben und der beiden seitlichen Rillen der Kugelreihen s ist das Anpassen an der entsprechenden Stelle nicht einfach und führt des öfteren dazu, daß die

Belastungsrichtung der Führungskugeln nach der Montage nicht in die ursprünglich geplanten Richtungen weist.

Ziel der Erfindung ist, eine hinsichtlich Druckbeanspruchung verstärkte lineare Kugelführung zu schaffen, deren Belastungsrichtungen für die oberen beiden Kugelreihen einen Winkel von etwa 60° bilden, während die Verlängerungslinien der Belastungsrichtungen einander unter dem Gleitstück kreuzen.

Die Belastungsrichtungen der beiden seitlichen unteren Kugellagerreihen bilden mit der Horizontalen einen Winkel von etwa 30° und mit den Belastungsrichtungen der oberen Kugellagerreihen einen Winkel von etwa 90°. Erste Testversuche haben gezeigt, daß bei reiner Druckbelastung von oben die Belastbarkeit im Vergleich mit Führungen der ersten und der zweiten Kategorie um etwa 22% zunimmt und die Steifigkeit um etwa 40% zunimmt. Bei gleichzeitiger Belastung von oben und den Seiten, und wenn die Belastungsrichtung und die Vertikale einen Winkel zwischen 0° und 80° bilden, ist die Belastbarkeit um ca.

3,7% bis 22% erhöht. Bei Zugkraft nach oben ist die erfindungsgemäße Führung vergleichbar mit einer Führung der dritten Kategorie, d.h. die Belastbarkeit ist deutlich geringer als die der Führungen der ersten und der zweiten Kategorie.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine oben beschriebene hinsichtlich Druckbeanspruchung verstärkte lineare Kugelführung zu schaffen, bei der das Rotationssystem der Kugeln verbessert werden kann. Auf Endplatten und FührungsSegmenten sind jeweils vorspringende bogenförmige Laufflächen angeordnet, und an beiden Enden der Rotationsöffnungen und der Kugelrillen des Gleitstücks ist jeweils eine kreisförmige Senkung angeordnet, wodurch bei Montage der Endplatten und der Führungssegmente an dem Gleitstück die bogenförmigen Laufflächen auf den Endplatten und den FührungsSegmenten genau in die kreisförmigen Senkungen des Gleitstücks eingreifen. Weil die Rotationsöffnungen und die kreisförmigen Senkungen bei der Herstellung präzise gefertigt werden können, kann mittels dieser kreisförmigen Senkungen eine sehr genaue Positionierung von Endplatten und FührungsSegmenten

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erreicht werden und dadurch das Rotieren der Kugeln erleichtert werden. Um den Einlauf der Kugeln der Kugelrille in das Verbindungsstück, das die Kugelrille und den Rotationskanal verbindet, zu erleichtern, lassen sich bei der Montage verbindungsstückseitige VorSprünge der Endplatten in das Gleitstück einführen, so daß die Kugeln beim Übergang zwischen Kugelrillen und Verbindungsstück leicht laufen können.

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer linearen Kugelführung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; 15

Fig. 2 zeigt im Vergleich die Belastbarkeit von linearen Kugelführungen der Erfindung und von 4-reihigen linearen Kugelführungen der ersten und der zweiten Kategorie;

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung der polierten Führungsbahnen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung;
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Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht des Gleitstücks gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht einer Endplatte gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht eines Führungssegments gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht des Oberteils eines Kugelgehäuses gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht eines Seitenteils eines

Kugelgehäuses gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 10 ist die Vorderansicht eines Gleitstücks gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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Fig. 11 ist eine Vorderansicht eines Gleitstücks mit Gehäuse-Oberteil und Gehäuse-Seitenteilen des Kugelgehäuse gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 12 ist eine perspektivische Darstellung einer Endplatte mit eingesetzten FührungsSegmenten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 13 ist eine perspektivische Darstellung des Gleitstücks mit eingesetzten FührungsSegmenten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 14 ist eine Teilansicht des Gleitstücks mit eingesetzter Endplatte gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; 20

Fig. 15 ist eine schematische Darstellung einer herkömmlichen linearen Kugelführung der ersten Kategorie;

Fig. 16 ist eine schematische Darstellung einer herkömmlichen linearen Kugelführung der zweiten Kategorie;

Fig. 17 ist eine schematische Darstellung einer herkömmlichen linearen Kugelführung der dritten Kategorie;

Fig. 18 ist eine schematische Darstellung der polierten Führungsbahnen einer herkömmlichen linearen Kugelführung der dritten Kategorie;

Fig. 19 A ist eine schematische Darstellung der Belastung bei direktem Druck von oben auf das Gleitstück gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 19 B ist eine sqhenjatische Darstellung^ der Belastung bei

direktem Druck von oben auf das Gleitstück von herkömmlichen linearen Kugelführungen der ersten und der zweiten Kategorie.

Fig. 1 und Fig. 4 zeigen eine erfindungsgemäße 4-reihige hinsichtlich Druckbeanspruchung verstärkte lineare Kugelführung, die aufweist: eine Führungsschiene 7, ein Gleitstück 1, zwei Endplatten 2, acht Führungssegmente 3, ein Gehäuse-Oberteil 4, zwei Gehäuse-Seitenteile 5, zwei Abdeckungen 8 sowie mehrere Kugeln. Das Profil der Führungsschiene 7 ist im mittleren Bereich schmal, die Unterseite der Führungsschiene ist eben; an der beidseitig vorspringenden Oberseite der Führungsschiene befinden sich jeweils ober- und unterhalb bogenförmige Kugelrillen, deren Radius etwas größer ist als der Radius der Kugeln. Die Belastungsrichtungen der beiden Kugelreihen 17 an der Oberseite der Führungsschiene 7 bilden einen Winkel Ol von etwa 60°, die Verlängerungslinien der Belastungsrichtungen kreuzen sich unterhalb der Führungsschiene in Punkt C. Die 0 Belastungsrichtungen der beiden unteren seitlichen Kugelreihen 18 bilden mit der Horizontale einen Winkel 03 von etwa 30° und mit den Belastungsrichtungen der oberen Kugelreihen 17 jeweils einen Winkel 02 von etwa 9 0°.

Wenn auf das Gleitstück 1 reiner Druck von oben ausgeübt wird, werden nur die beiden Kugelreihen 17 an der Oberseite der Führungsschiene 7 belastet, weil die Belastungsrichtungen der Kugeln und die Druckrichtung den halben Winkel 01, nämlich etwa 30° bilden (s. dazu Fig. 19 A), deshalb beträgt nach dem Sinus-Gesetz für die ganze Führung die zulässige Belastung in der Lauffläche das 1,73-fache der zulässigen vertikalen Belastung einer Kugelreihe. Im Vergleich zu herkömmlichen Führungen der ersten und der zweiten Kategorie (siehe dazu Fig. 19 B), ist die Belastbarkeit der Vorrichtung gemäß der Erfindung um etwa 22% höher; wenn Belastungsrichtung und vertikale Druckbelastung einen Winkel von 30° bilden, beträgt wegen drei belastbaren Kugelreihen die zulässige Belastbarkeit etwa das 1,074-fache einer Kugelreihe; im V^rgie^ch^zu.herkömmlichen Führungen der

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ersten und der zweiten Kategorie ist die Belastbarkeit um etwa 4% höher (bei Einbeziehung von geometrischen Faktoren kann die Belastbarkeit um ein weiteres erhöht werden, d.h. durch Einbeziehung eines Form-Koeffizienteni der Form-Koeffizient zeigt den Vergleichswert der Belastung von Kurvenradius Ra der Kugelrillen und Kugeldurchmesser Dw und ist Ra/Dw).

Für zulässige Belastbarkeiten bei anderen Winkeln siehe Fig. 2. Die durchgehenden Linien zeigen die Spanne der Belastbarkeit der vorliegenden Erfindung, die gestrichelten Linien zeigen die Spanne der Belastbarkeit von herkömmlichen Führungen der ersten und der zweiten Kategorie, die x-Achse bezeichnet die Horizontale, die y-Achse die Vertikale. Bei Belastung von oben und der Seiten und innerhalb eines von der Belastungsrichtung mit der Vertikalen gebildeten Winkels von 0° bis 80° ist die Belastbarkeit um etwa 3,7% bis 22% erhöht.

Bei reinem Druck von oben steht die Steifigkeit der Führung mit verschiedenen Faktoren in Zusammenhang: Kugeldurchmesser, Anzahl der belasteten Kugeln, Vorspannung, Belastungsrichtung der Kugeln, Material sowie Form-Koeffizient. Wenn man nur die Belastungsrichtung der Kugeln untersucht, ist die Steifigkeit im Vergleich zu Führungen der ersten und der zweiten Kategorie um 40% erhöht. Ein Nachteil von herkömmlichen linearen Kugelführungen ist ihre geringe Steifigkeit, und bei verbesserter Steifigkeit könnte der Einsatz von linearen Kugelführungen vor allem in der Industrie vermehrt werden.

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung des Profils einer erfindungsgemäßen polierten Führungsschiene? sie erfordert nur zwei Bearbeitungsachsen, die korrekte Positionierung der Achsen kann genauer gesteuert werden, und dadurch können Kosten gesenkt werden.

Siehe Fig. 4, 9, 10 und 11. Fig. 4 zeigt in perspektivischer Darstellung eine erfindungsgemäße Führung. Um das Rotationssystem der Kugeln zu verbessern, bietet die Erfindung eine neue Ausgestaltung fur^da^s Rotationssystem: Endplatten 2

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(Fig. 6) und Führungssegmente 3

(Fig. 7) haben jeweils auf der Oberseite eine bogenförmige Wand 2a und 3a; auf dem Gleitstück 1 (Fig. 5) sind kreisförmige Senkungen Ie und If an jeweils beiden Enden der Rotationskanäle Id und der entsprechenden Kugelrillen Ic ausgearbeitet, wodurch beim Zusammensetzen von Endplatten 2, FührungsSegmenten 3 und Gleitstück 1 die bogenförmigen Wände 2a und 3a auf den Endplatten 2 und FührungsSegmenten 3 genau in die jeweils entsprechenden kreisförmigen Senkungen Ie und If des Gleitstücks 1 eingreifen. Weil die Rotationskanäle Id und die kreisförmigen Senkungen Ie und If bei der Herstellung präzise gefertigt werden können und die Endplatten 2 sowie die Führungssegmente 3 mittels der kreisförmigen Öffnungen Ie und If positioniert werden, kann die Führung genau montiert und dadurch die Rotation der Kugeln verbessert werden (siehe dazu Fig. 12, 17 und 18).

Um den Einlauf der Kugeln aus der Kugelrille in das Verbindungsstück 2g (siehe Fig. 6) zu verbessern, wird der Vorsprung 2h der Endplatte 2 beim Zusammensetzen in das Gleitstück 1 eingeführt, und somit können die Kugeln in der Kugelrille Ic und Verbindung 2g leicht rotieren. Weil der Vorsprung 2h ausreichend dick sein muß, um nicht zu brechen, hat der mittlere Bereich der Führungsschiene 7 eine Aussparung 7c (siehe dazu Fig. 1 und 8), die es erlaubt, den Vorsprung 2h dicker zu gestalten.

Das genaue Zusammenpassen der kreisförmigen Öffnung Ie der Rotationskanäle Id und der bogenförmigen Wand 2a erlaubt ein präzises Positionieren; die lockere Verbindung von kreisförmiger Senkung If der Kugelrille Ic und dem Vorsprung 2h erlaubt eine bequeme Montage der Endplatten 2 und des Gleitstücks 1. Führungssegmente 3 (Fig. 7 ) und Gleitstück 1 (Fig. 5) werden durch die bogenförmige Wand 3a positioniert, und um zu verhindern, daß Führungssegmente 3 von der Endplatte 2 fallen, befinden sich auf den Endplatten 2 kreisförmige Senkungen 2f (siehe Fig. 5), in die die kreisförmige Basis 3b der Führungs segmente 3. genau einqxeijEt, wodurch Endplatten 2

und Führungssegmente 3 in der korrekten Position befestigt werden können.

Um zu verhindern, daß beim Auseinandernehmen von Gleitstück 1 und Führungsschiene 7 die Kugeln aus den Kugelrillen des Gleitstücks fallen, weist die lineare Kugelführung der vorliegenden Erfindung ein Gehäuse-Oberteil 4 (siehe Fig. 8) und zwei Gehäuse-Seitenteile 5 (siehe Fig. 9) auf. Das Gehäuse-Oberteil 4 wird mittels Schrauben durch die beiden Schraubenlöcher 4a und die Schraubenlöcher Ig des Gleitstücks (siehe Fig. 10) fixiert. Durch die jeweils abgeschrägten beiden Seitenflächen 4b wird verhindert, daß die Kugeln der oberen Reihe 17 herausfallen. Die beiden Gehäuse-Seitenteile 5 werden ebenfalls mittels Schrauben durch die Schraubenlöcher 5c auf den Seitenteilen und die Schraubenlöcher lh auf dem Gleitstück 1 (siehe Fig. 10) befestigt. Der bogenförmige Rand 5a auf den Gehäuse-Seitenteilen 5 verhindert, daß die Kugeln herunterfallen. Die Vorsprünge 5b greifen nach der Montage der Führung genau zwischen den VorSprüngen 2h und den VorSprüngen 2b der Endplatten 2 ein (siehe dazu Fig. 6), um die Stabilität der Gehäuse-Seitenteile 5 zu erhöhen. Fig. 11 zeigt, daß die schrägen keilförmigen Vorsprünge 2b der Gehäuse-Seitenteile entfallen können und dafür Aussparungen in den Gehäuse-Seitenteilen vorgesehen werden können.

Siehe Fig. 4. Um zu verhindern, daß Fremdkörper in das Rotationssystem der Führung dringen, befinden sich Abdeckungen 8 auf den Endplatten 2. Um die Gleitfähigkeit der Führung zu verbessern, ist eine Schmiervorrichtung 9 auf der Abdeckung 8 mittels Schraubenloch 2d auf der Endplatte 2 fixiert (siehe Fig. 6) und auf den Endplatten 2 befindet sich ein Schmierkanal 2e. Die Abdeckung 8 ist mittels Schraube 10 durch ein Loch in Abdeckung 8 und Loch 2c auf der Endplatte 2 in einer Gewindebohrung Ib an dem Gleitstück 1 befestigt.

Claims

• ·* I 10 10 Schutzansprüche

1. Hinsichtlich Druckbeanspruchung verstärkte lineare Kugelführung mit vier Kugelreihen, die aufweist:

eine Führungsschiene, ein Gleitstück, zwei Endplatten, acht Führungssegmente, ein Gehäuse-Oberteil, zwei Gehäuse-Seitenteile, zwei Abdeckungen sowie mehrere Kugeln, dadurch gekennzeichnet, daß

das Profil der Führungsschiene im mittleren Bereich schmal und die Unterseite der Führungsschiene eben ist; daß sich an der beidseitig vorspringenden Oberseite der Führungsschiene jeweils oben und unten bogenförmige Kugelrillen befinden, deren Radius etwas größer ist als der Radius der Kugeln; daß die Belastungsrichtungen der beiden oberen Kugelrillen einen Winkel von etwa 60° bilden, und die Belastungsrichtungen der oberen und der unteren Kugelrille einer Seite jeweils einen Winkel von etwa 90° bilden;
daß sich auf dem Gleitstück vier Rotationskanäle und vier Kugelrillen befinden; sich an den Rotationskanälen und den Kugelrillen an den beiden Seiten je eine kreisförmige Senkung befindet, für die eine jeweils entsprechende bogenförmige Wand auf den Endplatten und den FührungsSegmenten vorhanden ist; sich auf den Endplatten vier halbkreisähnliche Verbindungsstücke befinden, durch die die Kugeln von den Kugelrillen in die Rotationskanäle laufen können; diese halbkreisähnlichen Verbindungen einen bogenförmigen Rand aufweisen, wobei sie nicht unbedingt flach sein müssen; Endplatten und Verbindungsstücke der Rotationskanäle bogenförmige Wände aufweisen, die in die kreisförmigen Öffnungen des Gleitstücks eingreifen und die genaue Position fixieren; die Verbindungen der Endplatten nahe der Kugelrillen Vorsprünge aufweisen, die beim Zusammensetzen von Endplatten und Gleitstück in das Gleitstück eingreifen; jedes Führungssegment eine kreisförmige Basis aufweist und auf den Endplatten entsprechende kreisförmige Senklöcher vorgesehen sind, wobei die jeweilige Basis der Führungssegmente genau in die Senklöcher der Endplatten eingreifen kann; sich auf jedem

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Führungssegment zwei bogenförmige Wände befinden, die jeweils in die Rotationskanäle und die kreisförmigen Öffnungen an beiden Enden der Kugelrillen des Gleitstücks eingreifen; sich an beiden unteren Seiten des Gleitstücks Gehäuse-Seitenteile befinden, deren bogenförmige Begrenzung verhindert, daß beim Trennen des Gleitstücks und der Führungsschiene die Kugeln aus dem Gleitstück fallen; sich an beiden Enden der Gehäuse-Seitenteile schräge konusförmige Vorsprünge befinden, die in die Endplatten auf beiden Seiten des Gleitstücks eingreifen, so daß die Stabilität des Kugelgehäuses vergrößert ist; die Gehäuse-Seitenteile mittels mehrerer Schrauben auf dem Gleitstück befestigt sind, sich entsprechende Schraublöcher auf den Gehäuse-Seitenteilen und dem Gleitstück befinden; auf dem Gleitstück unten mittig das Gehäuse-Oberteil befestigt ist, dessen beiden abgeschrägten Seiten verhindern, daß die Kugeln der oberen der beiden Reihen herausfallen können; das Gehäuse-Oberteil ebenfalls mit mehreren Schrauben am Gleitstück fixiert ist, sich entsprechende Schraublöcher auf dem Gehäuse-Oberteil und dem Gleitstück befinden; und auf beiden Außenseiten der Endplatten jeweils eine Abdeckung angebracht ist.

2. Hinsichtlich Druckbeanspruchung verstärkte lineare Kugelführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die halbkreisähnlichen Verbindungsatücke auf den Endplatten einfache halbkreisförmige Passagen sind.

3. Hinsichtlich Druckbeanspruchung verstärkte lineare Kugelführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schrägen keilförmigen Vorsprünge der Gehäuse-Seitenteile weggelassen sind und die Gehäuse-Seitenteile durch Stanzen hergestellt sind.