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TECHNISCHES GEBIET
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Hierin beschriebene Ausführungsformen betreffen allgemein ein selbstanpassendes ungekräuseltes Gelege sowie konturierte Verbundwerkstoffkomponenten mit diesem. Insbesondere beschreiben hierin angegebene Ausführungsformen allgemein ein selbstanpassendes ungekräuseltes Gelege, das wenigstens einen sich anpassenden Bereich aufweist, der einen ersten zugeschnittenen Parameter aufweist, der aus der Gruppe ausgewählt ist, zu der die Stichart, der Nahtabstand, die Stichdichte, das Nahtmaterial, das Nahtgewicht, die Stichspannung und Kombinationen von diesen gehören.
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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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In letzten Jahren sind Verbundwerkstoffe zur Verwendung in vielfältigen Luft- und Raumfahrtanwendungen aufgrund ihrer Haltbarkeit und ihres relativ geringen Gewichts zunehmend populär geworden. Es können verschiedene Faserstoffvorformen, wie beispielsweise Gewebe, Geflecht und ungekräuseltes Gelege, bei der Verbundwerkstoffherstellung verwendet werden. Die Verwendung dieser Faserstoffvorformen kann eine Automatisierung des Herstellungsprozesses ermöglichen und kann ein kostengünstigeres Herstellungsverfahren für Verbundwerkstoffkomponenten, als es bisher existierte, ergeben.
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Von den Faserstoffvorformen ist ein Gewebe allgemein das am weitesten verbreitete und kostengünstigste. Die Fasern von Geweben zeigen gewöhnlich eine senkrechte (0° und 90°) Orientierung, die durchgeschnitten und gedreht werden müssen, falls die Fasern für die Herstellungszwecke unter irgendwelchen Schrägwinkeln platziert werden müssen. Dieser Nachteil führt häufig zu höherer Materialverschwendung und einer Verringerung der Automatisierung des Komponentenherstellungsprozesses. Im Vergleich zu einem Gewebe können Geflechte mehr Gestaltungsflexibilität ermöglichen, weil die Fasern unter Schrägwinkeln orientiert werden können. Jedoch ist ein Geflecht allgemein schwieriger herzustellen und folglich teuerer als ein Gewebe. Außerdem können Geflechte, die Fasern unter Schrägwinkeln aufweisen, nur einen definierten maximalen Betrag der während der Komponentenherstellung aufgebrachten Zugspannung aufnehmen, über die hinaus sich die Faserarchitektur des Materials in unerwünschter Weise verziehen wird.
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In einem Bestreben, sich mit einigen der vorstehenden Belange zu befassen, wurde kürzlich damit begonnen, ein multiaxiales ungekräuseltes Gelege (NCF, Non-Crimp Fabric) zur Herstellung von Verbundwerkstoffkomponenten einzusetzen. Wie hierin verwendet, bezeichnet NCF jede Stoffvorform, die durch Stapeln einer oder mehrerer Lagen unidirektionaler Fasern und anschließendes Zusammennähen der Lagen erzeugt werden können. Die Nähgarne dienen als eine Herstellungshilfe, die die Lagen zusammenhält und eine Handhabung des Stoffs ermöglicht. Die Garne sind durch den Stoff hinweg einheitlich und werden nicht für eine strukturelle Funktion verwendet.
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Ein NCF-Gelege kann kostengünstiger sein als ein Gewebe, weil eine geringere Materialverschwendung vorliegt und eine Automatisierung zur Beschleunigung des Komponentenfertigungsprozesses verwendet werden kann. Außerdem kann aufgrund des Fehlens verflochtener Fasern und der inhärenten Effizienz des Fertigungsprozesses ein NCF-Gelege kostengünstiger herzustellen sein als ein geflochtener Stoff. Im Vergleich zu Geweben und Geflechten, die unter Verwendung eines speziell ausgelegten Warenaufnahmedorns derart hergestellt werden können, dass sie eine integrierte konturierte Gestalt aufweisen, muss ein NCF-Gelege jedoch allgemein als eine flache Bahn oder Rolle erzeugt werden. Aufgrund dessen ist die Anpassungsfähigkeit eines NCF-Geleges im Allgemeinen nicht so gut wie diejenige, die mit Geweben oder Geflechten erreicht wird, so dass es folglich schwierig sein kann, dieses an eine konturierte Geometrie anzupassen, ohne Falten zu bilden.
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Demgemäß bleibt ein Bedarf nach Verfahren zur Herstellung eines ungekräuselten Geleges, das eine verbesserte Anpassungsfähigkeit aufweist, und konturierten Komponenten, die mit derartigen Verfahren hergestellt werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Hierin angegebene Ausführungsformen betreffen allgemein selbstanpassende ungekräuselte Gelege, die wenigstens einen sich anpassenden Bereich aufweisen, der einen ersten zugeschnittenen Parameter aufweist, der aus der Gruppe ausgewählt ist, zu der die Stichart, der Nahtabstand, die Stichdichte, das Nahtmaterial, Nahtgewicht, die Stichspannung und Kombinationen von diesen gehören.
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Hierin angegebene Ausführungsformen betreffen ferner allgemein selbstanpassende ungekräuselte Gelege, die aufweisen: wenigstens einen sich anpassenden Bereich; und wenigstens einen verankerten Bereich, wobei der eine sich anpassenden Bereich wenigstens einen ersten zugeschnittenen Parameter aufweist und der eine verankerte Bereich wenigstens einen zweiten zugeschnittenen Parameter aufweist, wobei jeder von dem ersten und dem zweiten zugeschnittenen Parameter aus der Gruppe ausgewählt ist, zu der die Stichart, der Nahtabstand, die Stichdichte, das Nahtmaterial, das Nahtgewicht, die Stichspannung und Kombinationen von diesen gehören.
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Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile werden für Fachleute auf dem Gebiet aus der folgenden Offenbarung offensichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Während die Beschreibung mit Ansprüchen endet, die die Erfindung besonders angeben und deutlich beanspruchen, wird angenommen, dass die hierin angegebenen Ausführungsformen anhand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Figuren besser verstanden werden, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen.
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1 zeigt eine schematisierte weggeschnittene Ansicht einer Ausführungsform einer Schicht eines ungekräuselten Geleges, das drei unidirektionale Lagen von Fasern aufweist, gemäß der hierin enthaltenen Beschreibung;
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2 zeigt eine schematisierte Darstellung einer Ausführungsform einer Schicht eines selbstanpassenden ungekräuselten Geleges, das zugeschnittene Parameter aufweist, gemäß der hierin enthaltenen Beschreibung; und
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3 zeigt eine schematisierte Perspektivansicht einer Ausführungsform einer Verbundwerkstoffkomponente, die eine konturierte Gestalt aufweist, gemäß der hierin enthaltenen Beschreibung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Hierin beschriebene Ausführungsformen betreffen allgemein ein selbstanpassendes ungekräuseltes Gelege sowie konturierte Verbundwerkstoffkomponenten, die dasselbe aufweisen. Während bestimmte Ausführungsformen hierin sich allgemein auf Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffgehäusen konzentrieren, wird es für Fachleute auf dem Gebiet verständlich, dass die Beschreibung nicht darauf beschränkt sein sollte. In der Tat können die hierin beschriebenen Verfahren, wie die folgende Beschreibung erläutert, dazu verwendet werden, jede beliebige Verbundwerkstoffkomponente mit wenigstens einer konturierten Gestalt oder Oberfläche, beispielsweise eine beliebige Komponente mit einer tragflächenprofilförmigen Struktur, wie hierin nachstehend beschrieben, herzustellen.
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Um die hierin beschriebenen Komponenten herzustellen, kann wenigstens eine Schicht eines Stoffes auf ein Werkzeug aufgebracht werden, das eine konturierte Gestalt aufweist, die anschließend mit einem Harz behandelt und aushärten gelassen werden kann, wie dies hier nachstehend erläutert ist. Wie hierin verwendet, kann ein „Werkzeug” einen beliebigen Dorn oder eine beliebige Form bezeichnen, der bzw. die zur Verwendung bei der Herstellung einer Verbundwerkstoffkomponente geeignet ist. Der Stoff kann kontinuierlich zugeführt oder stückweise um das Werkzeug platziert werden, bis die gewünschte Anzahl von Lagen erreicht ist.
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Zunächst kann wenigstens eine Stoffschicht auf das Werkzeug aufgebracht werden. Wie hierin durchwegs verwendet, bedeutet „Kontur(iert)” eine Komponente, die einen Abschnitt aufweist, der eine unebene (d. h. nicht flache) Gestalt oder Oberfläche aufweist. Einige Beispiele von konturierten Formen umfassen Zylinder, Kegel und Kombinationen von diesen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.
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Die Stoffschicht kann ein selbstanpassendes ungekräuseltes Gelege aufweisen. In dem hierin verwendeten Sinne bezeichnet „ungekräuseltes Gelege” 10 jeden Stoff, der gebildet wird, indem ein oder mehrere Lagen unidirektionaler Fasern gestapelt und anschließend die Lagen zusammengenäht werden, wie dies allgemein in 1 veranschaulicht ist. Die unidirektionalen Fasern des ungekräuselten Geleges können auf vielfältige Weise orientiert sein, um Entwurfsanforderungen zu genügen. Fachleute auf dem Gebiet werden verstehen, dass, weil das ungekräuselte Gelege durch Vernähen von Lagen von unidirektionalen Fasern gebildet ist, die unidirektionalen Fasern praktisch jeden beliebigen gewünschten Orientierungswinkel aufweisen können. Unabhängig von der speziellen Orientierung der Fasern des Stoffes können die Fasern allgemein jede beliebige geeignete, für Fachleute auf dem Gebiet bekannte Verstärkungsfaser aufweisen, die in der Lage ist, mit einem Harz kombiniert zu werden, um einen Verbundwerkstoff zu schaffen. In einer Ausführungsform können die Fasern wenigstens eins von Kohlenstofffasern, Grafitfasern, Glasfasern, Keramikfasern und aromatischen Polyamidfasern aufweisen.
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Um die zuvor erläuterten Unzulänglichkeiten bei derzeitigen Verbundwerkstofftechnologien anzugehen, sind hierin nachstehend die Verfahren zur Herstellung eines selbstanpassenden ungekräuselten Geleges 12, wie in 2 veranschaulicht, beschrieben. „Selbstanpassend” bezeichnet die Fähigkeit des Stoffes, die Gestalt des Werkzeugs einzunehmen, auf das er aufgebracht wird, ohne Falten zu bilden, wenn ein derartiges Werkzeug eine konturierte Gestalt aufweist, wie hierin definiert. Derartige Verfahren weisen allgemein ein Zuschneiden wenigstens eines ersten Parameters, um den Stoff zu verankern, und wenigstens eines zweiten Parameters, um die Anpassungsfähigkeit des Stoffes zu erzielen, wobei der erste und der zweite Parameter aus der Gruppe ausgewählt sind, zu der die Stichart, der Nahtabstand, die Stichdichte, das Nahtmaterial, das Nahtgewicht, die Stichspannung und Kombinationen von diesen gehören. Durch Zuschneidung derartiger Parameter kann das ungekräuselte Gelege ausgelegt werden, um eine verbesserte Anpassungsfähigkeit an das Werkzeug, auf das es aufgebracht wird, aufzuweisen.
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Insbesondere kann ein Zuschneiden der vorstehend in Bezug genommenen Parameter je nach Entwurfsbedürfnissen eine Verankerung oder eine Verbesserung der Anpassungsfähigkeit des Geleges ergeben. Wie hierin verwendet, bedeutet „Verankern” bzw. „Verankerung” des Stoffes eine Verringerung der Bewegung des Stoffes, um ihn in Stellung zu halten oder die Handhabungsfähigkeit zu verbessern. Z. B. kann es erwünscht sein, den Stoff an einer konkaven Stelle, um ihn in Stellung zu halten, oder entlang der Ränder zu verankern, um die Handhabungsfähigkeit zu verbessern. Die Erzielung einer „Anpassungsfähigkeit” bedeutet, dass den Fasern des Stoffes gestattet ist, sich zu bewegen, um sich ohne Faltenbildung an die Kontur des Werkzeugs anzugleichen, auf das er aufgebracht wird.
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Wie allgemein in 2 veranschaulicht, kann das Zuschneiden der Stichart das Verwenden einer einfachen Stichart 14 zur Verankerung des Stoffes und einer komplexen Stichart 16 umfassen, um eine Anpassungsfähigkeit des Stoffes zu erzielen. „Einfache Stichart” 14 bezeichnet einen Geradstich, während „komplexe Stichart” 16 einen komplizierteren Stich, wie beispielsweise ein Kreuzstichmuster oder ein Zickzackmuster, bezeichnen kann.
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Das Zuschneiden des Nahtabstands kann einen kleineren Nahtabstand 18, um den Stoff zu verankern, und einen größeren Nahtabstand 20 umfassen, um eine Anpassungsfähigkeit des Stoffes zu erzielen. „Kleinerer Nahtabszand” 18 kann einen Nahtabstnd von etwa 10 ppi bis etwa 2,5 ppi enthalten. „Größerer Nahtabstand” 20 kann einen Nahtabstnd von etwa 2,49 ppi bis etwa 0,1 ppi enthalten.
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Das Zuschneiden der Stichdichte umfasst die Verwendung hoher Stichdichte 22, um den Stoff zu verankern, und einer geringen Stichdichte 24, um eine Anpassungsfähigkeit des Stoffes zu erzielen. „Hohe Stichdichte” 22 kann Stiche mit einer Dichte von etwa 10 Stiche/1 Zoll (etwa 10 Stiche/2,54 cm) bis etwa 5 Stiche/1 Zoll (etwa 5 Stiche/2,54 cm) aufweisen, während eine „geringe Stichdichte” 24 Stiche mit einer Dichte von etwa 4,9 Stiche/1 Zoll (etwa 4,9 Stiche/2,54 cm) bis etwa 1 Stich/1 Zoll (etwa 1 Stich/2,54 cm) enthalten kann. Derartige Unterschiede der Dichte können z. B. erreicht werden, indem das ungekräuselte Gelege mehrere Male durch eine Stichnähmaschine geführt wird, bis die gewünscht Dichte erreicht ist.
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In einer Ausführungsform umfasst das Zuschneiden des Nahtmaterials ein Verwenden eines steifen Nahtmaterials, um den Stoff zu verankern, und eines elastischen Nahtmaterials, um eine Anpassungsfähigkeit des Stoffes zu erzielen. Einig Beispiele für steife Nahtmaterialien können standardgemäße Nylonfäden enthalten, sollten jedoch nicht darauf beschränkt sein, während elastische Nahtmaterialien thermoplastische Elastomere enthalten können, jedoch nicht darauf beschränkt sein sollten.
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Ein Zuschneiden des Nahtgewichtes 26 kann die Verwendung eines hohen Nahtgewichtes 26, um den Stoff zu verankern, und eines geringen Nahtgewichtes 28 zur Erzielung einer Anpassungsfähigkeit des Stoffes durch kontrollierten Nahtbruch umfassen. Ein „hohes Nahtgewicht” 26 kann ein Nahtgewicht von 72 Denier oder mehr enthalten, sollte jedoch nicht darauf beschränkt sein, während ein „geringes Nahtgewicht” 28 ein Nahtgewicht von weniger als 72 Denier enthalten kann, jedoch nicht darauf beschränkt sein sollte.
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Ein Zuschneiden der Stichspannung kann die Verwendung einer hohen Stichspannung 30, um den Stoff zu verankern, und einer schwachen Stichspannung 32 zur Erzielung einer Anpassungsfähigkeit des Stoffes unter Verwendung einer lokalen Stoffverschiebung umfassen. Mit „hoher Stichspannung” 30 ist gemeint, dass der Stich unter Spannung steht, d. h. dass der Stich stramm gegen die Ware gespannt ist. „Schwache Stichspannung” 32 bezeichnet einen Stich, der mit einer geringen Zugspannung geschaffen ist, der locker gegen den Stoff anliegt, bis der Stoff auf das Werkzeug aufgebracht wird. Sobald er auf dem Werkzeug aufgebracht ist, kann der schwache Stich enger gezogen werden, wodurch dem selbstanpassenden ungekräuselten Gelege ermöglicht wird, sich ohne Faltenbildung an die Kontur des Werkzeugs anzupassen.
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Außerdem kann die Anpassungsfähigkeit ferner durch Unterbrechung der Vernähung mit beliebigen der vorstehend beschriebenen zuschneidbaren Parametern erzielt werden. Eine „Unterbrechung” der Naht bezeichnet das Beseitigen wenigstens eines Stichs in der Nahtlinie. Die unterbrochene Vernähung kann in einem sich anpassenden Bereich, einem verankerten Bereich oder einer Kombination von diesen, wie hierin nachstehend definiert, angeordnet sein. Fachleute auf dem Gebiet werden verstehen, dass mehr als ein Stich entfernt werden kann, und dass die entfernten Stiche nebeneinander liegende Stiche, einander abwechselnde Stiche, jeder dritte Stich, vierte Stich, etc. oder eine beliebige Kombination von diesen sein können. Z. B. kann in einer Ausführungsform ein Kreuzstichmuster anpassungsfähiger gemacht werden, indem die Naht 33 durch Entfernen eines Abschnitts der Stiche unterbrochen wird, wie dies allgemein in 2 veranschaulicht ist. In einer anderen Ausführungsform kann eine schwache Stichspannung noch mehr anpassungsfähiger gemacht werden, indem die Naht 35 unterbrochen wird.
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Wie vorstehend beschrieben, können die hierin angegebenen Parameter zugeschnitten werden, um ein selbstanpassendes ungekräuseltes Gelege zu schaffen, das verwendet werden kann, um eine Verbundwerkstoffkomponente mit einer Kontur 34 herzustellne, wie sie allgemein in 3 veranschaulicht ist. Die Verbundwerkstoffkomponente 34 kann wenigstens einen Bereich 36 aufweisen, der den einen oder die mehreren zugeschnittenen Parameter enthält, wie sie hierin beschrieben sind. Ein derartiger Bereich 36 kann entweder einen sich anpassenden Bereich 38 oder einen verankerten Bereich 40 aufweisen. Die Verbundwerkstoffkomponente kann eine Kontur aufweisen, die zylindrische Formen oder Oberflächen, konische Formen oder Oberflächen oder Kombinationen von diesen umfasst, jedoch nicht darauf beschränkt sein soll. Fachleute auf dem Gebiet werden verstehen, dass die Komponente nicht vollständig konturiert zu sein braucht, so dass die Komponente vielmehr nur einen konturierten Abschnitt aufweisen kann. In einer Ausführungsform kann die Verbundwerkstoffkomponente ein Verbundwerkstoff-Umschließungsgehäuse, beispielsweise ein Bläsergehäuse, aufweisen. In einer anderen Ausführungsform kann die Komponente eine tragflächenprofilförmige Struktur, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, Bläserschaufeln an einem Düsentriebwerk oder Windblätter an einem Windrad, aufweisen.
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Nachdem das selbstanpassende ungekräuselte Gelege in der gewünschten Weise auf das Werkzeug aufgebracht worden ist, kann der resultierende Verbundwerkstoffkomponentenvorformling unter Verwendung herkömmlicher Techniken und Verfahren, wie sie für Fachleute auf dem Gebiet bekannt sind, mit einem Harz behandelt und aushärten gelassen werden, um die Verbundwerkstoffkomponente, die eine Kontur aufweist, zu erzeugen.
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Der Aufbau einer Verbundwerkstoffkomponente und insbesondere eines Gehäuses oder einer tragflächenprofilförmigen Struktur unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Stoffe und Verfahren kann gegenüber momentaner Technologie mit ungekräuseltem Gelege Vorteile bieten. Die Fähigkeit, das ungekräuselte Gelege anzupassen, wie hierin beschrieben, kann dem Stoff ermöglichen, eine verbesserte Anpassungsfähigkeit an das Werkzeug, auf das er aufgebracht wird, zu haben. Im Ergebnis kann die Masse des resultierenden Vorformlings reduziert werden, was ein höheres Faserstoffvolumen sicherstellen und das Auftreten von Falten in der endgefertigten getrockneten Verbundwerkstoffkomponente reduzieren kann.
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Diese Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und auch um jedem Fachmann auf dem Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung herzustellen und zu nutzen. Der patentierbare Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele enthalten, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche unwesentlichen Unterschieden enthalten.
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Zusammenfassung:
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Selbstanpassendes ungekräuseltes Gelege mit wenigstens einem sich anpassenden Bereich, der einen ersten zugeschnittenen Parameter enthält, der aus der Stichart, dem Nahtabstand, der Stichdichte, dem Nahtmaterial, dem Nahtgewicht, der Stichspannung und Kombinationen von diesen ausgewählt ist.