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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines hybriden Bauteils.
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Aus der
EP 0 835 700 A1 ist ein Zweilagen-Verbundblech sowie ein Verfahren zur Herstellung dieses Bleches bekannt. Ein erstes Blech wird dabei mit einer noppenförmigen Erhebung bereitgestellt, wobei auf diese noppenförmige Erhebung, welche an der Oberseite abgeflacht ist, das zweite im Wesentlichen plattenförmige Blech aufgelegt wird. Die dem anliegenden zweiten Blech zugewandte Noppenfläche ist im Wesentlichen eben und kreisrund. Im Nachfolgenden werden diese beiden Bleche durch eine Durchsetzfügung formschlüssig verbunden, wobei dabei im Verbindungsbereich der beiden Bleche eine Vertiefung ausgebildet wird, welche an den beiden Randbereichen eine hakenförmige Verbindung zwischen den beiden Blechen erzeugt. Anstelle dieser hakenförmigen Verbindung kann auch eine Schweißverbindung zwischen den beiden Blechen ausgebildet werden.
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Des Weiteren ist aus der
DE 199 30 982 C1 ein Verfahren zum Herstellen von Verbundblechen bekannt. Dabei wird in einem Rollformverfahren ein erstes Blech von einer Rolle abgerollt und in einer Rollformanlage vorgeformt. Die Vorformung ist dabei derart, dass dieses erste Band im Querschnitt zumindest eine U-Form aufweist. Das erste Band kann beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen. Es kann jedoch auch ein Stahlband vorgesehen sein. In einem nachfolgenden Schritt wird in dieses zumindest U-förmige erste Band eine Pulvermischung eingefüllt. Die Pulvermischung kann ebenfalls aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung sein. Auf das Pulvermaterial wird dann ein zweites Band aufgelegt, wobei die Befüllung mit dem Pulvermaterial und dem darüber angeordneten zweiten Band derart erfolgt, dass das hergestellte Bauteil im Querschnitt ein Vollprofil darstellt. Vor dem Aufbringen des zweiten Bandes wird das Hohlprofil und die Pulvermischung durch Walzen so kompaktiert, dass die Pulvermischung in sich und mit der Innenoberfläche des Hohlprofils allseits einen metallischen Verbund eingeht. Das bekannte Verfahren ist relativ aufwändig und erlaubt lediglich eine Herstellung eines Bauteils, welches im Querschnitt ein Vollprofil aufweist. Dadurch wird das Bauteil relativ schwer.
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Insbesondere im Kraftfahrzeugbau werden ständig steigende Anforderungen in Bezug auf Leichtigkeit und gleichzeitig Steifigkeit gestellt, welche erfüllt werden müssen. Dazu werden zunehmend hybride Strukturen aus einem Leichtmetall und Stahl eingesetzt. Daraus ergibt sich jedoch die Problematik, beide Materialien wirtschaftlich und prozesssicher verbinden zu können. Oftmals müssen dabei Aluminiumprofile für spezielle Anforderungen hinsichtlich Steifigkeit und Energieabsorption verstärkt werden.
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Aus der
DE 665 097 ist ein Verfahren zur Herstellung von Rutschentrögen bekannt. Auf eine nicht oder wenig härtbare Blechplatte wird eine schmälere härtbare Platte aufgeschweißt. Seitenteile der nicht oder wenig härtbaren Blechplatte werden dann nach oben gebogen, so dass sie im Querschnitt schräg nach außen stehend angeordnet sind.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines hybriden Bauteils anzugeben, mit dem in einfacher und aufwandsarmer Weise ein verbessertes Bauteil im Hinblick auf Gewichtsanforderung und Steifigkeit hergestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren, welches die Merkmale nach Patentanspruch 1 aufweist, gelöst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein hybrides Bauteil hergestellt, welches im Endzustand im Querschnitt ein Hohlprofil aufweist. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein erstes Teilelement des Bauteils bereitgestellt, welches aus einem ersten Material ausgebildet wird. Des Weiteren wird dann ein zweites Teilelement des Bauteils auf zumindest Teilbereiche einer ersten Oberfläche des ersten Teilelements aufgebracht. Das zweite Teilelement ist aus einem zweiten Material, welches unterschiedlich zum ersten Material ist. Nachfolgend wird dann eine mechanisch stabile Verbindung zwischen den beiden Teilelementen hergestellt. In einem weiteren Verfahrensschritt wird dann das erste Teilelement derart umgeformt, dass durch das erste Teilelement im Querschnitt ein Hohlprofil erzeugt wird, welches in Längsrichtung des Bauteils betrachtet zumindest bereichsweise ausgebildet wird. Das Umformen wird dabei derart durchgeführt, dass das zweite Teilelement in dem Hohlprofil angeordnet wird. Das erste Teilelement bildet dann das Hohlprofil bzw. ein erstes Hohlprofil, insbesondere ein erstes äußeres Hohlprofil, des hybriden Bauteils. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann in einfacher und aufwandsarmer Weise ein hybrides Bauteil geschaffen werden, welches den Anforderungen im Hinblick auf hohe Steifigkeit und geringes Gewicht gerecht wird.
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Das erste Teilelement wird vor dem Aufbringen des zweiten Teilelements vorgeformt. Dabei kann vorgesehen sein, dass in dem ersten Teilelement zumindest eine Erhebung, insbesondere eine noppenartige Erhebung, ausgebildet wird. Dadurch kann im Weiteren eine positionsgenaue Anordnung der beiden ersten Teilelemente zueinander erreicht werden. Dies wird dadurch verbessert, indem das zweite Teilelement zumindest eine Aussparung aufweist, und das zweite Teilelement derart auf das erste Teilelement aufgebracht wird, dass sich die Erhebung des ersten Teilelements durch die Aussparung des zweiten Teilelements hindurch erstreckt. Die Lagestabilität dieser beiden Teilelemente kann nochmals erhöht werden, wenn eine Mehrzahl an Erhebungen ausgebildet ist, welche durch eine entsprechende Anzahl an Aussparungen hindurchragen
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In vorteilhafter Weise wird die Erhebung nach dem Aufbringen des zweiten Teilelements auf das erste Teilelement derart verformt, dass die beiden Teilelemente insbesondere formschlüssig verbunden werden. Es kann dabei vorgesehen sein, dass die Oberseite der Erhebung gestaucht wird, wobei sich dann diese Erhebung seitlich ausdehnt und ein Formschluss zwischen dem ersten und dem zweiten Teilelement im Bereich der Aussparung und der Erhebung erzeugt wird.
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Es kann vorgesehen sein, dass vor dem Aufbringen des zweiten Teilelements auf das erste Teilelement zumindest bereichsweise ein Klebstoff auf die erste Oberfläche des ersten Teilelements aufgebracht wird. Einerseits kann dadurch die mechanische Verbindung zwischen den beiden Teilelementen verbessert werden und andererseits kann dadurch quasi eine Isolierung zwischen den aus unterschiedlichen Materialien ausgebildeten Teilelementen hergestellt werden. Dadurch kann die Materialauswahl der beiden Teilelemente im Wesentlichen beliebig sein.
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In vorteilhafter Weise werden das erste und das zweite Teilelement im Wesentlichen als flächige Elemente bereitgestellt. Insbesondere können beide Teilelemente plattenförmig ausgebildet sein. Unter plattenförmig werden sowohl relativ große Platten als auch beispielsweise Streifen oder Bänder verstanden. Unter flächigen Elementen werden auch derartige Teile verstanden, welche im Wesentlichen zumindest in erster Nährung eben ausgebildet sind. Dies bedeutet, dass darunter auch derartige Elemente verstanden werden, welche kleinere Wölbungen oder Krümmungen aufweisen.
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In vorteilhafter Weise wird das erste Teilelement von einer Rolle abgerollt und somit als Endlosmaterial bereitgestellt. Dies ermöglicht ein schnelles und einfaches Bereitstellen des ersten Teilelements für eine weitere Verarbeitung zum Herstellen des hybriden Bauteils.
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In bevorzugter Weise wird das zweite Teilelement im Wesentlichen plattenförmig bereitgestellt und im Endzustand des Bauteils in unveränderter Formgebung in dem Hohlprofil angeordnet. In dieser Ausgestaltung wird somit nur noch das erste Teilelement nach dem Verbinden der beiden Teilelemente verformt, um den Endzustand des hybriden Bauteils herzustellen. Die Fertigstellung des hybriden Bauteils ist dadurch im Hinblick auf den zeitlichen Aufwand und den Formungsaufwand minimiert.
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In vorteilhafter Weise wird das zweite Teilelement derart geformt, dass im Endzustand des Bauteils im Querschnitt ein Hohlprofil ausgebildet ist, welches in Längsrichtung des Bauteils betrachtet zumindest bereichsweise ausgebildet ist. Dadurch kann eine Struktur geschaffen werden, welche zwei ineinander verschachtelte Hohlprofile aufweist. Die Steifigkeit des Bauteils kann dadurch nochmals ohne eine nennenswerte Gewichtszunahme erhöht werden.
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In vorteilhafter Weise wird das Umformen des zweiten Teilelements zumindest vor dem Umformen des ersten Teilelements durchgeführt. Indem das erste Teilelement quasi noch geöffnet ist, kann der Zugang zum Verformen des zweiten Teilelements erleichtert werden. Das zweite Teilelement kann damit genau und einfach in seine Endposition geformt werden. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Umformung bzw. Verformung des zweiten Teilelements zumindest teilweise gleichzeitig mit dem Verformen des ersten Teilelements durchgeführt wird. Dadurch kann durch einen einzigen Verformungsschritt sowohl das zweite Teileelement als auch das erste Teileelement zusammen verformt werden.
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Zwischen das erste Teilelement und das zweite Teilelement kann in bevorzugter Weise ein faserverstärktes Kunststoffmaterial eingebracht werden. Auch dadurch kann eine Verklebung zwischen den beiden Teilelementen erreicht werden, wobei darüber hinaus auch noch im Hinblick auf die Steifigkeit des Bauteils eine Verbesserung erreicht werden kann.
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Beim Umformen des ersten Teilelements wird in bevorzugter Weise ein geschlossenes Hohlprofil erzeugt, wobei die benachbarten Endbereiche miteinander verbunden werden, insbesondere verschweißt werden. Das Hohlprofil ist in vorteilhafter Weise zumindest bereichsweise in Längsrichtung des Bauteils betrachtet geschlossen ausgebildet. Die mechanische Stabilität kann dadurch verbessert werden.
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In entsprechender Weise kann auch vorgesehen sein, dass das Hohlprofil des zweiten Teilelements zumindest bereichsweise in Längsrichtung des Bauteils betrachtet geschlossen ausgebildet ist. Die Ausgestaltung und Formgebung des ersten und/oder des zweiten Teilelements kann dabei in vielfältiger Weise ermöglicht werden und in Abhängigkeit an die Anforderung an das Bauteil individuell und variabel gestaltet werden. Es kann somit abhängig davon, wo das hybride Bauteil beispielsweise im Fahrzeug eingesetzt wird, eine individuelle Ausgestaltung geschaffen werden, welche durch die Formgebungen und Anordnungen der Teilelemente im Hinblick auf Steifigkeit und Gewicht optimiert werden kann.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Material des ersten Teilelements ein Leichtmetall, insbesondere Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, ist, und das Material des zweiten Teilelements eine Stahlverbindung ist. Insbesondere dann, wenn derartig unterschiedliche Materialien für das hybride Bauteil vorliegen, bei denen hohe Anforderungen an die Verbindungstechnik gestellt werden und darüber hinaus hohe Anforderungen an Steifigkeit und Energieabsorption gestellt werden, kann eine aufwandsarme Herstellung ermöglicht werden. In vorteilhafter Weise ist das Verfahren ein Rollformverfahren.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 bis 6 Schnittdarstellungen von verschiedenen Fertigungszuständen eines hybriden Bauteils, welches mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird;
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7 eine perspektivische Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten hybriden Bauteils;
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8 eine Schnittdarstellung eines Zwischenzustands des hybriden Bauteils beim Herstellen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß einer zweiten Ausführung des hybriden Bauteils; und
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9 eine perspektivische Darstellung eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren fertig gestellten hybriden Bauteils gemäß der Ausgestaltung von 8.
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In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Im Ausführungsbeispiel wird ein hybrides Bauteil mit einem Rollformverfahren hergestellt. Dabei wird ein erstes Teilelement 1 von einer Endlosrolle abgerollt und im Wesentlichen als flächiges Element bereitgestellt. Im Ausführungsbeispiel ist das erste Teilelement 1 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet und als Aluminiumband von einer Endlosrolle abgerollt. Das erste Teilelement 1, nachfolgend als Aluminiumband 1 bezeichnet, weist eine erste Oberfläche 11 auf (1).
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In einem nachfolgenden Verfahrensschritt wird gemäß der Darstellung in 2 zumindest eine Erhebung 12 in dem Aluminiumband 1 ausgebildet. Im Ausführungsbeispiel ist die Erhebung 12 noppenartig ausgebildet. Die Vor formung gemäß der Darstellung in 2 wird ausgehend vom quasi geraden Aluminiumband 1 gemäß der Darstellung in 1 durchgeführt. Es kann auch vorgesehen sein, dass eine Mehrzahl an derartigen noppenartigen Erhebungen 12 ausgebildet werden.
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In einem weiteren Verfahrensschritt wird gemäß der Darstellung in 3 zumindest bereichsweise auf die erste Oberfläche 11 des Aluminiumbandes 1 ein Klebstoff 2 aufgebracht. Wie dabei zu erkennen ist, wird der Klebstoff 2 insbesondere benachbart um die noppenartige Erhebung 12 in dem Aluminiumband 1 aufgebracht. Wie des Weiteren zu erkennen ist, wird der Klebstoff 2 jedoch nur in den im Wesentlichen ebenen Bereichen der Oberfläche 11 um die noppenartige Erhebung 12 umlaufend aufgetragen. In der in den 1 bis 6 gezeigten Schnittdarstellungen ist somit in der in 3 gezeigten Ausführung lediglich links und rechts der noppenartigen Erhebung 12 der Klebstoff 2 aufgebracht.
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Im weiteren Prozessvorgang des Rollverfahrens wird ein zweites Teilelement 3 auf das Aluminiumband 1 aufgebracht. Das zweite Teilelement 3 wird dabei auf der der ersten Oberfläche 11 zugewandten Seite des Aluminiumbandes aufgebracht. Wie in der Schnittdarstellung gemäß 4 zu erkennen ist, ist in dem im Ausführungsbeispiel im Wesentlichen flächig bzw. plattenförmig ausgebildeten zweiten Teilelement 3 zumindest eine Aussparung 31 ausgebildet. Diese Aussparung 31 ist im Wesentlichen als Loch in dem zweiten Teilelement 3 ausgebildet und derart dimensioniert, dass beim Aufbringen des zweiten Teilelements 3 auf das Aluminiumband 1 die noppenartige Erhebung 12 durch die Aussparung 31 hindurchragt. Darüber hinaus wird durch den Klebstoff 2 quasi eine isolierende Schicht zwischen dem Aluminiumband 1 und dem im Ausführungsbeispiel als Stahlband ausgebildeten zweiten Teilelement 3, nachfolgend als Stahlband 3 bezeichnet, gebildet.
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In der in 5 gezeigten Schnittdarstellung wird nachfolgend zusätzlich zu der Klebeverbindung eine weitere mechanische Verbindung zwischen dem Aluminiumband 1 und dem Stahlband 3 erzeugt, indem die noppenartige Erhebung 12 gestaucht wird. Dabei wird insbesondere der kappenförmige Oberbereich 12a der noppenartigen Erhebung 12 durch Krafteinwirkung verformt, insbesondere gestaucht. Dabei tritt eine Ausdehnung der noppenartigen Erhebung 12 bis zu den Randbereichen der Aussparung 31 des Stahlbandes 3 auf. Dadurch kann ein Formschluss zwischen dem Aluminiumband 1 und dem Stahlband 3 hergestellt werden. Im Ausführungsbeispiel ist diese mechanische Verbindung zwischen dem Aluminiumband 1 und dem Stahlband 3 derart gestaltet, dass auch nach dem Stauchvorgang die noppenartige Erhebung 12 durch die Aussparung 31 hindurchragt.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass diese mechanische Verbindung zwischen dem Aluminiumband 1 und dem Stahlband 3 nicht durch eine Klebeverbindung 2 und/oder die Verformung der noppenartigen Erhebung 12 erreicht wird, sondern eine Nietverbindung oder eine Schraubverbindung zwischen diesen beiden Bändern 1 und 3 ausgebildet wird. Es kann auch vorgesehen sein, dass die beiden Bänder 1 und 3 durch ein Clinchen oder Toxen verbunden werden.
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Im Nachfolgenden wird in der Rollformanlage eine Verformung des Aluminiumbandes 1 dahingehend durchgeführt, dass ein im Querschnitt Hohlprofil erzeugt wird. Wie dabei in der Schnittdarstellung in 6 zu erkennen ist, ist das Aluminiumband 1 im Wesentlichen in einer Rechteckform in der Rollformanlage umgeformt. Die Verformung des Aluminiumbandes 1 wird derart durchgeführt, dass das Stahlband 3 innerhalb des Hohlprofils des Aluminiumbandes 1 angeordnet wird. Im Ausführungsbeispiel stellt das Hohlprofil des Aluminiumbandes 1 auch das Hohlprofil des hybriden Bauteils I dar. Die Verformung des Aluminiumbandes 1 erfolgt in dieser Ausgestaltung derart, dass das Stahlband 3 in seiner ursprünglichen Formgebung und Positionierung auf dem Aluminiumband 1 unverändert bleibt. Im Ausführungsbeispiel ist das Stahlband 3 als flacher Blechsteifen ausgebildet, der auf der der Oberfläche 11 zugewandten Seite im Wesentlichen vollflächig mit dem Klebstoff 2 verklebt ist.
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Wie des Weiteren aus der Darstellung in 4 zu erkennen ist, ist das Hohlprofil in der gezeigten Schnittdarstellung vollständig geschlossen. Im Ausführungsbeispiel werden dabei die beiden freien Enden des Aluminiumbandes 1 durch eine Schweißverbindung miteinander verbunden, wodurch die Schweißnaht 4 ausgebildet wird.
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In der gezeigten Darstellung gemäß den 2 bis 6 ist lediglich eine noppenartige Erhebung 12 zu erkennen. Es kann jedoch eine Vielzahl an derartigen noppenartigen Erhebungen 12 in dem Aluminiumband 1 ausgebildet werden, welche in vielfältiger Weise derart positioniert werden können, dass sie im Inneren des in 6 gezeigten Hohlprofils von mehreren Seitenflächen des Hohlprofils in das Innere hineinragen. Im Ausführungsbeispiel ist eine noppenartige Erhebung 12 zu erkennen, welche an der Unterseite des viereckigen Hohlprofils ausgebildet ist. Es kann darüber hinaus vorgesehen sein, dass auch an der Oberseite und/oder an den vertikalen Seitenwänden des Hohlprofils ein oder mehrere derartige noppenartige Erhebungen 12 ausgebildet sind, welche sich in das Innere des Hohlprofils erstrecken.
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In 7 ist eine perspektivische Darstellung des fertig gestellten hybriden Bauteils I gezeigt. Wie dabei zu erkennen ist, ist das hybride Bauteil I über die gesamte Länge mit einem geschlossenen Hohlprofil ausgebildet. Dies ist dadurch zu erkennen, dass die Schweißnaht 4 in Längsrichtung des hybriden Bauteils I kontinuierlich durchgehend eingezeichnet ist. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Hohlprofil lediglich bereichsweise in Längsrichtung des hybriden Bauteils I betrachtet ein geschlossenes Hohlprofil aufweist. Dies würde bedeuten, dass die Schweißnaht 4 in Längsrichtung betrachtet nicht kontinuierlich ausgebildet ist, sondern nur bereichsweise ausgebildet ist. Es könnte auch vorgesehen sein, dass in dem Aluminiumband 1 durchgehende Aussparungen, beispielsweise Löcher, ausgebildet sind. Die Ausgestaltung des hybriden Bauteils I kann dadurch in vielfältiger und variabler Weise gestaltet werden.
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In 8 ist eine Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines noch nicht fertig gestellten hybriden Bauteils I gezeigt. Wie dabei im Unterschied zu der Darstellung bei einem gleichen Fertigungsstand (3) zu erkennen ist, weist das Stahlband 3 eine Formgebung auf, welche zum Rand hin geknickt ist. Dies bedeutet, dass anschließend an die an die noppenartige Erhebung 12 unmittelbar angrenzenden Teilbereiche 31 nach oben gebogene Teilbereiche 32 anschließen. Die Teilbereiche 31 sind im Wesentlichen parallel zum Aluminiumband 1 angeordnet. Ausgehend von dem in 8 gezeigten Fertigungsstand des hybriden Bauteils I wird in einem nachfolgenden Verfahrensschritt zunächst das Stahlband 3 umgeformt. Dabei werden die Teilbereiche 32 derart nach innen gebogen, dass auch das Stahlband 3 im Querschnitt ein Hohlprofil darstellt. Dies ist in der Darstellung in 9 zu erkennen. Die beiden freien Enden der zweiten Teilbereiche 32 werden dann wiederum durch eine Schweißverbindung 5 miteinander verbunden. Im Ausführungsbeispiel entsteht dabei ein im Querschnitt (Schnitt im Bereich der noppenförmigen Erhebung 12) offenes Hohlprofil des Stahlbandes 3.
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In einem weiteren Verfahrensschritt wird dann das Aluminiumband 1 derart umgeformt, dass das bereits bekannte Hohlprofil ausgebildet wird. Wie dabei in der perspektivischen Darstellung in 9 zu erkennen ist, wird dadurch ein hybrides Bauteil I gefertigt, welches zwei Teilelemente 1 und 3 aus unter schiedlichen Materialien aufweist, welche im Querschnitt Hohlprofile aufweisen. Dabei ist das mit einem Hohlprofil ausgebildete Stahlband 3 in dem Hohlprofil des Aluminiumbandes 1 angeordnet und dort positionsstabil gehalten. In 9 ist die Schweißverbindung 5 zur Verbindung der freien Enden der zweiten Teilbereiche 32 des Stahlbandes 3 eingezeichnet. Auch diese kann in Längsrichtung betrachtet unterbrochen ausgebildet sein.
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Auch die Formgebung des Stahlbandes 3, wie sie in den 8 und 9 gezeigt ist, ist lediglich beispielhaft und kann in vielfältiger Weise variieren. Das Stahlband 3 kann neben den Teilbereichen 31 und 32 weitere Teilbereiche aufweisen, welche in beliebiger Weise umgeformt werden können.
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Dabei können auch Ausgestaltungen vorgesehen sein, bei denen durch einen Umformprozess zumindest zeitweise gleichzeitig das Aluminiumband 1 und das Stahlband 3 umgeformt werden.
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Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass anstelle oder zusätzlich zu der Klebeschicht bzw. dem Klebstoff 2 eine faserverstärkte Kunststoffschicht zwischen dem Aluminiumband 1 und dem Stahlband 3 zumindest bereichsweise angeordnet ist.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren können Profile hergestellt werden, die hinsichtlich ihres Verhältnisses von Gewicht zu Steifigkeit optimiert sind. Insbesondere kann dabei eine Stahl- oder eine Stahl-/Kunstfaserverstärkung einfach und wirtschaftlich in eine Aluminiumstruktur eingebracht werden, weil die kritischen Teile in einem Aluminiumprofil innen liegend angeordnet werden.