DE102020204870A1 - Verfahren zur Herstellung eines Partikelschaum-Formkörpers - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Partikelschaum-Formkörpers (1) aus thermoplastischen Partikeln (7), insbesondere Schaumperlen, in welchem Verfahren die thermoplastischen Partikel (1) über ein gasförmiges Fördermedium, insbesondere ein Luftstrom, in eine Werkzeugkavität (21) eines Aufschäumwerkzeugs (23) injiziert werden, und in einem Aufschäum-Schritt die Partikel (7) in der Werkzeugkavität (21) unter Druck und Wärme zu dem Partikelschaum-Formkörper (1) aufgeschäumt werden. Erfindungsgemäß erfolgt zeitlich vor dem Aufschäum-Schritt ein Misch-Prozessschritt, in dem die thermoplastischen Partikel (7) mit Verstärkungsfasern (5) versetzt werden, und zwar unter Bildung eines Partikel-Faser-Gemisches (33). Das Partikel-Faser-Gemisch (33) wird im Aufschäum-Schritt zu dem Partikelschaum-Formkörper (1) aufgeschäumt.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Partikelschaum-Formkörpers nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, einen Partikelschaum-Formkörper gemäß Anspruch 10 sowie eine Prozessanordnung gemäß Anspruch 11.
- Ein solcher Partikelschaum-Formkörper kann aufgrund seiner geringen Dichte und seiner guten thermischen Isolierfähigkeit in unterschiedlichen Bereichen eingesetzt werden, etwa im Automobilbereich oder für Bauanwendungen.
- Im Stand der Technik erfolgt die Herstellung des Partikelschaum-Formkörpers aus zum Beispiel expandiertem Polystyrol (EPS) industriell im Wesentlichen in zwei Prozessschritten: Im ersten Prozessschritt (Vorschäumen) wird ein mit Treibmittel beladenes Mikrogranulat zunächst zu Schaumperlen vorgeschäumt. Anschließend werden die Schaumperlen im zweiten Prozessschritt (Aufschäumen) in die Werkzeugkavität eines Aufschäumwerkzeugs injiziert und darin unter Druck und Wärme zu dem Partikelschaum-Formkörper aufgeschäumt. Der für das Vorschäumen und für das Aufschäumen erforderliche Energieeintrag kann zum Beispiel mittels Wasserdampf erfolgen. Beim Vorschäumen bewirkt der Wasserdampf, dass die thermoplastische Matrix des Mikrogranulats erweicht und darin gelöste Treibmittel in die Gasphase übergehen, so dass sich eine Schaumstruktur (das heißt die Schaumperlen) ausbildet. Im Aufschäum-Schritt wird der Wasserdampf in die Werkzeugkavität zwischen die Schaumperlen geleitet, die aufschäumen und miteinander versintern.
- Im Hinblick auf eine gesteigerte Bauteilsteifigkeit kann der Partikelschaum-Formkörper Bestandteil eines Sandwich-Bauteils sein, bei dem die Deckschichten aus Organoblechteilen gebildet sind und der zwischengeordnete Sandwichkern vom Partikelschaum-Formkörper gebildet ist. Die Herstellung eines solchen Sandwich-Bauteils erfolgt fertigungstechnisch aufwendig in einer Vielzahl von Prozessschritten.
- Aus der
WO 2011/012587 A1 WO 2016/102246 A DE 10 2016 203 444 A1 ist ein Schaumstoffelement sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Schaumstoffelements bekannt. Aus derDE 100 33 877 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Partikelschaum-Formkörpern bekannt. - Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Partikelschaum-Formkörpers bereitzustellen, der im Vergleich zum Stand der Technik in fertigungstechnisch einfacher Weise verbesserte Festigkeitseigenschaften aufweist.
- Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1, des Anspruches 10 oder des Anspruches 11 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen offenbart.
- Die Erfindung geht von einem Verfahren aus, in dem in einem Vorschäum-Prozessschritt ein mit Treibmittel beladenes Mikrogranulat zunächst zu Schaumperlen vorgeschäumt wird. Anschließend werden die Schaumperlen in einem Aufschäum-Prozessschritt in eine Werkzeugkavität eines Aufschäum-Werkzeugs injiziert und darin unter Druck und Wärme zu dem Partikelschaum-Formkörper aufgeschäumt. Der für das Vorschäumen und für das Aufschäumen erforderliche Energieeintrag kann zum Beispiel mittels Wasserdampf erfolgen. Beim Vorschäumen bewirkt der Wasserdampf, dass die thermoplastische Matrix des Mikrogranulats erweicht und darin gelöste Treibmittel in die Gasphase übergehen, so dass sich eine Schaumstruktur (das heißt die Schaumperlen) ausbildet. Im Aufschäum-Schritt wird der Wasserdampf in die Werkzeugkavität zwischen die Schaumperlen geleitet, die aufschäumen und miteinander versintern. Alternativ dazu kann auf die Verwendung von Wasserdampf verzichtet werden. Anstelle dessen kann der Energieeintrag zum Beispiel durch ein beheiztes Aufschäumwerkzeug erfolgen. In diesem Fall kann im Aufschäum-Schritt variotherm temperiert werden.
- Die Erfindung beruht auf dem Sachverhalt, dass im Stand der Technik ein Partikelschaum-Formkörper zwar ein gutes Leichtbaupotential bietet, jedoch für einige Anwendungsfälle die Festigkeitseigenschaften des Partikelschaum-Formkörpers zu gering sind. Vor diesem Hintergrund wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 vor dem Aufschäum-Schritt ein Misch-Prozessschritt durchgeführt. Im Misch-Prozessschritt werden die thermoplastischen Partikel mit Verstärkungsfasern durchsetzt. Dadurch bildet sich ein Partikel-Faser-Gemisch, das im Aufschäum-Schritt zu dem Partikelschaum-Formkörper aufgeschäumt wird.
- Ein Kern der Erfindung besteht darin, dass die Fasern mit einer Länge von 0,5cm bis 5cm vor dem eigentlichen Herstellungsprozess mit den vorgeschäumten Partikeln vermischt werden. Dann werden sie gemeinsam in die Werkzeugkavität für den Fügeprozess eingefüllt und verschweißt. Die Vermischung von Fasern mit Partikeln erfolgt daher vor dem eigentlichen Herstellungsprozess. Dadurch wird die Anzahl von Prozessschritten möglichst gering gehalten. Durch die Verwendung des Faser-Partikel-Gemisches lassen sich bessere Bauteileigenschaften erzielen.
- Die Fasern können von jeglicher Art sein, wie etwa Glasfasern oder Kohlefasern, und zwar mit einer Länge von ca. 0,5cm bis 5cm. Diese werden zum Beispiel vor Beginn des Herstellungsprozesses eines Partikelschaumkörpers mit den Partikel im Materialreservoir vermischt. Zu Beginn des Prozesses wird das Partikel-Faser-Gemisch in die Werkzeugkavität gefüllt. Anschließend werden die Partikel und Fasern miteinander verschmolzen. Dies kann unter Verwendung von Wasserdampf geschehen oder auch durch einen variothermen Prozess ohne die Verwendung von Wasserdampf. Die Verteilung der Fasern ist dabei zufällig, sodass die Partikel beim Fügeprozess die Fasern umschließen. Die Fasern verbessern die späteren Bauteileigenschaften, da diese zum Beispiel sehr gute Zugkräfte aufnehmen können. Durch die zufällige Anordnung der Partikel um die Fasern entstehen viele Verschweißungspunkte der Partikel untereinander und in Kombination mit den Fasern. Nach dem Verschweißen kann das fertige Bauteil aus dem Werkzeug entnommen werden. Zum Einsatz können alle expandierten Partikelschäume mit einer Dichte bis 400 kg/m3 sowie Kurz- oder Langfasern mit einer Länge von 0,5cm bis 5 cm aus allen Fasermaterialien, wie zum Beispiel Glas- oder Kohlefasern, kommen sowie auch naturbasierte Faser (zum Beispiel Flachs, Sisel, ...) und diese auch nicht durch Wasserdampf geschädigt werden. Es ist hervorzuheben, dass sich die Ausführungsarten der Erfindung weder auf die Länge der einzelnen Fasern noch auf die verschiedenen Partikelschaummaterialien beschränken.
- Bei der Vermischung von Partikeln und Fasern sind kürzere Fasern und kleine Partikeldurchmesser zu bevorzugen, um ein feineres Mischungsverhältnis zu erzielen. Jedoch sind auch große Partikel und längere Fasern möglich.
- Zusammengefasst bewirkt die Vermischung der Fasern mit den Partikeln vor dem Befüllungsprozess des Werkzeuges beziehungsweise vor dem Aufschäum-Schritt - im Vergleich zum Stand der Technik - eine Reduzierung von Arbeitsschritten während des Herstellungsprozesses der Partikelschaumformteile und eine deutliche Verbesserung der mechanischen Eigenschaften.
- Der erfindungsgemäße Partikelschaum-Formkörper ist vielfältig einsetzbar und leicht. Durch die Verstärkung von Fasern wird die Bauteil-Stabilität erhöht. Beispielhaft kann der Partikelschaum-Formkörper als Türinnenverkleidung, als Fußraumverkleidung, als Hutablage oder dergleichen realisiert werden. Die Einsatzgebiete sind überall dort, wo Leichtbau eine wichtige Rolle spielt, etwa in der Luft- und Raumfahrttechnik oder im Schienen- und Schiffsverkehr, aber auch weiße Ware und Standalone-Energieerzeuger, wo Temperatur- und Schallabsorption benötigt werden.
- Nachfolgend werden relevante Erfindungsaspekte nochmals im Einzelnen hervorgehoben: So sind nach Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Partikelschaum-Formkörper die Verstärkungsfasern unmittelbar im Schaummaterial eingebettet. Die Verstärkungsfasern sind bevorzugt in homogener oder gleichmäßiger Verteilung sowie in beliebiger Faserorientierung im Schaummaterial integriert. Die Verstärkungsfasern sind bevorzugt keine Endlosfasern, sondern vielmehr Kurz- oder Langfasern. Deren Faserlänge kann in einem Bereich von 0,5cm bis 5cm liegen.
- Bevorzugt kann der Misch-Prozessschritt derart ausgelegt sein, dass die Partikel und die Verstärkungsfasern bis Erreichen eines im Wesentlichen homogenen Durchmischungsgrads durchmischt werden. Der anschließende Aufschäum-Schritt kann daher mit einem, in der Werkzeugkavität homogen durchmischten Partikel-Faser-Gemisch durchgeführt werden.
- Die thermoplastischen Partikel können in gängiger Praxis in einem Partikel-Reservoir einer Prozessanordnung vorgehalten sein. Das Partikel-Reservoir ist über eine Saugleitung mit zumindest einem werkzeugseitigen Injektor verbunden. In einem Injektionsschritt können die Partikel aus dem Partikel-Reservoir zusammen mit dem gasförmigen Fördermedium in den Injektor gesaugt werden und von dort über eine Injektordüse in die Werkzeugkavität injiziert werden.
- In einer technischen Umsetzung kann der Misch-Prozessschritt unmittelbar im Injektor stattfinden. In diesem Fall kann eine Faser-Dosiereinheit über eine Dosierleitung mit dem Injektor verbunden sein. Von daher können die Verstärkungsfasern unmittelbar im Injektor dem Partikel-Fördermedium-Strom zudosiert werden.
- Alternativ und/oder zusätzlich kann die Dosierleitung der Faser-Dosiereinheit direkt in die Saugleitung einmünden. In diesem Fall werden im Misch-Prozessschritt die Verstärkungsfasern direkt in die Saugleitung zudosiert, und zwar stromauf des Injektors.
- In einer weiteren Prozessvariante kann der Misch-Prozessschritt vor der Einlagerung der Partikel im Partikel-Reservoir durchgeführt werden. In diesem Fall kann das Partikel-Faser-Gemisch also bereits im Partikel-Reservoir vorgehalten werden.
- In einer weiteren Prozessvariante kann der Misch-Prozessschritt unmittelbar in der Werkzeugkavität des Aufschäumwerkzeugs stattfinden. In diesem Fall kann die Dosierleitung einer Faser-Dosiereinheit direkt in die Werkzeugkavität des Aufschäumwerkzeugs einmünden. Im Misch-Prozessschritt werden daher die Verstärkungsfasern direkt in die Werkzeugkavität zudosiert, und zwar gleichzeitig mit dem Einfüllen der Partikel in die Werkzeugkavität.
- Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
- Es zeigen:
-
1 in grob schematischer Darstellung den Materialaufbau eines fertiggestellten Partikelschaum-Formkörpers; -
2 eine skizzenhafte Darstellung eines Misch-Prozessschritts; -
3 bis6 jeweils Anlagenskizzen von Prozessanordnungen unterschiedlicher Ausführungsvarianten. - In der
1 ist der Materialaufbau eines fertiggestellten Partikelschaum-Formkörpers1 ausschnittsweise gezeigt. Demzufolge sind im Schaummaterial3 des Partikelschaum-Formkörpers1 Verstärkungsfasern5 eingebettet. Die Verstärkungsfasern5 sind Kurz- oder Langfasern, die in gleichmäßiger Verteilung sowie in beliebiger Faserorientierung im Schaummaterial3 integriert sind. Die Verstärkungsfasern5 können beispielhaft Glas- oder Kohlefasern sein. - In der
3 ist eine Prozessanordnung zur Herstellung des in der1 gezeigten Partikelschaum-Formkörpers1 angedeutet. Demzufolge sind thermoplastische Partikel7 als Schaumperlen in einem Partikel-Reservoir9 vorgehalten. Die Schaumperlen werden in einem nicht gezeigten Prozessschritt aus einem mit Treibmittel beladenen Mikrogranulat vorgeschäumt. Beim Vorschäumen bewirkt der Wärmeeintrag, dass die thermoplastische Matrix des Mikrogranulats erweicht und darin gelöste Treibmittel in die Gasphase übergehen, so dass sich eine Schaumstruktur (das heißt die Schaumperlen) ausbildet. - An das Partikel-Reservoir
3 ist eine Saugleitung11 angeschlossen, die sich an einer Verzweigungsstelle in Teilleitungen13 ,15 aufgabelt. Jede dieser Teilleitungen13 ,15 ist in Verbindung mit einem Injektor17 , dessen Injektor-Leitung19 jeweils in eine Werkzeugkavität21 eines Aufschäum-Werkzeugs23 mündet. Die Werkzeugkavität21 ist durch zwei Werkzeughälften25 ,27 des Aufschäum-Werkzeugs23 begrenzt. - In der
3 weist die Prozessanordnung zudem eine Faser-Dosiereinheit29 auf, die über Dosierleitungen31 jeweils mit einem der Injektoren17 verbunden ist. Mittels der Faser-Dosiereinheit29 werden im Herstellprozess die Verstärkungsfasern5 in die Injektoren17 zudosiert. - Zur Herstellung des Partikelschaum-Formkörpers
1 wird über die Saugleitung11 ein Partikel-Luft-Strom in die Injektoren17 gesaugt. Der Partikel-Luft-Strom wird in einem Injektions-Schritt von den Injektoren17 in die Werkzeugkavität21 injiziert. Die zusammen mit den Partikel7 in die Werkzeugkavität21 einströmende Luft kann über nicht gezeigte Tauchkanten oder Entlüftungsbohrungen aus der Werkzeugkavität15 entweichen. - Der Kern der Erfindung besteht darin, dass in jedem der Injektoren
17 ein Misch-Prozessschritt stattfindet, der in der2 skizzenhaft angedeutet ist. Demzufolge wird der die Injektoren17 durchströmende Partikel-Luft-Strom mit den, von der Faser-Dosiereinheit29 zudosierten Verstärkungsfasern5 versetzt, und zwar unter Bildung eines Partikel-Faser-Gemisches33 (2 ), das in die Werkzeugkavität21 injiziert wird und im nachfolgenden Aufschäum-Schritt zu dem Partikelschaum-Formkörper1 aufgeschäumt wird. Der für den Aufschäum-Schritt erforderliche Wärmeenergie-Eintrag erfolgt über eine Temperieranlage28 . Diese weist in den beiden Werkzeughälften25 ,27 nicht dargestellte Fluid-Kanäle auf, durch die ein Heizmedium strömbar ist. Im Aufschäum-Schritt regelt die Temperieranlage28 die Heizmedium-Strömung durch die Fluidkanäle der Werkzeughälften25 ,27 , wodurch variotherm temperiert werden kann. - In der
2 erfolgt somit die Vermischung der Verstärkungsfasern5 mit den Partikeln7 vor dem Befüllungsprozess des Aufschäum-Werkzeugs23 und vor dem anschließenden Formgebungsprozess (das heißt dem Aufschäum-Schritt). Auf diese Weise ergibt sich eine äußerst geringe Anzahl von Prozessschritten zur Herstellung des in der1 angedeuteten Partikelschaum-Formkörpers1 . - In der
4 ist eine alternative Prozessanordnung gezeigt, bei der die Dosierleitung31 der Faser-Dosiereinheit29 unmittelbar in die Saugleitung11 einmündet, und zwar stromauf der jeweiligen Injektoren17 . In diesem Fall findet der Misch-Prozessschritt direkt in der Saugleitung11 statt. - In der
5 ist eine weitere alternative Prozessanordnung gezeigt, bei der der Misch-Prozessschritt bereits vor der Einlagerung der Partikel7 im Partikel-Reservoir9 stattfindet. Entsprechend ist dem Partikel-Reservoir9 eine Mischeinheit35 vorgeschaltet, in der die von der Dosiereinheit29 zudosierten Verstärkungsfasern5 mit den vorgeschäumten Schaumperlen durchmischt werden. Das in der Mischeinheit35 erzeugte Partikel-Faser-Gemisch33 wird in das Partikel-Reservoir9 gespeist. - In der
6 ist eine weitere alternative Prozessführung angedeutet, bei der der Misch-Prozessschritt unmittelbar in der Werkzeugkavität21 des Aufschäumwerkzeugs23 erfolgen kann. In diesem Fall mündet die Dosierleitung31 der Faser-Dosiereinheit29 direkt in die Werkzeugkavität21 des Aufschäum-Werkzeugs23 . Der Misch-Prozessschritt kann zeitgleich mit dem Injektionsschritt stattfinden, so dass die Verstärkungsfasern5 den in die Werkzeugkavität21 einströmenden Partikeln7 zudosiert werden. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Partikelschaum-Formkörper
- 3
- Schaummaterial
- 5
- Verstärkungsfasern
- 7
- thermoplastische Partikel
- 9
- Partikel-Reservoir
- 11
- Saugleitung
- 13, 15
- Teilleitungen
- 17
- Injektor
- 19
- Injektorleitung
- 21
- Werkzeugkavität
- 23
- Aufschäum-Werkzeug
- 25, 27
- Werkzeughälften
- 28
- Temperieranlage
- 29
- Dosiereinheit
- 31
- Dosierleitung
- 33
- Partikel-Faser-Gemisch
- 35
- Mischeinheit
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- WO 2011/012587 A1 [0005]
- WO 2016/102246 A [0005]
- DE 102016203444 A1 [0005]
- DE 10033877 A1 [0005]
Claims (11)
- Verfahren zur Herstellung eines Partikelschaum-Formkörpers (1) aus thermoplastischen Partikeln (7), insbesondere Schaumperlen, in welchem Verfahren die thermoplastischen Partikel (7) insbesondere über ein gasförmiges Fördermedium, insbesondere ein Luftstrom, in eine Werkzeugkavität (21) eines Aufschäumwerkzeugs (23) injiziert werden, und in einem Aufschäum-Schritt die Partikel (7) in der Werkzeugkavität (21) unter Druck und Wärme zu dem Partikelschaum-Formkörper (1) aufgeschäumt werden, dadurch gekennzeichnet, dass zeitlich vor dem Aufschäum-Schritt ein Misch-Prozessschritt erfolgt, in dem die thermoplastischen Partikel (7) mit Verstärkungsfasern (5) versetzt werden, und zwar unter Bildung eines Partikel-Faser-Gemisches (33), und dass das Partikel-Faser-Gemisch (33) im Aufschäum-Schritt zu dem Partikelschaum-Formkörper (1) aufgeschäumt wird.
- Verfahren nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im Partikelschaum-Formkörper (1) die Verstärkungsfasern (5) im Schaummaterial (3) eingebettet sind, und zwar insbesondere in homogener oder gleichmäßiger Verteilung und/oder in beliebiger Faserorientierung. - Verfahren nach
Anspruch 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern (5) Kurz- oder Langfasern sind, und zwar mit insbesondere einer Faserlänge von etwa 0,5cm bis 5cm. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Misch-Prozessschritt die Partikel (7) und die Verstärkungsfasern (5) bis Erreichen eines im Wesentlichen homogenen Durchmischungsgrads durchmischt werden, und/oder dass der Aufschäum-Schritt mit einem homogen durchmischten Partikel-Faser-Gemisch (33) erfolgt.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (1) in einem Partikel-Reservoir (9) vorgehalten werden, das über eine Saugleitung (11) mit zumindest einem werkzeugseitigen Injektor (17) verbunden ist, und dass in einem Injektions-Schritt die Partikel (1), insbesondere das Partikel-Faser-Gemisch (33), vom Injektor (17) in die Werkzeugkavität (21) injiziert wird.
- Verfahren nach
Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, dass der Misch-Prozessschritt im Injektor (17) stattfindet, und dass insbesondere eine Faser-Dosiereinheit (29) über eine Dosierleitung (31) mit dem Injektor (17) verbunden ist, so dass die Verstärkungsfasern (5) im Injektor (17) dem Partikel-Fördermedium-Strom zudosierbar sind. - Verfahren nach
Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Faser-Dosiereinheit (29) über eine Dosierleitung (31) direkt mit der Saugleitung (11) verbunden sind, so dass im Misch-Prozessschritt die Verstärkungsfasern (5) direkt in die Saugleitung (11) zudosiert werden. - Verfahren nach
Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, dass der Misch-Prozessschritt vor der Einlagerung der Partikel (7) in dem Partikel-Reservoir (9) erfolgt, so dass bereits im Partikel-Reservoir (9) das Partikel-Faser-Gemisch (33) vorgehalten wird, und dass insbesondere dem Partikel-Reservoir (9) eine Mischeinheit (35) vorgeschaltet ist, in der die von einer Dosiereinheit (29) zudosierten Verstärkungsfasern (5) mit den Partikeln (7) durchmischt werden, und dass das in der Mischeinheit (35) erzeugte Partikel-Faser-Gemisch (33) in das Partikel-Reservoir (9) gespeist wird. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis5 , dadurch gekennzeichnet, dass der Misch-Prozessschritt unmittelbar in der Werkzeugkavität (21) des Aufschäumwerkzeugs (23) erfolgt, und dass insbesondere eine Faser-Dosiereinheit (29) über eine Dosierleitung (31) direkt mit der Werkzeugkavität (21) des Aufschäumwerkzeugs (23) verbunden ist, so dass im Misch-Prozessschritt die Verstärkungsfasern (5) direkt in die Werkzeugkavität (21) zudosiert werden. - Partikelschaum-Formkörper, der mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist, und dass im Schaummaterial (3) des Partikelschaum-Formkörpers (1) Verstärkungsfasern (5) eingebettet sind.
- Prozessanordnung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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