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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von wenigstens einem Kennwert zur Umformbarkeit eines Materials sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
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Es sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Ermittlung von Kennwerten zur Umformbarkeit von Materialien bekannt. Ein solcher Kennwert ist beispielsweise die Duktilität als die Eigenschaft eines Werkstoffs, sich unter Belastung plastisch zu verformen, beispielsweise bevor der Werkstoff versagt. Insbesondere bei sprödem Alumiumdruckguss können wegen seiner schlechten Verformbarkeit bei Fügeprozessen an relevanten Stellen Risse entstehen. Es sind insbesondere Zugversuche, aber auch Plättchenbiegeversuche bekannt. Zur Durchführung solcher Versuche ist allerdings eine bestimmte Probengröße notwendig. Nachteilig dabei ist, dass hierdurch eine Prüfung an relevanten Stellen eines Bauteils, an denen ein Versagen fatal wäre, insbesondere an Fügestellen zu benachbarten Bauteilen, erschwert oder ganz unmöglich gemacht wird, da die notwendige, bestimmte Probengröße oft viel größer als der an der relevanten Stelle vorhandene Platz an dem Bauteil ist, beispielsweise an einem Verbindungsflansch. Die vorbestimmte Probengröße erlaubt demnach keine Probenentnahme auf kleinen Bauteilflächen. Insbesondere Aluminiumdruckgussbauteile können jedoch lokal sehr verschiedene Eigenschaften aufweisen, sodass Proben, die an anderen Stellen des Bauteils entnommen werden, keine Aussagen über die Stellen zulassen, an denen eigentlich Aussagen über Kennwerte in Hinblick auf die Umformbarkeit des Materials benötigt werden. Plättchenbiegeversuche ermitteln Eigenschaften eines Bauteils oder einer Probe aus dem Bauteil typischerweise entlang einer Biegelinie, die sich in gerader Richtung entlang des Bauteils oder der Probe erstreckt. Dabei werden letztlich entlang der Biegelinie gemittelte Eigenschaften erhalten.
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Aus der internationalen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer
WO 2007/056877 A1 geht ein Verfahren zum Ermitteln von Duktilitätseigenschaften von Werkstoffen mittels eines Prüfkörpers hervor, bei welchem der Prüfkörper eine sich gegen ein apikales Ende hin verjüngende Partie aufweist, wobei der Prüfkörper insbesondere konisch gestaltet sein kann. Eine Probe aus einem Werkstoff wird in einem ersten Schritt mit einem Loch versehen, und anschließend wird das apikale Ende des Prüfkörpers in das Loch eingeführt. Der Prüfkörper wird mit einer definierten Kraft gegen die Probe gedrückt, wobei die sich verjüngende Partie an einer umlaufenden Wandfläche des Lochs ansteht, sodass sich das Loch durch das Drücken des Prüfkörpers gegen die Probe radial aufweitet. Es wird ein Maß für die radiale Aufweitung des Lochs ermittelt, und aus dem Maß wird auf die Duktilität der Probe geschlossen. Die Materialeigenschaften werden demnach insbesondere entlang einer Umfangslinie, die sich um einen Umfang des Lochs herum erstreckt, ermittelt. Nachteilig ist dabei insbesondere, dass es einer vergleichsweise aufwendigen Vorbearbeitung der Probe bedarf, indem diese zunächst mit dem auf die Geometrie des Prüfkörpers abgestimmten Loch versehen werden muss, bevor die eigentliche Ermittlung von Duktilitätseigenschaften erfolgen kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zur Ermittlung von wenigstens einem Kennwert zur Umformbarkeit eines Materials geschaffen wird, wobei mittels eines Stempeleindringversuchs in das volle Material eine punktförmige Prüfung des Materials durchgeführt wird. Dadurch, dass eine punktförmige Prüfung statt einer linienförmigen Prüfung durchgeführt wird, ist es möglich, das Prüfverfahren auch an schwer zugänglichen und insbesondere in – gerade für das Fügen mit benachbarten Bauteilen – relevanten Bereichen eines Bauteils durchzuführen, sodass direkt in den interessierenden Bereichen relevante und aussagekräftige Kennwerte zur Umformbarkeit des verwendeten Materials erhalten werden können. Dabei kann der Stempeleindringversuch direkt an dem zu prüfenden Bauteil ohne vorherige Probennahme durchgeführt werden. Es handelt sich also insbesondere um ein Prüfverfahren, bei welchem das geprüfte Bauteil nicht notwendig unbrauchbar wird, und bei dem auch vergleichsweise kleine Prüfstellen zugänglich sind. Es bedarf keiner zerstörenden Herausbearbeitung einer Probe oder eines Prüfkörpers aus dem zu prüfenden Bauteil. Das Bauteil kann vorzugsweise nach durchgeführter Prüfung weiterverwendet werden, sodass es nicht verworfen werden muss. Das Verfahren liefert demnach nicht nur relevante Testergebnisse an interessierenden Stellen, sondern ist auch ressourcenschonend, effizient und kostengünstig, da kein Ausschuss mehr entsteht.
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Dadurch, dass der Stempeleindringversuch in das volle Material hinein durchgeführt wird, bedarf es keiner aufwendigen Präparation des Bauteils. Insbesondere muss nicht vor der Prüfung ein auf den Stempel angepasstes Loch an dem Bauteil vorgesehen werden. Das Verfahren ist daher ohne aufwendige Vorbereitung des zu prüfenden Werkstücks schnell, einfach und kostengünstig durchführbar.
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Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass ein Prüfstempel verwendet wird, der einen Prüfabschnitt mit zylindrischer Mantelfläche aufweist. Ein solcher Prüfstempel hat sich als für den hier vorgeschlagenen Stempeleindringversuch besonders geeignet herausgestellt. Dabei ist der Prüfabschnitt vorgesehen und eingerichtet, um in das volle Material des Werkstücks einzudringen.
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Besonders bevorzugt weist der Prüfstempel an dem Prüfabschnitt eine flache Stirnseite auf, mit welcher er in das zu prüfende Material hineingedrückt wird. Eine zylindrische Geometrie mit flacher Stirnseite hat sich für den Prüfabschnitt als zur Durchführung des Verfahrens und insbesondere zur Erzielung reproduzierbarer und aussagekräftiger Kennwerte als besonders geeignet erwiesen. Alternativ ist es möglich, einen Prüfstempel mit einem Prüfabschnitt zu verwenden, der eine dachförmige, insbesondere in zwei Richtungen von einer Mittellinie ausgehend abfallende Stirnseite oder eine halbkugelförmige Stirnseite aufweist. Auch andere geometrische Ausgestaltungen des Prüfstempels, insbesondere des Prüfabschnitts, sind möglich.
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Besonders bevorzugt wird ein Prüfstempel mit einem Prüfabschnitt verwendet, der – in Verlagerungsrichtung gemessen – eine Länge von mindestens 5 mm bis höchsten 10 mm, vorzugsweise von 8 mm, und – senkrecht zur Verlagerungsrichtung gemessen – einen Durchmesser von mindestens 2 mm bis höchstens 7 mm, vorzugsweise von 5 mm, aufweist. Als Werkstoff für den Prüfstempel wird vorzugsweise X155CrVMo verwendet, bevorzugt mit einem Massenanteil von 1,55% Kohlenstoff, 12,0% Chrom, 0,7% Molybdän und 1,0% Vanadium. Auch andere Werkstoffe sind für den Prüfstempel möglich.
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Im Rahmen des Verfahrens wird vorzugsweise der geometrisch definierte Prüfstempel in einer bestimmten Relativlage zu einem Rand des Werkstücks mit einem vorbestimmten Kraftverlauf in das Werkstück gedrückt.
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Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, bei dem ein geometrisch definierter Prüfstempel in einer vorbestimmten Lage relativ zu einem Rand eines Werkstücks parametergesteuert in das Werkstück gedrückt wird. Als Parameter zur Steuerung der Verlagerung des Prüfstempels in das volle Material des Werkstücks wird vorzugsweise eine Verlagerungsgeschwindigkeit für den Prüfstempel, eine Verlagerungszeit, eine zur Verlagerung aufgebrachte Energie – insbesondere als Fläche unter einem Kraft-Weg-Verlauf, und/oder eine andere geeignete Größe verwendet. Beispielsweise ist es möglich, die Verlagerungsgeschwindigkeit für den Prüfstempel vorzugeben, woraus dann bei dem Stempeleindringversuch ein bestimmter Kraft-Weg-Verlauf oder ein bestimmter Energie-Zeit-Verlauf als Ergebnis resultiert.
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Insbesondere wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, bei dem ein geometrisch definierter Prüfstempel in einer vorbestimmten Lage relativ zu einem Rand eines Werkstücks kraft- und/oder weggesteuert in das Werkstück gedrückt wird. Besonders bevorzugt erfolgt eine Kraft- und Wegsteuerung der Verlagerung des Prüfstempels. Insbesondere werden bevorzugt sowohl eine an dem Prüfstempel wirkende Kraft als auch ein Verlagerungsweg des Prüfstempels – kurz auch als Stempelweg bezeichnet – erfasst. Aus diesen Größen lassen sich ohne weiteres aussagekräftige Kennwerte zur Umformbarkeit des Materials des Werkstücks ermitteln.
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Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass eine Verlagerung des Prüfstempels abgeschaltet wird, wenn ein vorbestimmter Kraftabfall an dem Prüfstempel festgestellt wird. Der Kraftabfall wird bevorzugt ausgehend von einer im Laufe der Verlagerung des Prüfstempels erreichten Maximalkraft definiert. Beispielsweise ist es möglich, dass die Verlagerung des Prüfstempels in das Material hinein und somit auch der Stempeleindringversuch beendet wird, wenn die auf den Prüfstempel wirkende Kraft nach Durchlaufen eines Maximums um einen vorherbestimmten Wert, beispielsweise um 60 N, abfällt. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Verlagerung des Prüfstempels in das Werkstück hinein und damit der Stempeleindringversuch beendet wird, wenn die auf den Prüfstempel wirkende Kraft nach Durchlaufen eines Maximums dieses Maximum um einen vorbestimmten Prozentwert unterschreitet. Beispielsweise kann eine sogenannte Kraftabschaltschwelle bei 97%, 90% oder auch 80% der Maximalkraft definiert werden, wenn also die auf den Prüfstempel wirkende Kraft ausgehend von dem Maximum um 3%, 10% oder um 20% abgefallen ist. Insbesondere abhängig von der verwendeten Prüfvorrichtung und einer Genauigkeit der Krafterfassung kann diese Kraftabschaltschwelle auch größer, kleiner oder anders definiert werden.
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Der hier beschriebenen Vorgehensweise liegt der Gedanke zugrunde, dass der Prüfstempel das Material des Werkstücks bei einem ersten Eindringen verformt, wobei die für eine weitere Verformung notwendige Kraft zunächst zunimmt. Ab einer bestimmten, von Kennwerten des Materials, beispielsweise einer Duktilität desselben, abhängigen Verformung tritt allerdings eine Rissbildung auf, was zu einer Schwächung des Materials und dazu führt, dass eine weitere Verlagerung des Prüfstempels mit geringerer Kraft erfolgen kann. Die Maximalkraft kennzeichnet demnach eine Grenze zu einem Bereich, in welchem erstmals eine erhebliche Schwächung des Materials des Werkstücks, insbesondere durch Rissbildung, auftritt. Somit ist insbesondere die Maximalkraft geeignet, Informationen über die Umformbarkeit und insbesondere die Duktilität des Materials zu ermitteln.
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Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass zur Ermittlung des wenigstens einen Kennwerts ein Parameter-Verlauf des Prüfstempels zumindest in einem Punkt ausgewertet wird. Dabei kann bevorzugt ein Kraft-Weg-Verlauf, ein Energie-Zeit-Verlauf, oder ein anderer geeigneter Parameterverlauf verwendet werden.
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Es wird insbesondere eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass zur Ermittlung des wenigstens einen Kennwerts ein Kraft-Weg-Verlauf des Prüfstempels zumindest in einem Punkt ausgewertet wird. Wie zuvor bereits ausgeführt, wird vorzugsweise sowohl die auf den Prüfstempel wirkende Kraft als auch der Verlagerungsweg des Prüfstempels oder der Stempelweg erfasst. Zusammengenommen ergeben die derart erfassten Größen einen Kraft-Weg-Verlauf, wobei insbesondere die auf den Prüfstempel wirkende Kraft gegen den Stempelweg aufgetragen werden kann. Während ein solcher Kraft-Weg-Verlauf für sich genommen aussagekräftig für Kennwerte zur Umformbarkeit eines Materials ist, kann es für praktisch relevante Zwecke genügen, genau einen Punkt dieses Verlaufs oder dieser charakteristischen Kurve zu untersuchen.
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Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, bei welcher der Stempelweg von einer vorbestimmten Ausgangslage des Prüfstempels relativ zu dem Werkstück bis zum Erreichen eines vorbestimmten Abbruchkriteriums ermittelt wird. Ein Abbruchkriterium ist dabei eine Bedingung, bei deren Erfüllung eine Ermittlung oder Auswertung des Stempelwegs beendet wird. Es ist möglich, dass der Stempelweg in einem weiteren Bereich erfasst wird, insbesondere bis zum Erreichen der Kraftabschaltschwelle. Es wird dann aber bevorzugt nur der Stempelweg bis zum Erreichen der Abbruchbedingung zur Auswertung herangezogen. Es ist auch möglich, dass eine Auswertung nur im Punkt des Abbruchkriteriums oder nur in einem anderen, relativ zu dem Abbruchkriterium definierten Punkt, durchgeführt wird. Als Abbruchkriterium kann insbesondere ein Erreichen einer vorbestimmten Maximalkraft, ein Erreichen einer vorbestimmten Steigung in einem Energie-Zeit-Diagramm, ein Erreichen einer maximalen Energie für die Verlagerung des Prüfstempels, ein Erreichen einer maximalen Verlagerungsgeschwindigkeit, und/oder ein anderes geeignetes Kriterium verwendet werden.
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Es wird insbesondere eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, bei welcher der Stempelweg von einer vorbestimmten Ausgangslage des Prüfstempels relativ zu dem Werkstück bis zum Erreichen der Maximalkraft ermittelt wird. Die vorbestimmte Ausgangslage des Prüfstempels wird typischerweise als Nullpunkt der Stempelverlagerung gesetzt, bei welchem die Erfassung des Stempelwegs startet. Die Maximalkraft ist das bereits zuvor diskutierte Kraftmaximum, insbesondere des über dem Stempelweg aufgetragenen Kraftverlaufs. Es wird also als ausgewählter Punkt des Kraft-Weg-Verlaufs bevorzugt das Kraftmaximum ausgewertet, dem der Stempelweg zugeordnet wird, welchen der Prüfstempel bis zum Erreichen der Maximalkraft durchlaufen hat. Dieser Punkt erweist sich als besonders aussagekräftig in Hinblick auf Kennwerte zur Umformbarkeit des Materials.
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Es zeigt sich auch, dass die Auswertung des Stempeleindringversuchs besonders schnell und einfach möglich ist, wenn nur ein Punkt des Kraft-Weg-Verlaufs untersucht wird.
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Die vorbestimmte Ausgangslage des Prüfstempels relativ zu dem Werkstück wird vorzugsweise als Vorkraftposition definiert. Dabei wird eine vorbestimmte Stempelkraft definiert, wobei der Prüfstempel die Vorkraftposition und damit seine vorbestimmte Ausgangslage erreicht hat, wenn er Kontakt zu dem Werkstück hat und die vorbestimmte Vorkraft auf den Prüfstempel wirkt. Beispielsweise ist es möglich, die Vorkraft mit 10 N festzulegen. Die Vorkraft wird bevorzugt so ausgelegt, dass sie ausreicht, um das Werkstück sicher in einer Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens durch die auf es wirkende Stempelkraft zu halten. Zugleich wird die Vorkraft vorzugsweise so gewählt, dass der Prüfstempel noch nicht oder höchstens über einen im Vergleich zu dem bis zur Maximalkraft zurückgelegten Stempelweg vernachlässigbar kleinen Stempelweg in das Material eindringt. Dabei liegt der bei der Vorkraft erreichte Stempelweg insbesondere höchstens im einstelligen Prozentbereich, vorzugsweise unter 1%, des bei Wirken der Maximalkraft erreichten Stempelwegs. Auch andere Definitionen der Vorkraft sind möglich, insbesondere ist es auch möglich, das Werkstück auf andere Weise sicher in der Vorrichtung zu halten, so dass diese Bedingung nicht über eine durch den Prüfstempel ausgeübte Vorkraft erfüllt sein muss.
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Zum Beispiel wird bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ein Niederhalter verwendet, der einer Fixierung des zu prüfenden Werkstücks relativ zu der Vorrichtung dient. Der Niederhalter und der Prüfstempel sind vorzugsweise als eine Baugruppe ausgeführt. Beim Start des Prüfvorgangs wird die Baugruppe gemeinsam verfahren, wobei der Niederhalter zuerst auf dem Werkstück aufsetzt. Das Werkstück wird dabei mit einem vorbestimmten Parameterwert – z. B. Kraft – durch den Niederhalter geklemmt/fixiert. In einem nächsten Schritt wird dann der Prüfstempel relativ zu dem Werkstück und relativ zu dem Niederhalter verlagert, um die Prüfung durchzuführen. Ist die Prüfung beendet, fährt die Baugruppe, welche den Niederhalter und den Prüfstempel aufweist, wieder in ihre Ausgangslage zurück. Der Niederhalter erlaubt insbesondere eine Reduzierung eines manuellen Einflusses beim Einlegen und/oder Prüfen eines Werkstücks, beispielsweise durch einen Werker.
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Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass eine Wandstärkenkorrektur für das Werkstück durchgeführt wird. Es hat sich herausgestellt, dass das mittels des Stempeleindringversuchs ermittelbare Abbruchkriterium, insbesondere die Maximalkraft, stark von der Wandstärke des geprüften Werkstücks abhängt. Es ist jedoch möglich, diese Abhängigkeit ohne weiteres mittels einer Wandstärkenkorrektur zu eliminieren.
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Bevorzugt wird die Wandstärkenkorrektur durchgeführt, indem der ermittelte, bis zu dem Abbruchkriterium, beispielsweise der Maximalkraft, zurückgelegte Stempelweg, der im Folgenden auch als maximaler Stempelweg bezeichnet wird, auf die Wandstärke des Werkstücks bezogen wird. Es wird also statt des von der vorbestimmten Ausgangslage bis zum Erreichen des Abbruchkriteriums ermittelten, maximalen Stempelwegs für sich genommen der Quotient dieses maximalen Stempelwegs mit der Wandstärke des Werkstücks betrachtet. Es hat sich herausgestellt, dass diese Größe tatsächlich wandstärkenunabhängig ist und reine Materialeigenschaften des untersuchten Werkstücks repräsentiert.
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Ein Vorteil der Wandstärkenkorrektur für das Werkstück bei der Ermittlung des wenigstens einen Kennwerts ist auch, dass die Wanddicke des Werkstücks nicht vor der Durchführung des Versuchs oder der Messung durch einen eigens vorgesehenen Bearbeitungsschritt angepasst oder normiert werden muss. Dies erspart Bearbeitungszeit und Bearbeitungskosten und ermöglicht es, das tatsächlich auch in einem späteren Herstellverfahrensschritt verwendete Werkstück direkt zu prüfen.
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Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass als Kennwert eine Duktilität ermittelt wird. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass als Kennwert ein Biegewinkel des Materials des Werkstücks ermittelt wird. Beide Kennwerte geben letztlich eine Aussage zur Umformbarkeit des Materials. Der Biegewinkel kann als Kennwert in besonders einfacher Weise ermittelt werden, insbesondere indem in einer Reihe von Testversuchen eine Abhängigkeit der als Ergebnis des Stempeleindringversuchs ermittelten Kenngröße, hier vorzugsweise des maximalen Stempelwegs dividiert durch die Wandstärke des Werkstücks, von dem in einem separat durchgeführten Biegeversuch ermittelten Biegewinkel – vorzugsweise desselben Werkstücks – ermittelt wird. Anhand solcher Testversuche kann schließlich eine Korrelation zwischen den Ergebnissen des Stempeleindringversuchs einerseits und den separat ermittelten Biegewinkeln andererseits hergestellt werden. Dabei wird bevorzugt eine Funktion ermittelt, mit welcher die mit dem Stempeleindringversuch ermittelten Kenngrößen, insbesondere der maximale Stempelweg dividiert durch die Wandstärke des untersuchten Werkstücks, mit dem Biegewinkel zusammenhängen. Dieser Zusammenhang kann bevorzugt direkt als mathematische Funktion berücksichtigt werden, sodass der Biegewinkel direkt berechenbar ist. Alternativ ist es möglich, dass dieser Zusammenhang als Kennlinie oder als Kennfeld, oder auch als Look-Up-Tabelle, hinterlegt wird. Jedenfalls lässt sich dann in der praktischen Anwendung ein Biegewinkel aus den Ergebnissen des Stempeleindringversuchs ermitteln, ohne dass zusätzlich Biegeversuche durchgeführt werden müssen.
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Zur Korrelation des Biegewinkels mit dem Ergebnis des Stempeleindringversuchs werden vorzugsweise wandstärkenkorrigierte Biegewinkel verwendet, sodass aus beiden Messungen die Wandstärke herausfällt. Die Versuche sind dann wandstärkenunabhängig quasi bei beliebigen Werkstücken durchführbar.
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Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass der Stempeleindringversuch in einer Umgebung eines Fügebereichs durchgeführt wird. Diese Ausgestaltung des Verfahrens ist besonders vorteilhaft, weil so relevante Informationen über die Umformbarkeit eines Werkstücks gerade in Bereichen erhalten werden können, in denen diese Informationen für die Stabilität einer Fügeverbindung mit benachbarten Bauteilen wichtig sind. Insbesondere ist es möglich, den Stempeleindringversuch an einem Fügeflansch durchzuführen. Dabei benötigt der Stempeleindringversuch nur eine vergleichsweise geringe Fläche für die Prüfung, welche das Werkstück im Übrigen bevorzugt nicht unbrauchbar macht, sodass er ohne weiteres an einem Fügeflansch durchführbar ist.
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Dass der Stempeleindringversuch in einer Umgebung eines Fügebereichs durchgeführt wird, bedeutet insbesondere, dass er bevorzugt nicht unmittelbar dort durchgeführt wird, wo anschließend tatsächlich ein Fügen, beispielsweise durch Stanznieten, erfolgt. Durch die Materialbelastung beim Durchführen des Stempeleindringversuchs bleiben nämlich Veränderungen, beispielsweise Risse und/oder Kaltverfestigungen, an dem Material des Werkstücks bestehen, die gegebenenfalls ungünstig für eine genau an dieser Stelle folgende Fügeverbindung sind. Es ist aber ohne weiteres möglich, den Stempeleindringversuch in einer direkten Nachbarschaft einer vorgesehenen Fügeverbindung durchzuführen, wobei davon ausgegangen werden kann, dass die hier erhaltenen Informationen zumindest sehr ähnlich, vorzugsweise identisch zu denjenigen sind, die in dem eigentlichen Fügebereich erhalten werden würden. Dabei ist noch zu beachten, dass auch mittels eines Biegeversuchs letztlich über die Länge einer Biegelinie gemittelte Information erhalten werden und keine streng lokalen Informationen in einem eng begrenzten Bereich.
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Bevorzugt wird der Stempeleindringversuch an einer Mehrzahl von Prüfstellen durchgeführt, beispielsweise entlang der Erstreckung eines Fügeflanschs, wobei es möglich ist, Bereiche auszusparen, an denen tatsächlich ein Fügen, beispielsweise durch Stanznieten, erfolgen soll. Vorzugsweise wird der wenigstens eine Kennwert dann durch Mittelung über die Ergebnisse der Mehrzahl von Stempeleindringversuchen an der Mehrzahl von Prüfstellen gebildet. Hierdurch ist es möglich, eine gemittelte Aussage über mittlere Materialeigenschaften beispielsweise an einem Fügeflansch eines Werkstücks zu erhalten. Letztlich entspricht ein solches Ergebnis dann dem Ergebnis eines Biegeversuchs, der aber typischerweise an einem Fügeflansch aufgrund dessen beschränkter Größe und insbesondere dessen beschränkter Breite dort nicht durchführbar ist. Auch hier zeigt sich also, dass das vorgeschlagene Verfahren die Möglichkeit eröffnet, relevante und insbesondere zu den Ergebnissen von Biegeversuchen analoge Kennwerte zur Umformbarkeit eines Materials zu erhalten, ohne dabei auf vorbestimmte Probengrößen beschränkt zu sein.
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Es zeigt sich auch, dass geprüfte Werkstücke nach Durchführung des Verfahrens weiter verwendet werden können, da sie nicht durch eine Materialentnahme geschwächt wurden. Es erfolgt also eine Prüfung, welche das Werkstück bevorzugt nicht unbrauchbar macht. Eine Beeinträchtigung eines Fügeflanschs in Prüfbereichen, welche außerhalb von vorbestimmten Fügebereichen liegen, führt nicht zu einer relevanten Schwächung des Materials, weshalb das derart geprüfte Werkstück weiterverwendet werden kann.
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Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass der Stempeleindringversuch auf einer Zugprüfanlage durchgeführt wird. Solche Zugprüfanlagen sind Stand der Technik im Bereich von Zugversuchen, wobei sie insbesondere in der Lage sind, sehr genaue Kraft-Weg-Verläufe zu erfassen. Zur Durchführung des hier vorgeschlagenen Verfahrens bedarf es lediglich einer Umrüstung der Zugprüfanlage durch Vorsehen des geeignet geformten Prüfstempels sowie vorzugsweise einer ebenfalls geeignet eingerichteten Prüfmatrize, wobei das Werkstück zwischen Prüfstempel und Prüfmatrize angeordnet werden kann, um den Stempeleindringversuch durchzuführen. Es können dann sehr genaue Messwerte erhalten werden.
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Alternativ ist es möglich, dass der Stempeleindringversuch im Rahmen des Verfahrens auf einer Clinch-Zange oder einem Stanznietwerk durchgeführt wird. Auch diese Werkzeuge sind in der Lage, einen Kraft-Weg-Verlauf mit ausreichender Genauigkeit zu erfassen, weil dies zum Clinchen oder Stanznieten ohnehin erforderlich ist. Dabei ist die Genauigkeit zwar typischerweise geringer als bei einer Zugprüfanlage, jedoch ausreichend, um für weitere Verfahrensschritte aussagekräftige und relevante Kennwerte zur Umformbarkeit des Materials eines Werkstücks zu erreichen. Vorteilhaft dabei ist, dass eine solche Clinch-Zange oder ein Stanznietwerkzeug ohne weiteres in eine Prozesslinie integriert sein kann. Dabei ist es auch hier lediglich notwendig, die Clinch-Zange oder das Stanznietwerkzeug mit einem geeigneten Prüfstempel und/oder einer geeigneten Prüfmatrize auszustatten, um den Stempeleindringversuch durchführen zu können. Weiterhin wird bevorzugt ein geeignetes Auswerteprogramm auf einer Steuereinrichtung der Clinch-Zange oder des Stanznietwerkzeugs installiert. Werden die Clinch-Zange oder das Stanznietwerkzeug in einer Prozesslinie eingesetzt, ist es möglich, dass die mithilfe dieser Einrichtung ermittelten Kennwerte direkt für nachfolgende Prozesse innerhalb der Prozesslinie zur Verfügung stehen. Beispielsweise können Einrichtungen zum Stanznieten auf der Grundlage der ermittelten Kennwerte angesteuert werden. Dies erhöht die Gesamteffizienz eines Fertigungsverfahrens, das dann auf Grundlage der individuell für jedes Werkstück ermittelten Kennwerte eingesetzt werden kann. Hierdurch sind reproduzierbare und genauere Ergebnisse erzielbar, als wenn stochastisch eine Probenentnahme – gegebenenfalls aus geometrischen Gründen noch dazu an ungeeigneten Stellen von Werkstücken – erfolgen müsste.
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Anstelle einer Zugprüfanlage, einer Clinch-Zange oder einer Stanznieteinrichtung kann auch eine andere, ähnlich arbeitende Anlage verwendet werden. Diese muss lediglich eingerichtet sein, einen entsprechend angepassten Prüfstempel in definierter Weise zu verlagern – vorzugsweise relativ zu einer entsprechend angepassten Prüfmatrize – wobei sie weiterhin in der Lage sein muss, einen Kraft-Weg-Verlauf zu ermitteln. Die Anlage kann dann typischerweise mittels eines geeigneten Computerprogrammprodukts zur Auswertung der ermittelten Kraft-Weg-Verläufe eingerichtet werden.
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Die Ergebnisanalyse ermittelt im Rahmen des Verfahrens aus einer Abhängigkeit zwischen dem Wegverlauf des Prüfstempels und dem Kraftverlauf eine Aussage zur Duktilität.
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Vorteilhaft können Erkenntnisse über die Umformbarkeit und relevanten Bauteilstellen gewonnen werden, vorzugsweise an kritischen Stellen von mit Aluminiumdruckguss hergestellten Teilen.
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In diesem Zusammenhang wird insbesondere eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass als Werkstück oder Material ein mittels Aluminiumdruckguss hergestelltes Teil geprüft wird. Hierbei verwirklichen sich in besonderer Weise die Vorteile des Verfahrens, weil das Werkstück oder das Material lokal geprüft werden kann, und wobei sich insbesondere bei Aluminiumdruckguss zeigt, dass dessen Materialeigenschaften starke lokale Variationen aufweisen können.
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Vorteilhaft ist bei der Qualitätskontrolle von Bauteilen eine Erhöhung der Produktqualität bei gleichzeitiger Vermeidung von Ausschuss, einer Vermeidung von Anlagenstörungen sowie einer Minimierung der Nacharbeit möglich.
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Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen geschaffen wird. Die Vorrichtung weist einen Prüfstempel und eine Prüfmatrize auf, wobei der Prüfstempel und die Prüfmatrize relativ zueinander verlagerbar sind. Weiterhin weist die Vorrichtung eine Einrichtung zur Verlagerung des Prüfstempels und der Prüfmatrize relativ zueinander auf. Die Vorrichtung weist eine Einrichtung zur Ermittlung eines Kraft-Weg-Verlaufs zwischen dem Prüfstempel und der Prüfmatrize auf, sowie eine Auswerteeinrichtung, um den Kraft-Weg-Verlauf in Hinblick auf wenigstens einen Kennwert zur Umformbarkeit eines Materials auszuwerten. In Zusammenhang mit der Vorrichtung ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
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Für die Vorrichtung wird bevorzugt ein Prüfstempel mit einer Geometrie verwendet, welche bereits in Bezug auf das Verfahren als vorteilhaft beschrieben wurde.
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Vorzugsweise wird der Prüfstempel an einer beweglichen Traverse der Verlagerungseinrichtung angeordnet, wobei die Prüfmatrize an einer festen Traverse angeordnet wird.
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Die Prüfmatrize ist vorzugsweise als rohrförmige Matrize ausgebildet. Sie weist insbesondere einen ringförmigen Auflagebereich für das Werkstück sowie eine zentrale Aussparung oder Bohrung auf, in welche der Prüfstempel eindringen und das Werkstückmaterial lokal hineinverformen kann. Entsprechend ist ein Innendurchmesser der Aussparung bevorzugt auf den Außendurchmesser des Prüfstempels – insbesondere in dem Prüfabschnitt – abgestimmt.
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Als Material für die Prüfmatrize wird bevorzugt 42CrMo4 verwendet. Auch andere Werkstoffe oder Materialen sind für die Prüfmatrize möglich.
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Die hier beschriebene Prüfmatrize wird vorzugsweise im Rahmen des Verfahrens zur Ermittlung von wenigstens einem Kennwert zur Umformbarkeit eines Materials verwendet.
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Die Vorrichtung ist vorzugsweise als Zugprüfanlage, als Clinch-Zange, oder als Stanznietwerkzeug ausgebildet. Insbesondere eine entsprechend ausgerüstete Clinch-Zange oder ein entsprechend ausgerüstetes Stanznietwerkzeug können ohne Weiteres in eine Prozesslinie integriert werden, um sehr schnell und effizient Kennwerte zur Umformbarkeit eines Materials zu erhalten, die in nachgelagerten Verfahrensschritten zur Bearbeitung des Werkstücks verwendet werden können.
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Vorzugsweise weist die Vorrichtung einen sie insgesamt versteifenden und die bewegliche mit der feststehenden Traverse verbindenden C-Bügel auf, welcher die während des Stempeleindringversuchs herrschenden Kräfte aufnimmt und abstützt.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung weist einen Niederhalter auf, der einer Fixierung des zu prüfenden Werkstücks relativ zu der Vorrichtung dient. Der Niederhalter und der Prüfstempel sind vorzugsweise als eine Baugruppe ausgeführt.
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Die Beschreibung des Verfahrens einerseits und der Vorrichtung andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Merkmale der Vorrichtung, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung. Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Vorrichtung erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Schritte einer erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Insbesondere wird im Rahmen des Verfahrens vorzugsweise ein Ausführungsbeispiel der zuvor beschriebenen Vorrichtung verwendet. Das Verfahren zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens einen Verfahrensschritt aus, der durch wenigstens ein Merkmal eines erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung bedingt ist. Die Vorrichtung zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens ein Merkmal aus, welches durch wenigstens einen Schritt einer erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bedingt ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Durchführung einer Ausführungsform des Verfahrens.
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Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 1 zur Durchführung eines Verfahrens zur Ermittlung von wenigstens einem Kennwert zur Umformbarkeit eines Materials eines Werkstücks. Die Vorrichtung 1 ist dabei bevorzugt als Zugprüfanlage, als Clinch-Zange, als Stanznietzange oder in einer anderen geeigneten Weise aufgebaut. Sie weist einen Prüfstempel 3 und eine Prüfmatrize 5 auf, sowie eine nicht dargestellte Verlagerungseinrichtung, die eingerichtet ist zur Relativverlagerung des Prüfstempels 3 und der Prüfmatrize 5. Insbesondere ist es möglich, dass der Prüfstempel 3 an einer beweglichen Traverse der Vorrichtung 1 befestigt ist, wobei die Prüfmatrize 5 an einer feststehenden Traverse der Vorrichtung 1 befestigt ist. Die Vorrichtung 1 weist außerdem bevorzugt eine nicht dargestellte Erfassungseinrichtung zur Erfassung eines Parameter-Verlaufs, insbesondere eines Kraft-Weg-Verlaufs, zwischen dem Prüfstempel 3 und der Prüfmatrize 5 auf, sowie eine ebenfalls nicht dargestellte Auswertungseinrichtung, die eingerichtet ist zur Auswertung des erfassten Parameter-Verlaufs, insbesondere des erfassten Kraft-Weg-Verlaufs. Auch andere Parameterverläufe können erfasst und ausgewertet werden, beispielsweise ein Energie-Zeit-Verlauf.
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Die Vorrichtung 1 ist eingerichtet zur Durchführung eines Stempeleindringversuchs in das volle Material eines Werkstücks, wobei eine punktförmige Prüfung des Materials durchgeführt wird. Dabei zeigt sich, dass der Prüfstempel 3 an einem Prüfabschnitt 6 eine zylindrische Stempelgeometrie, insbesondere eine zylindrische Mantelfläche 7, sowie bevorzugt eine flache Stirnseite 9 aufweist, wobei die Stirnseite 9 im Betrieb der Vorrichtung 1 dem zu prüfenden Werkstück zugewandt ist und wobei der Prüfstempel 3 mit der Stirnseite 9 in das Werkstück eindringt.
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Der Prüfabschnitt 6 weist eine Länge L von mindestens 5 mm bis höchstens 10 mm, vorzugsweise von 8 mm auf. Weiterhin weist der Prüfabschnitt 6 im Bereich der Mantelfläche 7 vorzugsweise einen Durchmesser DS von mindestens 2 mm bis höchstens 7 mm, vorzugsweise von 5 mm, auf.
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Der Prüfstempel 3 – insbesondere in dem Prüfabschnitt 6 und ganz besonders im Bereich der zylindrischen Mantelfläche 7 und der Stirnseite 9 – weist vorzugsweise als Material X155CrVMo auf oder besteht aus diesem Material. Die chemische Zusammensetzung des Materials weist in Massenanteilen bevorzugt 1,55% Kohlenstoff, 12,0% Chrom, 0,7% Molybdän und 1,0% Vanadium auf. Auch andere Materialien sind möglich.
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Die Prüfmatrize 5 weist hier einen rohrförmigen Grundkörper 11 mit einem ringförmigen Auflagebereich 13 für das Werkstück sowie einer zentralen Aussparung 15 auf, in welche der Prüfstempel 3 eindringen und das Werkstückmaterial lokal hineinverformen kann. Entsprechend ist ein Innendurchmesser der Aussparung 15 bevorzugt auf den Außendurchmesser des Prüfstempels 3 – insbesondere in dem Prüfabschnitt 6 – abgestimmt.
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Als Material für die Prüfmatrize 5 wird bevorzugt 42CrMo4 verwendet. Auch andere Werkstoffe oder Materialen sind für die Prüfmatrize möglich.
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Im Rahmen des Verfahrens wird bevorzugt ein zu prüfendes Werkstück zwischen dem Prüfstempel 3 und der Prüfmatrize 5 angeordnet. Der Prüfstempel 3 wird dann – vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit von 3 mm/min bis auf eine Vorkraftposition relativ zu der Prüfmatrize 5 verlagert, wobei die Vorkraftposition bevorzugt erreicht wird, wenn der Prüfstempel 3 eine bestimmte Kraft auf das zwischen dem Prüfstempel 3 und der Prüfmatrize 5 angeordnete Werkstück ausübt. Nach Erreichen der Vorkraftposition wird der Stempeleindringversuch gestartet und der Kraft-Weg-Verlauf aufgenommen. Dabei wird der Prüfstempel 3 vorzugsweise mit einer Prüfgeschwindigkeit von 20 mm/min in das Werkstück hinein verlagert. Die Prüfung und insbesondere die Erfassung des Kraft-Weg-Verlaufs endet bevorzugt bei einer Kraftabschaltschwelle, die in geeigneter Weise in Abhängigkeit einer Maximalkraft des Kraft-Weg-Verlaufs definiert werden kann, beispielsweise in Form einer bestimmten Differenzkraft ausgehend von der Maximalkraft, oder in Form eines prozentualen Anteils der Maximalkraft, auf welchen die Kraft in dem Stempeleindringversuch abgefallen sein muss. Sobald die Prüfung abgeschlossen ist, fährt der Prüfstempel 3 in seine Ruheposition zurück, sodass das Werkstück entnommen werden kann.
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Der Stempeleindringversuch wird vorzugsweise in vorbestimmter Lage relativ zu einem Rand des Werkstücks durchgeführt, besonders bevorzugt im Bereich eines Fügeflanschs.
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Vorzugsweise wird der Stempelweg von der Vorkraftposition bis zu der Maximalkraft ermittelt und als maximaler Stempelweg zur Auswertung herangezogen. Es erfolgt bevorzugt eine Wandstärkenkorrektur für das Werkstück, besonders bevorzugt indem der ermittelte, maximale Stempelweg auf die Wandstärke des Werkstücks bezogen wird, insbesondere indem der Quotient aus dem maximalen Stempelweg und der Wandstärke des Werkstücks berechnet wird.
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Als Kennwert wird vorzugsweise eine Duktilität oder ein Biegewinkel ermittelt, insbesondere in Form einer Korrelation des maximalen Stempelwegs oder des Quotienten aus dem maximalen Stempelweg mit der Wandstärke des Werkstücks und einem Biegewinkel in Form eines zuvor ermittelten Zusammenhangs.
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Der Stempeleindringversuch wird bevorzugt in einer Umgebung eines Fügebereichs durchgeführt, vorzugsweise an einer Mehrzahl von Prüfstellen, wobei bevorzugt eine Mittelung über die Ergebnisse an der Mehrzahl von Prüfstellen durchgeführt wird.
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Insgesamt zeigt sich, dass mittels des Verfahrens und der Vorrichtung eine Prüfung von Werkstücken in einer Prozesslinie unter Verwendung einer einfachen und kostengünstigen Messtechnik, insbesondere durch einfaches Umrüsten bestehender Clinch- oder Stanznietzangen, erreicht werden kann, wobei ein geprüftes Werkstück vorzugsweise nicht unbrauchbar wird, sondern vielmehr nach der Prüfung bestimmungsgemäß weiterverwendet werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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