DE102009047389A1 - Verbindung zwischen einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil - Google Patents

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Abstract

Bei einer Vorrichtung mit einem ersten Bauteil aus Kunststoff und einem zweiten Bauteil mit einer Ausnehmung ist das erste Bauteil zumindest teilweise in der Ausnehmung angeordnet. Dabei weist das zweite Bauteil eine Öffnung auf, die von einer Außenseite des zweiten Bauteils zu einem in der Ausnehmung angeordneten ersten Abschnitt des ersten Bauteils verläuft. Die Öffnung ist unter einem Winkel zur Erstreckungsrichtung des ersten Bauteils angeordnet. Das erste Bauteil weist einen umgeformten Abschnitt auf, der in der Öffnung angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Verbinden eines ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4.
  • Stand der Technik
  • Zum Befestigen eines ersten Bauteils in einer Bohrung oder Ausnehmung eines zweiten Bauteils sind verschiedene Techniken bekannt. Falls beide Bauteile aus Metall gefertigt sind, so können die Bauteile beispielsweise miteinander verpresst oder verschweißt werden. Auch wenn das erste Bauteil aus Kunststoff besteht, kann es durch Verpressen mit dem zweiten Bauteil verbunden werden. Die Dauerfestigkeit einer solchen Verbindung unter einer Einwirkung von Medien, Temperaturschwankungen und Kräften lässt sich jedoch nur sehr schwer kontrollieren.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbesserte Verbindung zwischen einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Es ist weiter Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Verbinden eines ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil anzugeben. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ein erstes Bauteil und ein zweites Bauteil. Dabei weist das erste Bauteil einen Kunststoff auf. Das zweite Bauteil weist eine Ausnehmung auf, wobei das erste Bauteil zumindest teilweise in der Ausnehmung angeordnet ist. Außerdem weist das zweite Bauteil eine Öffnung auf, die von einer Außenseite des zweiten Bauteils zu einem in der Ausnehmung angeordneten Abschnitt des ersten Bauteils verläuft und unter einem Winkel zur Erstreckungsrichtung des ersten Bauteils angeordnet ist. Außerdem weist das erste Bauteil einen umgeformten Abschnitt auf, der in der Öffnung angeordnet ist. Vorteilhafterweise ist dadurch eine verdrehsichere und mit Axialkräften beaufschlagbare Verbindung zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil gegeben. Diese Verbindung ist vorteilhafterweise sehr schnell und kostengünstig herstellbar.
  • Bevorzugt weist das zweite Bauteil ein Metall auf. Vorteilhafterweise bewirkt das metallische zweite Bauteil dann während der Herstellung der Verbindung zwischen den Bauteilen ein schnelles Wieder-Abkühlen des ersten Bauteils, wodurch eine übermäßige thermische Belastung des ersten Bauteils verhindert wird.
  • Zweckmäßigerweise ist das erste Bauteil eine Hubstange und das zweite Bauteil ein Magnetanker eines Magnetventils. Vorteilhafterweise ist ein solches Magnetventil dann einfach und kostengünstig herzustellen.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Verbinden eines ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil weist das erste Bauteil einen Kunststoff auf. Das zweite Bauteil weist eine Ausnehmung auf, wobei das erste Bauteil zumindest teilweise in die Ausnehmung einführbar und aus der Ausnehmung entnehmbar ist. Das zweite Bauteil weist außerdem eine Öffnung auf, durch die ein in der Ausnehmung angeordneter erster Abschnitt des ersten Bauteils zugänglich ist. Das Verfahren umfasst Schritte zum Einführen des ersten Bauteils in die Ausnehmung, zum Erwärmen des ersten Abschnitts des ersten Bauteils, und zum Ausüben einer in die Ausnehmung gerichteten Kraft auf das erste Bauteil, wobei Material des ersten Abschnitts des ersten Bauteils unter dem Einfluss der Kraft zumindest teilweise in die Öffnung des zweiten Bauteils fließt. Vorteilhafterweise entsteht durch dieses Verfahren eine dauerhafte Verbindung zwischen den Bauteilen, durch die das erste Bauteil fest in der Ausnehmung des zweiten Bauteils gehalten wird. Vorteilhafterweise erfordert das Verfahren lediglich eine lokale Erwärmung des ersten Bauteils im ersten Abschnitt, wodurch eine thermische Schädigung des Kunststoffs des ersten Bauteils vermieden wird. Ebenfalls von Vorteil ist, dass die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Verbindung zwischen den Bauteilen verdrehsicher, mit Axialkräften beaufschlagbar und von hoher Dauerfestigkeit ist. Das Verfahren ist außerdem sehr kostengünstig umzusetzen und lässt sich gut reproduzieren und überwachen.
  • Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Erwärmen des ersten Abschnitts des ersten Bauteils durch Beleuchten des ersten Abschnitts mit einem Laserstrahl. Vorteilhafterweise erlaubt die Verwendung eines Laserstrahls eine sehr gezielte lokale Erwärmung des ersten Abschnitts des ersten Bauteils. Dadurch werden die übrigen Abschnitte des ersten Bauteils vor übermäßiger thermischer Belastung geschont.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Erwärmen des ersten Abschnitts des ersten Bauteils durch Ultraschall und/oder induktive Erwärmung und/oder Infrarotbestrahlung. Vorteilhafterweise lassen sich auch diese Ausführungsformen kostengünstig umsetzen.
  • Bevorzugt wird die zum Erwärmen des ersten Abschnitts des ersten Bauteils dienende Energie durch die Öffnung des zweiten Bauteils zugeführt. Vorteilhafterweise dient die Öffnung dann gleichzeitig zur lokalen Erwärmung des ersten Bauteils wie auch zur Aufnahme des unter dem Einfluss der Kraft umfließenden Materials des ersten Bauteils.
  • Bevorzugt erweicht der erste Abschnitt des ersten Bauteils durch das Erwärmen zumindest vorübergehend. Vorteilhafterweise erleichtert dies das anschließende Umformen des ersten Bauteils.
  • Besonders bevorzugt wird der erste Abschnitt des ersten Bauteils durch das Erwärmen zumindest vorübergehend zumindest teilweise aufgeschmolzen. Vorteilhafterweise ermöglicht dies ein besonders einfaches und reproduzierbares Umformen des ersten Bauteils.
  • Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines ersten Verarbeitungsstands bei der Herstellung einer Verbindung zwischen zwei Bauteilen;
  • 2 einen zweiten Verarbeitungsstand;
  • 3 einen dritten Verarbeitungsstand;
  • 4 eine schematische Darstellung einer fertigen Verbindung zwischen den zwei Bauteilen;
  • 5 eine zweite Ausführungsform zweier zu verbindender Bauteile; und
  • 6 eine dritte Ausführungsform zweier zu verbindender Bauteile.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht eine Vorrichtung mit einem ersten Bauteil 100 und einem zweiten Bauteil 200. Das erste Bauteil 100 ist ein länglicher, beispielsweise zylindrischer oder allgemein prismenförmiger Körper. Das zweite Bauteil 200 weist eine Ausnehmung 210 auf, deren Hohlform etwa der Form des ersten Bauteils 100 bzw. eines Abschnitts des ersten Bauteils 100 entspricht. Das erste Bauteil 100 besteht aus einem Kunststoff. Das zweite Bauteil 200 kann aus Metall oder einem anderen Werkstoff bestehen. Bei der in 1 dargestellten Vorrichtung kann es sich beispielsweise um ein Magnetventil handeln, wie es etwa in Heiz- und Kühlkreisläufen von Kraftfahrzeugen Anwendung findet. Das erste Bauteil 100 ist dann eine Hubstange des Magnetventils. Das zweite Bauteil 200 ist dann ein Magnetanker des Magnetventils.
  • Das erste Bauteil 100 soll in der Ausnehmung 210 des zweiten Bauteils 200 befestigt werden. Die Befestigung soll hohen Anforderungen in Bezug auf ihre Dauerfestigkeit unter dem Einfluss von Medien wie Wasserglykolgemischen, Temperaturschwankungen im Bereich von –40°C bis 150°C und einer Einwirkung axialer und/oder rotatorischer Kräfte auf das erste Bauteil 100 gerecht werden. Außerdem soll die Position des ersten Bauteils 100 in der Ausnehmung 210 des zweiten Bauteils 200 mit geringen Toleranzen festlegbar sein. Eine solche Verbindung kann erfindungsgemäß durch das nachfolgend erläuterte Verfahren hergestellt werden.
  • Zunächst wird das erste Bauteil 100, wie in 1 dargestellt, in die Ausnehmung 210 des zweiten Bauteils 200 eingeführt. Im Beispiel der 1 ist die Ausnehmung 210 beidseitig geöffnet und das erste Bauteil 100 ragt über beide Öffnungen der Ausnehmung 210 des zweiten Bauteils 200 hinaus. Ein erstes Ende 130 des ersten Bauteils 100 ragt auf einer Seite aus der Ausnehmung 210 heraus, ein dem ersten Ende 130 gegenüberliegendes zweites Ende 140 ragt auf einer anderen Seite aus der Ausnehmung 210 heraus. Je nach Anwendungsfall könnte das erste Bauteil 100 jedoch auch so in der Ausnehmung 210 angeordnet sein, dass ein Ende des ersten Bauteils 100 bündig mit einem Ende der Ausnehmung 210 abschließt. Es wäre auch möglich, die Ausnehmung 210 lediglich einseitig geöffnet als Sackloch zu gestalten.
  • Das zweite Bauteil 200 weist eine Öffnung 220 auf, die von einer äußeren Oberfläche des zweiten Bauteils 200 durch das zweite Bauteil 200 bis zur Ausnehmung 210 verläuft. Durch die Öffnung 220 ist ein in der Ausnehmung 210 angeordneter erster Abschnitt 110 des ersten Bauteils 100 von außen zugänglich. Die Öffnung 220 verläuft etwa senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Ausnehmung 210 und des ersten Bauteils 100. Es ist jedoch auch möglich, die Öffnung 220 unter einem anderen als einem rechten Winkel in Bezug auf die Ausnehmung 210 anzuordnen. Es kann auch mehr als eine Öffnung 220 vorgesehen sein. Beispielsweise können mehrere Öffnungen in Umfangrichtung um das erste Bauteil 100 herum angeordnet sein. Die Öffnung 220 kann beispielsweise durch Bohren, Fräsen oder ein anderes Verfahren in das erste Bauteil 200 eingebracht worden sein.
  • 2 zeigt in schematischer Darstellung einen zweiten Prozessschritt zum Verbinden des ersten Bauteils 100 mit dem zweiten Bauteil 200. Dabei wird der erste Abschnitt 110 des ersten Bauteils 100 selektiv erwärmt. Die Erwärmung des ersten Abschnitts 110 kann beispielsweise durch einen Laserstrahl 300 erfolgen, der durch die Öffnung 220 auf den ersten Abschnitt 110 des ersten Bauteils 100 einstrahlt. Hierbei ist es von Vorteil, wenn das erste Bauteil 100 aus einem laserabsorbierenden Kunststoff besteht. Alternativ zur Verwendung des Laslerstrahls 300 kann der erste Abschnitt 110 des ersten Bauteils 100 auch dadurch erwärmt werden, dass durch die Öffnung 220 ein Infrarot-Lichtstrahl oder ein Ultraschallsignal eingestrahlt werden. Auch eine induktive Erwärmung des ersten Bauteils 100 ist möglich. Bevorzugt wird die zur Erwärmung des ersten Abschnitts 110 des ersten Bauteils 100 benötigte Energie dem ersten Abschnitt 110 durch die Öffnung 220 des zweiten Bauteils 200 zugeführt. Dies hat den Vorteil, dass das erste Bauteil 100 lediglich lokal im ersten Abschnitt 110 erwärmt wird, während die übrigen Bereiche des ersten Bauteils 100 keiner größeren thermischen Belastung ausgesetzt sind. Die Verwendung des Laserstrahls 300 ermöglicht eine besonders schnelle Erwärmung des ersten Abschnitts 110 und ist daher besonders bevorzugt.
  • Die Erwärmung des ersten Abschnitts 110 führt zu einem Erweichen oder einem zumindest teilweisen Aufschmelzen des Werkstoffs des ersten Bauteils 100 im Bereich des ersten Abschnitts 110. Im nun folgenden Verarbeitungsschritt, der schematisch in 3 dargestellt ist, wird eine in eine axiale Richtung des ersten Bauteils 100 wirkende Kraft 310 auf das erste Bauteil 100 ausgeübt. Unter dem Einfluss der Kraft 310 verformt sich der erwärmte Werkstoff des ersten Bauteils 100 im ersten Abschnitt 110 und wird teilweise in den Bereich der Öffnung 220 des zweiten Bauteils 200 verdrängt. Dadurch verkürzt sich die Länge des ersten Bauteils 100. Im in 3 gezeigten Beispiel greift die Kraft 310 am ersten Ende 130 des ersten Bauteils 100 an, während des zweite Ende 140 in Bezug auf das zweite Bauteil 200 ortsfest gehalten wird. Es wäre jedoch auch möglich, die Kraft 310 am zweiten Ende 140 des ersten Bauteils angreifen zu lassen und das erste Ende 130 des ersten Bauteils 100 in Bezug auf das zweite Bauteil 200 ortsfest zu halten. Falls die Ausnehmung 210 als einseitig geöffnetes Sackloch ausgebildet ist, so greift die Kraft 310 am freien Ende des ersten Bauteils 100 an.
  • Das unter dem Einfluss der Kraft 310 in die Öffnung 220 verdrängte Material des ersten Abschnitts 110 des ersten Bauteils 100 bildet im Bereich der Öffnung 220 einen umgeformten Abschnitt 120. Zwischen dem ersten Bauteil 100 und dem zweiten Bauteil 200 besteht über den gesamten Bereich der Ausnehmung 210 ein thermischer Kontakt, der zu einer raschen Abkühlung des Werkstoffs des ersten Bauteils 100 im Bereich des ersten Abschnitts 110 und des umgeformten Abschnitts 120 führt. Diese Abkühlung erfolgt besonders schnell, wenn das zweite Bauteil 200 aus einem Metall besteht. Durch die Abkühlung erstarrt das Material des ersten Bauteil 100 im umgeformten Abschnitt 120. Der umgeformte Abschnitt 120 ragt nun aus der Mantelfläche des ersten Bauteils 100 heraus und ist nach Art eines Stiftes in der Öffnung 220 des zweiten Bauteils 200 angeordnet. Dies ist in 4 dargestellt. Durch den umgeformten Abschnitt 120 ist das erste Bauteil 100 in alle Raumrichtungen unbeweglich in der Ausnehmung 210 des zweiten Bauteils 200 fixiert. Somit ist eine verdrehsichere und mit Axialkräften beaufschlagbare Verbindung zwischen dem ersten Bauteil 100 und dem zweiten Bauteil 200 geschaffen.
  • 5 zeigt eine Vorrichtung mit einem ersten Bauteil 1100 und einem zweiten Bauteil 1200 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Das erste Bauteil 1100 ist in einer Ausnehmung 1210 des zweiten Bauteils 1200 angeordnet und soll dort mit dem zweiten Bauteil 1200 verbunden werden. 5 zeigt dabei einen zur Erstreckungsrichtung des ersten Bauteils 1100 und der Ausnehmung 1210 senkrechten Schnitt. 5 zeigt, dass das erste Bauteil 1100 und die Ausnehmung 1210 einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt aufweisen. Allgemein können das erste Bauteil 1100 genau wie das erste Bauteil 100 der 1 bis 4 Prismenformen mit beliebigen Querschnitten aufweisen. Speziell sind dreieckige, viereckige oder runde Querschnitte denkbar. Die Ausnehmung 1210 des zweiten Bauteils 1200 sollte jedoch jeweils einen entsprechenden Querschnitt aufweisen.
  • 5 zeigt außerdem, dass das zweite Bauteil 1200 eine erste Öffnung 1220 und eine zweite Öffnung 1230 aufweist, die jeweils von einer Außenseite des zweiten Bauteils 1200 durch das zweite Bauteil 1200 zur Ausnehmung 1210 verlaufen. In dieser Ausführungsform wird das erste Bauteil 1100 sowohl durch die erste Öffnung 1220 als auch durch die zweite Öffnung 1230 erwärmt. Während des Ausübens einer Kraft auf das erste Bauteil 1100 wird dann Material des ersten Bauteils 1100 sowohl in die erste Öffnung 1220 als auch in die zweite Öffnung 1230 verdrängt. Diese Ausführungsform erzeugt somit eine noch stabilere Verbindung zwischen dem ersten Bauteil 1100 und dem zweiten Bauteil 1200. In Weiterbildungen können auch mehr als zwei Öffnungen 1220, 1230 vorgesehen sein. Die Öffnungen können auch an unterschiedlichen axialen Positionen des ersten Bauteils 1100 angeordnet sein.
  • 6 zeigt eine Vorrichtung mit einem ersten Bauteil 2100 und einem zweiten Bauteil 2200 gemäß einer weiteren Ausführungsform. 6 zeigt dabei wieder einen zur Erstreckungsrichtung des ersten Bauteils 2100 parallelen Schnitt und entspricht somit den Darstellungen der 1 bis 4. Das zweite Bauteil 2200 weist eine Ausnehmung 2210 auf. Das erste Bauteil 2100 ist in der Ausnehmung 2210 des zweiten Bauteils 2200 angeordnet und soll dort mit dem zweiten Bauteil 2200 verbunden werden. Das zweite Bauteil 2200 weist eine Öffnung 2220 auf, die von einer Außenseite des zweiten Bauteils 2200 durch das zweite Bauteil 2200 zur Ausnehmung 2210 verläuft.
  • Im Unterschied zu den Ausführungsformen der 1 bis 5 ist das erste Bauteil 2100 jedoch nicht als Prisma mit einander entsprechenden Endflächen ausgebildet. Stattdessen weist das erste Bauteil 2100 eine Kegelform auf. Die Ausnehmung 2210 weist eine entsprechende Kegelhohlform auf und ist außerdem als Sackloch ausgebildet. Das Vorgehen zum Verbinden des ersten Bauteils 2100 mit dem zweiten Bauteil 2200 entspricht dennoch dem vorab beschriebenen Verfahren. 6 macht deutlich, dass das erste Bauteil 2100 auch eine andere als eine Prismenform aufweisen kann. Zusätzlich zu den gezeigten Beispielen wäre auch eine Kegelstumpfform, eine Pyramidenform oder jede andere Form denkbar, die es erlaubt, das erste Bauteil 2100 in die Ausnehmung 2210 des zweiten Bauteils 2200 einzuführen.

Claims (9)

  1. Vorrichtung mit einem ersten Bauteil (100, 1100, 2100) und einem zweiten Bauteil (200, 1200, 2200), wobei das erste Bauteil (100, 1100, 2100) einen Kunststoff aufweist, wobei das zweite Bauteil (200, 1200, 2200) eine Ausnehmung (210, 1210, 2210) aufweist, wobei das erste Bauteil (100, 1100, 2100) zumindest teilweise in der Ausnehmung (210, 1210, 2210) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil (200, 1200, 2200) eine Öffnung (220, 1220, 1230, 2220) aufweist, die von einer Außenseite des zweiten Bauteils (200) zu einem in der Ausnehmung (210, 1210, 2210) angeordneten ersten Abschnitt (110) des ersten Bauteils (100, 1100, 2100) verläuft, wobei die Öffnung (220, 1220, 1230, 2220) unter einem Winkel zur Erstreckungsrichtung des ersten Bauteils (100, 1100, 2100) angeordnet ist, wobei das erste Bauteil (100, 1100, 2100) einen umgeformten Abschnitt (120) aufweist, der in der Öffnung (220, 1220, 1230, 2220) angeordnet ist.
  2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil (200, 1200, 2200) ein Metall aufweist.
  3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (100, 1100, 2100) eine Hubstange und das zweite Bauteil (200, 1200, 2200) ein Magnetanker eines Magnetventils ist.
  4. Verfahren zum Verbinden eines ersten Bauteils (100, 1100, 2100) mit einem zweiten Bauteil (200, 1200, 2200), wobei das erste Bauteil (100, 1100, 2100) einen Kunststoff aufweist, wobei das zweite Bauteil (200, 1200, 2200) eine Ausnehmung (210) aufweist, wobei das erste Bauteil (100, 1100, 2100) zumindest teilweise in die Ausnehmung (210, 1210, 2210) einführbar und aus der Ausnehmung (210) entnehmbar ist, wobei das zweite Bauteil (200, 1200, 2200) eine Öffnung (220, 1220, 1230, 2220) aufweist, wobei ein in der Ausnehmung (210, 1210, 2210) angeordneter erster Abschnitt (110) des ersten Bauteils (100, 1100, 2100) durch die Öffnung (220, 1220, 1230, 2220) zugänglich ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: – Einführen des ersten Bauteils (100, 1100, 2100) in die Ausnehmung (210); – Erwärmen des ersten Abschnitts (110) des ersten Bauteils (100, 1100, 2100); – Ausüben einer in die Ausnehmung (210, 1210, 2210) gerichteten Kraft (310) auf das erste Bauteil (100, 1100, 2100), wobei Material des ersten Abschnitts (110) des ersten Bauteils (100, 1100, 2100) unter dem Einfluss der Kraft (310) zumindest teilweise in die Öffnung (220, 1220, 1230, 2220) des zweiten Bauteils (200, 1200, 2200) fließt.
  5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen des ersten Abschnitts (110) des ersten Bauteils (100, 1100, 2100) durch Beleuchten des ersten Abschnitts (110) mit einem Laserstrahl (300) erfolgt.
  6. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen des ersten Abschnitts (110) des ersten Bauteils (100, 1100, 2100) durch Ultraschall und/oder induktive Erwärmung und/oder Infrarotbestrahlung erfolgt.
  7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Erwärmen des ersten Abschnitts (110) des ersten Bauteils (100, 1100, 2100) dienende Energie durch die Öffnung (220, 1220, 1230, 2220) des zweiten Bauteils (200, 1200, 2200) zugeführt wird.
  8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (110) des ersten Bauteils (100, 1100, 2100) durch das Erwärmen zumindest vorübergehend erweicht.
  9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (110) des ersten Bauteils (100, 1100, 2100) durch das Erwärmen zumindest vorübergehend zumindest teilweise aufgeschmolzen wird.
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