DE102006040748A1 - Spritzgussverfahren für faserverstärkte Kraftfahrzeugteile - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung von Exterieur- oder Interieurteilen von Kraftfahrzeugen aus faserverstärkten Thermoplasten durch Spritzguss
umfassend die Schritte
- Herstellung mindestens eines Textileinlegers aus nicht konsolidiertem Hybridgarn aus thermoplastischen und aus (an)organischen Verstärkungsfasern,
- Vorwärmen des mindestens einen Textileinlegers auf eine Temperatur nahe dem Schmelzpunkt der thermoplastischen Fasern vor oder beim Einbringen des mindestens einen Textileinlegers in eine Spritzgießform
- Umspritzen des mindestens einen Textileinlegers mit einem Thermoplasten bei einer Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur der thermoplastischen Fasern, wobei diese im wesentlichen vollständig aufgeschmolzen werden
- Abkühlung und Entnahme des Exterieur- oder Interieurteils.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Exterieur- oder Interieurteilen von Kraftfahrzeugen aus faserverstärkten Thermoplasten, unter Verwendung eines nicht konsolidierten Textileinlegers aus Hybridgarn im Spritzgussverfahren gemäß Anspruch 1.
  • Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Frontends, Stoßfänger, Verkleidungsteile und Hutablagen von Automobilen aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK), welche durch Spritzgussverfahren erhältlich sind.
  • Derartige Bauteile sind üblicherweise Zusammenbauten aus Blechteilen. Sie müssen in mehreren Arbeitsschritten montiert werden. Die Werkzeugkosten zur Herstellung des Bleches als Tiefziehteil sind hoch und wirken sich besonders bei kleinen Stückzahlen aus. Frontends und Hutablagen können beispielsweise auch als FVK-Strukturen in Presstechnik/Fließpresstechnik gefertigt werden. Hierbei sind jedoch mehrere Verfahrensschritte und Nacharbeiten notwendig. Die hierbei realisierbaren Geometrien und deren Fertigungstoleranzen sind nur sehr beschränkt und es bestehen Nachteile in der Steifigkeit, den Akustikeigenschaften und den Fertigungskosten. Ferner bestehen keine zufrieden stellenden Fügeverfahren für den Einbau in die Karosserie bzw. in die Rohbaustruktur der Kraftfahrzeuge.
  • Als weitere Anforderung an derartige Interieur- oder Exterieurteile, insbesondere Verkleidungsteils, wie beispielsweise einer Türverkleidung oder einer Hutablage besteht der Wunsch nach Werkstoffverbunden. Dabei soll ein Auskleidungsteil bereitgestellt werden, das in unterschiedlichen Bereichen unterschiedliche Funktionalitäten, insbesondere eine Verstärkungsfunktion und eine Designfunktion, wie beispielsweise Oberflächenbeschaffenheit oder Formkomplexität aufweist. Die Verstärkungsfunktion lässt sich insbesondere durch Verstärkungsfasern realisieren.
  • Aus der DE 295 03 709 U1 ist ein Auskleidungsteil aus Kunststoff für den Innenraumbereich von Fahrzeugen mit einer Sicht- und Rückseite bekannt, das in wenigstens zwei Bereichen aus wenigstens zwei in Art, Farbe, Härte, Festigkeit und/oder Oberflächenbeschaffenheit und Oberflächendekor verschiedenen Materialien besteht. Hierzu wird an wenigstens einem Randabschluss eines vorgeformten Teiles, das sowohl ein in sich formstabiles als auch ein in sich nicht formstabiles Teil sein kann an dessen rückseitigen Bereich Kunststoff angeformt ist.
  • Aus der DE 199 22 799 A1 ist ein RTM-Verfahren und eine hierfür geeignete Vorrichtung zur Herstellung von faserverstärkten Verbundwerkstoffen bekannt. Insbesondere werden Drapierwerkzeuge ausgeführt, die mittels geometrisch angepasster Spannrahmen für die Fasergelege ein Verwerfen oder Verschieben beim Absenken des Positivstempels des Drapierwerkzeugs verhindern. Das Matrixmaterial wird in üblicher Weise schmelzflüssig über Dosierköpfe zugeführt.
  • Ein Pulltrusions-Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststofferzeugnissen mit Lang- bzw. Endlosfaserverstärkung ist aus DE 197 56 126 C2 bekannt. Hierbei wird zunächst ein Hybridband aus endlich langen Verstärkungsfasern und thermoplastischen Matrixfasern als deren Trägermaterial hergestellt. Danach wird mindestens ein Band in eine Schneckenmaschine eingeführt, so dass durch Aufschmelzen der thermoplastischen Matrixfasern ein plastisch verformbarer langfasriger Formstoff entsteht. Durch dieses Verfahren sind langfaserverstärkte Kunststofferzeugnisse durch Plastifizierung von Hybrid-Faserbändern auf Schneckenmaschinen herstellbar.
  • Häufig werden zur Herstellung von FVK auch Spritzgießverfahren angewendet. Diese haben aber den Nachteil, dass sich zum Teil nur ein unbefriedigendes vollständiges Einbetten der Verstärkungsfasern in die Matrix erreichen lässt und die Faserlängen im Bauteil sehr unterschiedlich sind. Insbesondere bei anspruchsvollen Geometrien ist ein vollständiges bzw. gleichmäßiges Umfließen der Verstärkungsfasern nur schwer zu erreichen. Dies gilt insbesondere für Bauteile mit wechselnden Bereichen mit Faserverstärkung und ohne Faserverstärkung. Hinreichend formstabile Fasergebilde aus Verstärkungsfasern lassen sich in der Regel nur dann erreichen, wenn sehr hohe Verstärkungsfaserdichten im Fasergebilde vorliegen, welche das vollständige Umfließen der Verstärkungsfasern behindert.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Verfahren bereit zu stellen, mit dem sich faserverstärkte Exterieur- oder Interieurteile von Kraftfahrzeugen komplexer Geometrien oder wechselnd verstärkten und unverstärkten Bereichen in einfacher Weise und kostengünstig herstellen lassen.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von Exterieur- oder Interieurteilen von Kraftfahrzeugen aus faserverstärkten Thermoplasten mit den Schritten
    • – Herstellung mindestens eines nicht konsolidierten Textileinlegers aus Hybridgarn aus thermoplastischen und aus (an)organischen Verstärkungsfasern,
    • – Vorwärmen des mindestens einen Textileinlegers auf eine Temperatur nahe dem Schmelzpunkt der thermoplastischen Fasern,
    • – Einbringen des mindestens einen Textileinlegers in eine Spritzgießform
    • – Umspritzen des mindestens einen Textileinlegers mit einem thermoplastischen Matrixpolymer bei einer Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur der thermoplastischen Fasern, wobei diese im wesentlichen vollständig aufgeschmolzen werden und
    • – Abkühlung und Entnahme des Exterieur- oder Interieurteils, mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
  • Unter (an)organischen Verstärkungsfasern, sind organische oder anorganische Fasern zu verstehen, welche unter den Herstellungsbedingungen unschmelzbar sind und insbesondere als Lang- oder Endlosfasern zum Einsatz kommen. Die (an)organischen Fasern mit oder ohne Schlichte eingesetzt werden. Bevorzugt tragen die (an)organischen Fasern eine Schlichte aus thermoplastischem Polymer.
  • Die Temperatur nahe dem Schmelzpunkt der thermoplastischen Fasern ist bevorzugt ein enges Temperaturfenster unterhalb der Erweichungstemperatur.
  • Durch das Nutzen des Spritzgussverfahrens bestehen große Freiheiten in der Formgestaltung des Bauteils, hohe Bauteilgenauigkeiten und das Verbundbauteil kann in nur einem Prozessschritt gefertigt werden.
  • Durch die Nutzung eines nicht konsolidierten Textileinlegers aus Hybridgarn ist es möglich auch im Spritzgussverfahren faserverstärkte Kunststoff-Leichtbauteile hoher Fertigungsqualität, bei geringen Teilekosten herzustellen. Gegenüber den gängigen Verfahren ist das erfindungsgemäße insbesondere bei kleinen bis mittlere Stückzahlen wirtschaftlich.
  • Für die Erfindung ist es wesentlich, dass Hybridgarne, oder Hybrid-Mehrzwirngarne verwendet werden. Hierunter sind insbesondere Commingling-Hybridgarne zu verstehen, welche z. B. durch Lufttexturieren verwirbelte Filamentgarne aus Verstärkungs- und Thermoplastfilamenten darstellen. Ebenso fallen hierunter Flechthybridgarne aus geflochtenem Garn aus Verstärkungs- und Thermoplast-Rovings oder Hybrid-Kammgarne, die nach dem Kammgarnspinnverfahren aus Verstärkungsfasern und thermoplastischen Fasern erhältlich sind sowie auch Parallel-Hybridgarne oder glatte Filamentgarne, die aus parallel liegenden Verstärkungs- und Thermoplastfilamenten bestehen.
  • Die Textileinleger sind textile, zwei- oder dreidimensionale Flächengebilde aus den Hybridgarnen, beziehungsweise daraus konfektionierte trockene Prepregs mit textilem Charakter. In der Regel werden die Textileinleger als konturengerechte textile Halbzeuge oder textile Preforms eingesetzt.
  • Die Textileinleger werden bevorzugt konturnah als Gestricke, Gewebe oder Gewirke aus Hybridgarn bereitgestellt. Diese zeichnen sich durch eine hohe Drapierbarkeit aus und leisten einen Beitrag zur Strukturintegrität.
  • Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Textileinleger sieht 2D-Hybridstrukturen, also zweidimensionale textile Flächen aus Verstärkungs- und thermoplastischen Fasern vor, wobei die Orientierung der Verstärkungsfasern nur in zwei Richtungen erfolgt, d.h. es gibt keine dritte Verstärkungsrichtung, die senkrecht dazu orientiert ist.
  • Eine weitere Ausgestaltung sieht 3D-Hybridstrukturen vor. Die Orientierung der Verstärkungsfasern erfolgt in der Ebene und zusätzlich in der dritten Dimension (z-Richtung), die beispielsweise senkrecht dazu orientiert ist.
  • Werden textile Flächengebilde, beispielsweise flächige Gestricke, Gewebe oder Gewirke oder 2D-Hybridstrukturen verwendet, so werden diese bevorzugt durch Drapieren verformt um zu einem 3-dimensionalen Textileinleger zu gelangen. Hierdurch werden durch textile Flächenbildungs- oder Konfektionierungsverfahren, räumlich konturengerechte textile Halbzeuge, beziehungsweise Textileinleger hergestellt.
  • In bevorzugter Ausgestaltung werden die Textileinleger so ausgestaltet, dass ich ein Near-Net-Shape-Preform-Verfahren ergibt, beziehungsweise die Endkontur der spritzgegossenen Exterieur- oder Interieurteile im Wesentlichen der Form des Textileinlegers entspricht.
  • Verfahrensgemäß ist vorgesehen, ein Vorwärmen des mindestens einen Textileinlegers auf eine Temperatur nahe dem Schmelzpunkt der thermoplastischen Fasern durchzuführen, bevor der Spritzgussprozess durchgeführt wird. Dabei muß zumindest die Randzone des Einlegers auf diese Temperatur gebracht werden. Hierdurch wird ein weit gehend vollständiges Aufschmelzen und Umfließenden der Verstärkungsfasern erreichbar. Die Erwärmung kann außerhalb oder innerhalb der Spritzgussform erfolgen. Gegebenenfalls ist die Spritzgussform zumindest einseitig zu beheizen. Die Vorwärmtemperatur kann je nach Thermoplast, insbesondere je nach Schärfe des Schmelzpunktes, bis auf wenige °C unterhalb dessen Schmelztemperatur gewählt werden. Zweckmäßig sind Bereiche von 5 bis 50° unterhalb dieser Schmelztemperatur, oder der Glasübergangstemperatur, mindestens in den Randzonen des Garns oder Zwirns.
  • Der Textileinleger kann zur Optimierung des Verstärkungsverlaufs oder zur Verbesserung der Anbindung an die Matrix lokal Verstärkungen oder Durchbrüche, Kanten und Sicken aufweisen.
  • In weiterer bevorzugter Ausgestaltung des Textileinlegers weist dieser Einlagen auf, welche in das Textil eingearbeitet sind. Bevorzugt bestehen diese Einalgen aus Verbindungselementen oder Aufnahmen von Verbindungselementen des zu bildenden Bauteils. Dies können beispielsweise Hülsen, Bolzen oder Gewindeteile sein, die beispielsweise aus Metall, Kunststoff oder Verstärkungsfasergewebe gebildet sind. Bevorzugt sind diese aus Metall gebildet und dienen als Anbindung zu metallischen Karosserieteilen. Auch Scharniere oder Kanteneinleger können als Einlagen dienen. Diese Einlagen sind nur teilweise umspritzt oder ragen zum teil großflächig aus dem Spritzgussteil heraus.
  • Derartige Hybrid-Verbindungsbuchsen erlauben die Montage im Karosserierohbau mit gängigen Fügeverfahren, wie Durchsetzfügen oder Kleben. Bevorzugt erfolgt vor der Montage noch eine KTL-Beschichtung (Kathodische Tauchlackierung).
  • Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Exterieur- oder Interieurteile sieht eine Unterteilung in Struktur- und Funktionsbereiche vor. Der Strukturbereich ist dabei der durch (an)organische Fasern, insbesondere Endlosfasern verstärkte Bereich und der Funktionsbereich ein unverstärkter, d.h. nicht durch Langfasern verstärkter Bereich. Beim Spritzguss der Bauteile wird dabei ein Textileinleger gewählt, der nur den als Strukturbereich vorgesehenen Teil der Spritzgussform ausfüllt. Gegebenenfalls ist der Textileinleger zumindest an einer der Seiten des Spritzgusswerkzeuges zu fixieren, um ein Aufschwimmen oder Verrutschen beim Spritzguss zu verhindern.
  • In einfachster Ausgestaltung des Funktionsbereichs handelt es sich lediglich um den unverstärkten Thermoplasten mit glatter Oberfläche. Weitere Ausgestaltungen sind profilierte Oberflächen oder ausgeformte Funktionsteile, wie Griffe, oder Befestigungsmittel aus dem Thermoplast. Zu den Funktionsbereichen können auch durch Rippen, oder Sicken selbstverstärkte flächige Strukturen gehören.
  • Eine weitere Variante sieht vor, dass der Strukturbereich über den Funktionsbereich hinausragt. Dabei können die überstehenden Teile der faserverstärkten Struktur insbesondere als Verbindungs- bzw. Befestigungselemente mit weiteren Teilen der Fahrzeugkarosserie dienen. Das Exterieur- oder Interieurteil kann hierbei ein stabformiges, bandförmiges, strebenförmiges, strangförmiges, flächiges oder blechartiges Bauteil oder auch komplexes 3-dimensionales Strukturteil darstellen, bei welchem der Strukturbereich an den Seiten, Kanten und/oder den Enden über den Funktionsbereich hinaus ragt.
  • Als Fasertypen sind hinsichtlich der Verstärkungsfasern (an)organischen Endlosfasern Polyamidfasern, Glasfasern, C-Fasern, Naturfasern und/oder Aramidfasern besonders bevorzugt. Als organische Naturfasern sind insbesondere Baumwollfasern, Cellulosefasern, Abacafasern oder Hanffasern geeignet.
  • Als thermoplastische Endlosfasern sind insbesondere PEEK-Fasern (Polyetheretherketon), PA-Fasern (Polyamid), PE-Fasern (Polyethylen) und/oder PP-Fasern (Polypropylen) geeignet.
  • Als Thermoplast zum Umspritzen beziehungsweise als Kunststoffmatrix für das Bauteil sind insbesondere PEEK, PA, PE und/oder PP geeignet. Für Hochleistungsanwendungen können auch Polyetherimid oder Polyethersulfon eingesetzt werden.
  • In einer weiteren Variante werden für die Kunststoffmatrix gefüllte thermoplastische Polymere verwendet. Dabei sind insbesondere mit Kurzglasfasern, oder Nanofüllern gefüllte Thermoplasten von Bedeutung. Beispielsweise ist PP mit nanodispersem Aluminiumoxid geeignet.
  • Bevorzugt wird als thermoplastische Faser in dem Verstärkungsgarn, Hybridgarn oder Hybrid-Zweizwirngan und als Matrixpolymer der gleiche Polymertyp gewählt. Dabei liegt die Spritzgusstemperatur in der Regel oberhalb der Schmelztemperatur des Faserpolymers, so dass ein vollständiges Aufschmelzen der artgleichen thermoplastischen Fasern begünstigt wird. Bevorzugt wird die Spritzgusstemperatur so eingestellt, dass zumindest in der Randzone des Hybridgarns ein Erweichen und Schmelzen erfolgt.
  • Innerhalb des Hybrdidgarns wird die Verteilung von Thermoplast- zu Verstärkungsfaser bevorzugt so gewählt, dass die verstärkten Bereiche einen Verstärkungsfaseranteil von 40 bis 65 Vol. % aufweisen.
  • Die Verstärkuzungsfasern, insbesondere Glas- oder Kohlenstofffasern tragen dabei bevorzugt eine Schlichte, welche die Haftung in der Polymermatrix verbessert. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die Schlichte aus dem die Kunststoffmatrix bildenden Polymer gebildet.
  • In den 1 bis 5 sind Beispiele bevorzugter Ausführungen der Erfindung aufgezeigt.
  • Dabei zeigen:
  • 1 die Komponenten eines Frontendträgers mit FVK-Struktureinleger (1) und Kunststoffmatrix (4)
  • 2 einen Textileinleger (1) mit Ausnehmungen (5)
  • 3 eine Querbrücke zwischen Scheinwerfern mit Funktionsbereich (4), Struktureinleger (1), Strukturbereich (3) und Verbindungselement (6)
  • 4 ein Ausschnitt aus einer Querbrücke zwischen Scheinwerfern mit Funktionsbereich (4), Struktureinleger (1) und Verbindungselement (6)
  • 5 der Struktureinleger für eine Hutablage mit Verbindungselementen (6), Durchbrüchen (7) und Vertiefungen (9)
  • 1 zeigt die einzelnen Komponenten eines Frontendträgers für Personenkraftwagen. Dabei wird zunächst ein Struktureinleger (1) aus Hybridgarn gestrickt wodurch ein FVK-Struktureinleger gebildet wird. Der Struktureinleger wird vollständig mit Kunststoffmatrix (4) umspritzt, welche die äußere Form des Bauteils bestimmt.
  • 2 zeigt ein drapiertes, nicht konsolidiertes, biaxial verstärktes Mehrlagenestrick, in Flachstricktechnik.
  • 3 zeigt eine Querbrücke, welche zwischen Scheinwerfern von Personenkraftwagen einbringbar ist. Der Funktionsbereich (4) aus Kunststoffmatrix weist rippenartige Strukturen auf, wie sie für den Leichtbau typisch sind. Im Strukturbereich ist eine Faserverstärkung vorgesehen, welche durch den Struktureinleger (1) aus Hybridgarn gewährleistet wird. Im faserverstärkten Bereich sind eingegossene Verbindungselemente (6) vorgesehen. Diese bestehen aus durch Kohlenstofffasern gewebten Hülsen.
  • 4 zeigt den Ausschnitt einer Querbrücke. Der Struktureinleger (1) ragt über die Längsachse des Bauteils aus der Kunststoffmatrix (4) bzw. dem Funktionsbereich heraus. Der Struktureinleger ist nur teilweise vollständig von Matrix umgeben. Das Bauteil enthält ein hülsenförmiges Verbindungselement (6), welches durch Funktions- und Strukturbereich hindurchragt.
  • 5 zeigt den Struktureinleger für eine Hutablage eines Personenkraftwagens. In der Nähe der Kanten sind Verbindungsbuchsen angeordnet, welche durch eingelegte Verbindungselemente (6) gebildet werden. Der Struktureinleger weist Durchbrüchen (7) auf die im späteren Bauteil unverstärkt bleiben. Der Struktureinleger ist dreidimensional ausgebildet und weist Vertiefungen (9) auf.

Claims (15)

  1. Verfahren zur Herstellung von Exterieur- oder Interieurteilen von Kraftfahrzeugen aus faserverstärkten Thermoplasten durch Spritzguss umfassend die Schritte – Herstellung mindestens eines nicht konsolidierten Textil- oder Struktureinlegers (1) aus Hybridgarn aus thermoplastischen und aus (an)organischen Verstärkungsfasern, – Vorwärmen des mindestens einen Textileinlegers (1) zumindest in der Randzone auf eine Temperatur nahe dem Schmelzpunkt der thermoplastischen Fasern vor oder beim Einbringen des mindestens einen Textil- oder Struktureinlegers (1) in eine Spritzgießform – Umspritzen des mindestens einen Textil- oder Struktureinlegers mit einem Thermoplasten bei einer Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur der thermoplastischen Fasern, wobei diese zumindest in der Randzone des Textil- oder Struktureinlegers aufgeschmolzen werden – Abkühlung und Entnahme des Exterieur- oder Interieurteils.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Exterieur- oder Interieurteil mit einem durch (an)organische Endlos-Verstärkungsfasern verstärkten Strukturbereich (3) und einem nicht durch Endlosfasern verstärkten Funktionsbereich (4) gebildet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Thermoplast ein mit Kurzfasern oder Nanofüllern gefüllter Thermoplaste gewählt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit Kurz-Glasfasern gefüllter Thermoplast gewählt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Spritzguss im Strukturbereich (3) Ausnehmungen (5) für die Aufnahme von Verbindungselementen (6) gebildet werden.
  6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Strukturbereich (3) Verbindungselemente (6) eingebracht und beim Spritzguss eingegossenen werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Verbindungselemente (6) Einlegeteile in Form von Metallbuchsen oder Bolzen verwendet werden.
  8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Textileinleger (1) einlagige und biaxiale verstärkte Mehrlagenflachgestrickte, oder 2- oder 3-dimensionale Gestricke, Gewirke oder Gewebe verwendet werden.
  9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Textileinleger (1) verwendet werden, welche Durchbrüche, Kanten und Sicken im Textil aufweisen.
  10. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hybridgarn aus mehr als 2 verschiednen Fasertypen gewählt wird.
  11. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als (an)organische Verstärkungsfasern Polyamidfasern, Glasfasern, C-Fasern, Naturfasern und/oder Aramidfasern verwendet werden.
  12. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die (an)organischen Verstärkungsfasern eine Schlichte aus dem Thermoplast des Matrixthermoplasten tragen.
  13. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als thermoplastische Endlosfasern PEEK-Fasern, PA-, PE-Fasern und/oder PP-Fasern verwendet werden.
  14. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Thermoplasten PEEK, PE und/oder PP verwendet werden.
  15. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Textileinleger (1) mit dem gleichen Thermoplasten wie im Hybridgarn umspritzt wird.
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