DE2363940A1

DE2363940A1 - Verfahren und form zur herstellung von metallgussteilen

Info

Publication number: DE2363940A1
Application number: DE2363940A
Authority: DE
Inventors: John Rudolph Nieman; Roger Alan Worman
Original assignee: Caterpillar Tractor Co
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1972-12-22
Filing date: 1973-12-20
Publication date: 1974-06-27
Also published as: ES421688A1; GB1457436A; JPS4996923A; FR2211304A1; GB1457437A; FR2211304B1; US3831662A

Description

Verfahren und 5Orm zur Herstellung von Lietallr-ußteilen

Die Erfindung bezieht sich, auf üie tall gießverfahren Insbesondere betrifft die Erfindung Arbeitsverfahren, die beim rietallgießen verwendet werden, um ein geformtes Metallgußstück zu erhalten, welches nach dem Herausnehmen nur in ■geringem Umfang geschliffen oder nachbearbeitet v/erden muß_o

Die Herstellung von Metallgußv/aren in der G-ießerei-Industrie umfaßt im allgemeinen das Eingießen des geschmolzenen, flüssigen Metalls in eine Gußform sowie der Abkühlung und Aushärtung oder Erstarrung des Metalls« Da das flüssige

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ORfGfN*!_

Metall beim Abkühlen schrumpft oder schwindet, was zu einer fehlerhaften und unvollkommenen Ausbildung des Gußstückes führt, wenn nicht zusätzliches flüssiges Metall eingefüllt wird, um die durch Schwindung in der Form erzeugten Lunker oder Poren auszufüllen, v/erden beim'Gießen üblicherweise Steiger oder Speicherbehälter für das geschmolzene Metall verwendet, um' der gefüllten Porm erforderlichenfalls während des Kühlprozesses zusätzlich geschmolzenes Metall zuzuführen«,

jSs ist erforderlich, daß diese Steiger mit einer Öffnung oder einem Durchlaß versehen sind, welche oder welcher mit dem Formhohlraum in ausreichendem Maße in Verbindung steht, um' in dem Steiger die Entstehung oder Ausbildung einer verengenden Eintrittsoffnung an diesem Terbindungspunkt zu verhindern^ welche als Wärmeableiter öder -umwandler wirken würdeο Dieser Vorgang würde nämlich zwangsläufig zu einer Blockierung des Verbindungskanals zwischen Steiger und Form mit gekühltem, erstarrtem Lie tall führen und somit verhindern, daß flüssiges Metall, aus dem Steiger in den Formhohlraum fließen kann, wie dies erforderlich ist₀ Daher werden Steiger normalerweise mit Durchgangsöffnungen versehen, die einen Querschnitts-Durchmesser beträchtlicher Größe aufweisen,,

Die Verwendung von Steigern mit derart großen Durchgangs— Öffnungen hat jedoch wiederum zu den im Zusammenhang mit dem Steiger auftretenden Problemen beigetragen. ObgUsLch das Fehlen einer verengenden Eintrittsöffnung in diesen Steigern im allgemeinen zuläßt, daß eine ausreichende Menge des geschmolzenen Metalls während des jjlrstarrens in den

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Formhohlraum gelangt, um das Schwindungsproblem bei dem Formstück zu umgehen, wird durch den vorhandenen großen Verbindungsquerschnitt eine starke und massive Verbindung zwischen dem Formling und dem steiger ausgebildet, wenn das darin befindliche flüssige Metall gekühlt .und gehärtet isto

Da der Steiger einteilig mit dem Formstück in der Form ausgebildet ist,, muß der Steiger anschließend vom Formling getrennt werden« Diese Trennung erfolgt beispielsweise häufig durch Auseinandersägen der beiden Abschnitte in der Hähe der DurchgangsÖffnung zwisehen Steiger -und Formlinge Der Formling muß dann abgeschliffen werden, um überschüssiges idetall zu entfernen, und er muß einer v/eiteren Nachbearbeitung unterworfen werden, um eine glatte Oberfläche im Bereich der Trennzone zu erhaltene

Der Trennvorgang ist ferner durch die Tatsache kompliziert, daß die Form an der Verbindungsstelle zwischen Steiger und Formling häufig mit Metall ausgefüttert ist_o Dieses überschüssige Metall ist als "Dämpfung oder Pufferung" z?/ischen dem Formling und der Trennstelle vorgesehen, um dazu beizutragen, daß ein Bruch oder Reißen des Formlinge selbst verhindert wird, wenn dieser gewaltsam oder zumindest unter Kraftanwendung vom Steiger getrennt wird_o Dieses Futtermetall muß ebenfalls durch Schleifen entfernt werden, bevor die Nachbearbeitung durchgeführt wirdo Diese Behandlungs-· schritte sind zeitraubend und teuer, insbesondere im Hinblick auf Arbeits- und Zeitkosten«,

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Ein anderes. Problem bei der Verwendung von Steigern und der über diese erfolgenden Einführung geschmolzenen Metalls in den Formhohlraum besteht in der Steuerung der Me tall strömung zwischen dem Steiger und dem Formhohlraunio Obgleich es häufig erwünscht ist, das geschmolzene Metall in dem Steiger"für einen ausreichenden Zeitraum zurückzuhalten, um eine Verteilung oder Aussonderung von Verunreinigungen, wie SoBe Schlacke oder dergleichen derart zuzulassen, daß der Verunreinigungsgehalt des in den Formhohlraum fließenden metalls verringert wird, haben die zur Erzielung dieser Wirkung erforderlichen Verjüngungen an der Steiger-Durchgangsöffnung häufig zu dem oben betrachteten Problem der Metall-Verstopfung geführte

Dieses Problem wurde beim Gießen von Metallen wie Aluminium oder Magnesium durch den Einsatz von Metall-Piltern oder -Sieben zum Auffangen größerer Fremdkörper oder Verunreinigungen in den Strömungskanälen für das flüssige Metall teilweise gelöste Diese"Filter oder Siebe können jedoch beim Gießen von Stahl nicht eingesetzt werden, weil die dabei auftretenden sehr hohen Temperaturen zum Schmelzen dieser Filter führen wurdenο

'Die. Erfindung bezweckt daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Metall-Gußstücken unter Verwendung wenigstens eines Steigers zu schaffen, welche nach dem Abkühlen eine leichte Irennung des Steigers von dem gegossenen Formstück sicherstellen_e

Die Erfindung bezweckt ferner, die Strömung des geschmolzenen

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lie tails über die oteiger-Durchgangsoffiiung in den A..rr:ihohl raura au steuern, und dadurch zu erreichen, daß Verunreinigungen, '«/ie So3o Jchlacke, eich in oteiger abseits von der oteiger-Ourchgangsöffiiung absondern und verteilen„

jJin weiterer Zweck der ürfinduü . besteht darin, das Verfahren und die "Vorrichtung so durchzuführen bzv;» auszugestalten, 'IaB kleine blockierung des Verbindungskc^v:als zwischen cteia ■iteiger und dem jj'ormiiohlraun auftritt, und daß dennoch nach dem Abkühlen der otei_üer leicht von dem xietall—«-ußstück getrennt v/erden kann,,

Eeoen einer leichten !'rermung des otaigers von üeu iietall-GrUJBstück bezweckt die Jrfinciung auch, die erforderlichen Schleif— und/oder rTaohbearbeitungsvorgänge zur Entfernung überschüssigen de tails, nach der ireiinung soweit i/ie möglich herabsusetzen_o

Jiin weiterer Zweck der Erfindung besteht noch darin, die zu schaffende Vorricxitung möglichst einfach und ^gg

beständig
sowie/gegen hohe ieitiperaturen, wie sie beim Grieß en von dtahl auftreten, aufzubauen, und dennoch eine leichte Trennung eines aus einem dteiger-ieil und einem Jormguß-Jeil in seine iieilkomponenten zu erreichen₀

Dies wird bei einem erfindungsgemäßen Metall-iOrmguß-'Verfahren dadurch erreicht,' daß zwischen dem oteiger und dem u-ußstück eine 'Verengung ausgebildet wird, durch welche eine saubere Entfernung des Steigers nach dem G-ießvorgang erleichtert wird«,

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BAD ORIGINAL

Dies wird vorzugsweise dadurch erreicht, daß vor dein Eingießen des flüssigen IvIetails eine Einsohnu.rungs-7orrioh.tung zwischen Steiger-Hohlraum und itormhohlraum eingefügt wird, durch welche in vorteilhafter ',/eise auch die lie tall strömung in den J?ormhohlrauni reguliert wird·

Eine erfindungsgemäße Einschnürungs—Vorrichtung besteht aus einem dünnwandigen, brechbaren .Bauteile

Vorzugsweise besteht die erfindungsgemäße Einschnurungs~ Vorrichtung aus einer dünnen, mit einer Durchtrittsöffnung versehenen -rfand, welche wenigstens einer Abmessung des ΐ^ιο:raihohlrauffl.es genau angepaßt ist und wenigstens eine Wand— fläche des Zormhohlraums bildet»

Die Wandstärke ist erfindungsgemäß mit Rücksicht auf die '.Wärmeleitfähigkeit des Jandmaterials ausreichend ciünn bemessen, um 'Järmeverluste und eine dadurch hervorgerufene vorzeitige Abkühlung und Härtung oder Erstarrung des geschmolzenen iletalls an der Verbindungsstelle zu vermeiden*

V/eitere Vorzüge und i,:erkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung, und den Zeichnungen, in welchen die Erfindung beispielsweise erläutert und dargestellt ist» Dabei zeigen;

!fig* 1 einen Längsschnitt einer typischen Gießform mit einem i'ormhohlraum, einem Üteiger—Hohlraum, und einem üblichen Einguß- und Anschnittsystem, in welche eine

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BAD

erfindungsgemäße Sinschnürungs-Vorrichtung eingesetzt ist,

Mg» 2 eine in Sichtung der Zeile II-II in J¹Ig₀ 1 gesehene geschnittene Teil-Ansicht,

3¹Ig₀ 3 eine vom Steiger-Hohlraum gesehene Ansicht der eingesetzten Sinschnürungs-Vorrichtung in einer in der Sbene III-III in Fig«, 2 geschnittenen Darstellung und

4 einen in Richtung der Pfeile IV-IV in Figo 3 gesehenen Querschnitt der erfindungsgemäßen Binschnürungs-Vorrichtungo

Pig. 1 zeigt eine allgemein mit 10 bezeichnete erfindungs— gemäße Einschnürungs-Vorrichtung, welche in eine auch als Uaßguß-Form bezeichnete Form 11 aus grünem Sand eingesetzt ist. Die Form 11 besteht wie üblich aus einem oberen Formteil 12, welches passend auf einen unteren Formteil 13 aufgesetzt ist ο Die Verbindung dieser beiden Weile ist durch die Linie 14 veranschaulichte

Geschmolzenes Metall wird über ein konventionelles Anschnitt— system 15 mit einem Eingußtrichter 16, einem Trichterlauf 17 sowie einem Lauf 18 in die Form eingegossene Am unteren Ende des Trichterlaufs 17 ist eine Verjüngung oder Drosselung vorgesehen, um den durchtretenen Metallfluß zu regulieren· Das flüssige Metall fließt über den Trichterlauf 17 und den Lauf 18 zu einem Steigerhohlraum 22 und von dort über eine. Steigeröffnung 25 in einen angrenzenden Formhohlraum 24» Der Formhohlraum 24 entspricht natürlich dem gewünschten

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Form-Modell.

Der Formhohlraum 24 ist, wie dargestellt, durch eine obere, entlang der Verbindungslinie 14 angeordnete Fläche 26, eine untere Fläche 27 und zylindrisch geformte Seitenflächen oder Wände 28 begrenzt» Me Steigeröffnung 25 durchschneidet den Formhohlrauia 24 vorzugsweise an einer der Wandflächen mit kleinerer Abmessung, beim vorliegenden lusführungsbeispiel an der Seitenfläche 28 mit einer durch den vertikalen Abstand zwischen den oberen und unteren Wandflächen 26 bzw«, 27 bestimmten Höhe Ho

Der Querschnitts-Flächenbereich der Steigeröffnung 25 ist im wesentlichen rechteckförmig, siehe Figo 3, und besitzt vorteilhaft und bevorzugt eine der Höhe H des Formhohlraums 24 entsprechende vertikale Abmessunge

Die in Figo 4 dargestellte Verjüngungs-Vorrichtung 10 besteht im wesentlichen aus einem äußeren Verstärkungsring 48, dessen Innenfläche zur Ausbildung einer dünnen Wand 45 im Querschnitt verjüngt ist_o Der Radius R zwischen dem Vorsprung oder Bordrand 42 des äußeren Verstärkungsringes 48 ist ausreichend groß, um einen glatten Übergang zur Einlaßseite .35 der Wand 45 vorzusehen, um Spannungskonzentrationen dazwischen aufzuheben, welche anderenfalls aufgrund der hohen (Temperaturen des flüssigen Metalls entstehen könnten» Der Verstärkungsring 48 trägt außerdem zur Festigkeit und Stabilität der Verjüngungseinriohtung 10 bei, um deren Bruchgefahr bei der Bearbeitung oder beim Gießen herabzusetzen»

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Die Wand 45 weist ferner eine öffnung 46 auf, durch welche ... flüssiges Metall in den Formhohlraum 24 fließt, der durch die Begrenzungsfläohen 26 und 27 des Formhohlraumes angedeutet ist. Die öffnung 46 wird durch eine abgerundete Handkante 47 der fand 45 begrenzt, wodurch die Öffnung 46 etwa in der Mittelebene der 7/and 45 den kleinsten Durchmesser hat ο

Die VerjüngungsvorriclrGung 10 ist aus einem nicht schmelzbaren Material zusammengesetzt und ist Torzugsweise brechbar, um zuzulassen, daß sie leicht von den gehärteten uie tall formling weggebrochen werden kann«, Eine ßeihe herkömmlicher gebrannter keramischer vierkstoffe sind für diesen Zweck geeignete

Die Wand 45 erzeugt eine Einschnürung oder Verengung in dem I&tallformling zwischen dessen Steigerteil und dessen Gußstück-Teil, so daß gewährleistet ist, daß der Steiger leicht von dem G-ußstück weggebrochen γ/erden kann, wenn das Metall abgekühlt und gehärtet isto ISs ist erforderlich, daß die Wand 45 ausreichend dünn ist und eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit zur Übertragung einer ausreichenden 7/ärmemenge aufweist, um eine richtig gesteuerte Erstarrung des Itormlings sicherzustellen und eine vorzeitige Blockierung des Durchgangskanals zwischen dem Steiger und dem IPormhohlraum mit gehärtetem Metall zu verhindern«.

Die genaue Dicke der Wand 45 hängt ab von der relativen Wärmeleitfähigkeit des die Einschnürungs-Vorrichtung 10

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einschließenden Materials.. Die Vorrichtung 10 wird jedoch vorzugsweise aus einem keramischen Werkstoff gebildet, und in diesem Pail ist eine Wandstärke von etwa 1/8" (etwa 0,125 min) ausreichend» Im wesentlichen sind Tfendstärken von etwa 1/16" (etwa 0,063 mm) bis etwa 1/4^fI (etwa 0,250 mm) vorgesehene Die öffnung 46 bildet die einzige Verbindung zwischen dem Steiger 22 und dem iOrmhohlraum 24 und ist relativ zur Größe der Drosselstelle 20 so bemessen, daß die jiietallströmung während des Bingießens gesteuert wird, um zuzulassen, daß der Pegel oder die Höhe des geschmolzenen Metalls im Steigerhohlraum 22 geringfügig über die Öffnung ansteigt, während der iOrmhohlraum. gefüllt wird_e Verunreinigungen, wie ZoSo-Schlacke und G-rus und dergleichen schwimmen normalerweise oben auf dem Metall, so daß ihr Eindringen in den JPormhohlraum 24 vorteilhaft verhindert ist_o

Die G-X¹OQe und JüOrm. der ?/andfläche des an die Steiger öffnung 25 angrenzenden Jormhohlraums 24 und der Querschnittsbereich des Steigerdurchgangs 25 bestimmen in erster Linie die G-röße und S'orm der Einschnürung S-S¹O rrxchtung 10_o Die Auslaßwand 36 bildet die vordere Wandfläche des iOrmhohlraums 24 und ist in der für diese ZLäche erwünschten Sorrn ausgebildete Der Verstärkungsring 48 mit der ¥and 54 erstreckt sich hinter die Öffnung des durch die ¥andflächen 26 und 27 begrenzten Formhohlraumsj wie durch die Abschnitte 41 des Verstärkungsringes 48 veranschaulichte Wie am deutlichsten in I¹Xg₀ 3 zu erkennen, ist die Binlaßwand 35 größer als die Steiger-Durchgangsöffnung 25o Die Steigeröffnung 25 hat bei dem dargestellten AusführungsbexspxeX die gleiche Höhe wie der

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Formhohlraum 24«

Eine Ausnehmung 43 ist zur Aufnahme der Verjüngungs-Vorrichtung IO in der Form vorgesehene Die Ausnehmung 43 ist vorzugsweise so angeordnet, daß sie eine .möglichst enge und dichte Einpassung der Sinschnürungs-Vorrichtung 10 zwischen dem Formhohlraum 24 und der Steigeröffnung 25 zuläßt, um ein Eindringen von geschmolzenem Metall, welches zusätzliches Schleifen und nachbearbeiten erfordern würde, zu verhindern··

Die Einschnürungs-Vorrichtung 10 ist in der Form 11 mit HiIxe der sich in die Form 11 erstreckenden !Teile des Verstärkungsringes 48, siehe I¹Ig₀ 1 und 2, fest und sicher gehaltene

Die Einschnürungs-Vorrichtung 10 kann mit Hilfe irgendwelcher herkömmlicher Mittel hergestellt werden_o Die Herstellung durch Schalen— oder Spritzgießen ist jedoch häufig vorteilhaft, da diese Verfahren "besonders anpassungsfähig sind und in vorteilhafter Weise ermöglichen, die jeweils erforderliche Ausgestaltung entsprechend der Oberfläche eines Form-Modells zu erhaltene

Die Form 11 wird in üblicher Weise dadurch hergestellt, daß Formsand in die obere Formhälfte und die untere Formhälfte um ein nicht dargestelltes Modell herum eingefüllt wird, . welches mit der Form des gewünschten Gußstückes übereinstimmt» Die Einschnürungsvorrichtung 10 wird in die Ausnehmung 43

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eingefügt, wenn die Form geöffnet und das Modell herausgenommen ist ο Zwar kann die Ausnehmung 43 in der Form mit Hilfe irgendeines gewünschten Verfahrens ausgebildet werden, jedoch wird sie üblicherweise durch den Abdruck eines dem Form-Modell zugefügten Kerns gebildet» Fach dem Schließen der Form fließt das in den Eingußtrichter 16 eingegossene Metall durch den Trichterlauf 17 nach unten in den Lauf 18 und beginnt den Steigerhohlraum 22 zu füllen» Die Einschnürungsöffnung 46 bewirkt, daß der Flüssigkeitsspiegel des geschmolzenen Metalls im Steiger über die öffnung 46 ansteigt, um zu verhindern, daß auf der Oberfläche des flüssigen Metalls schwimmende Fremdstoffe wie Schlacke oder dergleichen in den Formhohlraum 24 eindringen, wenn dieser gefüllt wirdo Während der Erstarrung des geschmolzenen Metalls läßt die Wand 45 die Übertragung der Wärme vom Metall im Steiger zum Metall im angrenzenden Formhohlraum zu, so daß ein geeigneter Er— starrungs-Ablauf des Formlinge sichergestellt ist» Nach vollständiger Erstarrung und Abkühlung wird die Form 11 gewöhnlich auf eine mechanische Schüttel—Einrichtung gestellt, um den das Metall umgebenden Formwand zu lösen« Während dieses mechanischen Schüttel-Vorganges wird wegen der verhältnismäßig geringen Größe der Einschnürung zwischen Steiger und Formling der Steiger gewohnlich schon aufgrund von 'Trägheitskräften abgebrochene Bei diesem Vorgang wird die Einschnürungs-Vorrichtung 10 zerbrochen und bröckelt vom Formling ab„· Hierdurch entfällt das anderenfalls erforderliche, umständliche Entfernen des Steigers von Hand* Da außerdem die Verjüngung verhältnismäßig nah an der Oberfläche des Formlinges sitzt, ist der SOrmling im wesentlichen frei von überschüssigem

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Metall, das gewöhnlich bei oder nach, der Entfernung des Steigers an der Oberfläche 'des iTomilings zurückbleibte Js entfällt somit eine sonst erforderliche Schieifbehandlung oder andere Tor' der Hachbsarbeitung durchzuführende Vorbereitungen.

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Claims

Verfahren zur Herstellung von iietallgußteilen mit einem leicht und sauber abtrennbaren Steiger, dadurch gekennzeichnet, dai.· Mittel zur Ausbildung einer verengten Verbindung zwischen dem flauptteil des Steigers (22) und dem ii'ormhohlrauni (24) eingefügt werden, bevor geschmolzenes lie tall über den Steiger und die ISinschnürungsmittel in den iormhohlraum eingegossen wird, und daß nach Erstarrung des geschmolzenen Metalls die j?orm zerstört und gegebenenfalls gleichzeitig der 8-teiger und die Einschnürungsmittel von dem geformten Gußteil weggebrochen werden»

Form zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem iOrmhohlraum und einem damit verbundenen Steigerhohlraum sowie mit Mitteln zur Ausbildung einer Einschnürung zwischen dem. Steiger und dem Gußstück und zur .Regulierung der Strömung des flüssigen Metalls vom Steiger in den IOrmhohlraum, dadurch gekennzeichnet, daß diese Mittel eine Einschürungs-Vorrichtung (10) aufweisen, welche am Verbindungspunkt zwischen dem jj'ormhohlraum (24) und dem Steigerhohlraum (22) in die Form (11) eingesetzt ist,

3ο JPorm nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschnürungs-Vorrichtung aus einem zerbrechbaren,' dünnwandigen (45) Bauteil (10) mit einer Durchgangsöffnung . (46) und einem verdickten ringförmigen Verstärkungsrand (48) besteht«

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4ο Form nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinschnüruhgsvorrichtung (10) aus einem keramischen Werkstoff "besteht,,

5» Form nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des dünnwandigen Teiles (45.) "der Einschnürung s-Yorrichtung (10) zwischen etwa 1/16'' (etwa 0,063 mm) bis etwa 1/4'' (etwa 0,250 mm) liegt,,

6ο Form nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß· die Durchgangsöffnung (46) der iäinschnürungs- und Steuer-Vorrichtung (10) so klein bemessen ist, daß eine ,Strömung geschmolzenen Metalls vom Steiger in den Formhohlraum gehemmt oder unterbunden ist, so daß der Flüssigkeitsspiegel des geschmolzenen Metalls im Steiger oberhalb der Durchgangsöffnung gehalten ist«,

7ο Form nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung der Binschnürungs-Torrichtung (10) durch eine abgerundete Kante (47) des dünnen Wandteiles festgelegt isto

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