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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen
Qualitätskontrolle
eines Drahtes, der aus einer Legierung mit Formgedächtnis (anschließend auch
als "SMA" bezeichnet) hergestellt
ist. Dazu ist festzustellen, dass, obwohl im Folgenden auf einen
Draht Bezug genommen wird, der sicher die wichtigste Anwendung ist,
das erfindungsgemäße Verfahren
sich auch auf andere ähnliche
Formen, beispielsweise Bänder
oder dergleichen, anwenden lässt,
die eine praktisch unendliche Dimension und zwei andere endliche
und im Allgemeinen kleine Dimensionen haben.
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Es
ist bekannt, dass das Phänomen
des Formgedächtnisses
in der Tatsache besteht, dass ein mechanisches Bauteil, das aus
einer Legierung hergestellt ist, die dieses Phänomen aufweist, in der Lage
ist, innerhalb eines sehr kurzen Zeitraumes und ohne Zwischengleichgewichtspositionen
zwischen zwei Formen, die bei der Herstellung vorherbestimmt worden
sind, als Reaktion auf eine Temperaturveränderung zu wechseln. Dieses
Phänomen
kann im sogenannten "Ein-Weg-Modus", wobei sich das
mechanische Bauteil in einer einzigen Richtung als Ergebnis der
Temperaturveränderung
verformen kann, beispielsweise, indem es von Form B zu Form A übergeht,
während
der entgegengesetzte Übergang
von A zu B die Anwendung einer mechanischen Kraft erfordert, und
im sogenannten "Zwei-Wege-Modus", wobei im Gegensatz
dazu beide Übergänge durch eine
Temperaturveränderung
verursacht werden können,
auftreten.
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Aus
JP 08 081 745 ist eine
Vorrichtung für die
Durchführung
des Verfahrens zur Herstellung von geraden SMA- Drähten
bekannt, das die Schritte der Führung
des Drahtes durch die Vorrichtung, Erhitzen/Abkühlen dieses Drahtes, um dessen
elastische Eigenschaft zu verstärken,
und Detektieren des gedehnten Drahtteils in der Produktionslinie
umfasst.
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Weiterhin
ist bekannt, dass diese Materialien ihr mikrokristallines Gefüge umwandeln,
indem sie von einem bei niedrigeren Temperaturen stabilen martensitisch
genannten Typ zu einem austenitisch genannten Typ, der bei höheren Temperaturen
stabil ist, und umgekehrt übergehen.
Die Umwandlung zwischen den zwei Formen findet entsprechend einer Hystereseschleife
in einem Temperatur-Dehnungs-Diagramm
statt, das durch vier Temperaturwerte gekennzeichnet ist: Während des
Erhitzens, wobei von einer niedrigen Temperatur ausgegangen wird,
bei welcher die martensitische Phase stabil ist, wird eine erste
Temperatur A
s, bei welcher die Umwandlung
in die austenitische Phase beginnt, und danach eine zweite Temperatur
A
f, die das Ende der Umwandlung in die austenitische
Phase bezeichnet, erreicht. Während
des Abkühlens,
das ab dem Temperaturbereich beginnt, in welchem die austenitische Phase
stabil ist, wird eine dritte Temperatur M
s,
bei welcher die Umwandlung in die martensitische Phase beginnt,
und anschließend
eine vierte Temperatur M
f, bei welcher diese
Umwandlung endet, erreicht. Diagramme dieser Hystereseschleifen
lassen sich beispielsweise in den Patenten
US 4 896 955 und
EP 0 807 276 finden.
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Die
tatsächlichen
Umwandlungstemperaturen sind von Materialtyp und Herstellungsverfahren abhängig, wobei
sich aber diese Temperaturen für
jedes Material immer in der Reihenfolge M
f < M
S,
A
S < A
f befinden und es sein kann, dass M
s < A
s oder umgekehrt entsprechend der Übergangsge schwindigkeit
zwischen den zwei Phasen ist. Beispiele für Zusammensetzungen von Legierungen
mit Formgedächtnis
lassen sich in dem Patent
US
6 309 184 der Patentanmelderin, darunter hauptsächlich Ni-Ti-Legierungen,
vorzugsweise mit 54 bis 55,5 Gew.-% Ni und dem Rest Titan (wobei
Spuren anderer Komponenten erlaubt sind), finden.
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Für eine praktische
Verwendung muss ein SMA-Draht verschiedene funktionelle und technologische
Eigenschaften besitzen, die durch spezielle Prüfungen bewertet werden. Die
Prüfungen,
die typischerweise durchgeführt
werden, um die Eigenschaften dieser Drähte zu prüfen, sind folgende vier:
- 1. Ermüdungsfestigkeit:
eine Drahtprobe (beispielsweise ein 10 cm langer Abschnitt) wird
in einen Ofen eingebracht, an einem Ende befestigt und an dem freien
Ende mit einem Gewicht belastet, das entsprechend dem Drahtdurchmesser
gewählt
wird und im Allgemeinen der Last ähnlich ist, welcher der Draht
bei seiner wirklichen Verwendung standhalten muss; durch zyklisches
Erhitzen und Abkühlen
der Probe wird sie einer Reihe von Dehnungs- und Schrumpfungszyklen
bis zum Versagen unterworfen;
- 2. Bleibende Verformung: besteht in der Bestimmung der bleibenden
Nettoverformung einer Probe wie der in der vorhergehenden Prüfung, die
unter denselben Bedingungen, aber in einer Anzahl Zyklen, die kleiner
als diejenige ist, durch welche ein Ausfall verursacht wird (beispielsweise
75 oder 90 der einen Ausfall verursachenden Zyklen), geprüft wird;
- 3. Hystereseschleife: wird angewendet, um nachzuweisen, dass
der Draht tatsächlich
die Dehnungs- und Schrumpfungsübergänge bei
den für diese
Zusammensetzung erwarteten Temperaturen mitmacht; auch diese Prüfung wird
gegenwärtig
unter denselben Bedingungen wie die erste durchgeführt;
- 4. Hub: besteht in der Bestimmung der prozentualen Dehnung oder
Verkürzung
der Probe bei einem Übergang;
auch diese letzte Prüfung
wird unter denselben Bedingungen und unter denselben experimentellen
Einstellungen wie die erste Prüfung
durchgeführt.
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Diese
vier Prüfungen
sind somit alle solche an Probekörpern,
die beispielsweise etwa jeden Kilometer Draht an einem Stück durchgeführt werden können, wobei
es, während
die ersten zwei Prüfungen
zerstörend
sind und somit mit Proben durchgeführt werden müssen, bevorzugt
wäre, wenn
man in der Lage wäre,
die Prüfungen
3 und 4 kontinuierlich durchzuführen.
Tatsächlich
hat die Durchführung
der letzten zwei Prüfungen
als solche an Proben einige Nachteile.
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Der
erste Nachteil besteht darin, dass es in den Eigenschaften des Drahtes
Unregelmäßigkeiten geben
kann, die aufgrund der sehr geringen Probenahmehäufigkeit entlang des Drahtes
nicht gefunden werden; darüber
hinaus werden bei den gegenwärtigen
Betriebsabläufen
diese Prüfungen
parallel zum Herstellungsverfahren und deshalb mit erhöhten Zeiten
und Kosten für
die Probenahme aus der Produktionslinie und Durchführung der
Prüfungen
außerhalb davon
durchgeführt;
schließlich
ist es in Industriebetrieben besser, über Drähte verfügen zu können, die so lang wie möglich sind,
während
die Durchführung der
Prüfungen
an Probekörpern,
wie beschrieben, es erforderlich macht, den Draht in relativ kurze
Stücke zu
zerschneiden.
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Deshalb
liegt der Erfindung als Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine
Vorrichtung, durch welche diese Nachteile behoben werden, bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst, die in einem ersten Merkmal
ein Verfahren zur kontinuierlichen Qualitätskontrolle eines Drahtes oder
dergleichen aus einer Legierung mit Formgedächtnis betrifft, dadurch gekennzeichnet,
dass es die Schritte:
- a) Zuführen des
Drahtes durch eine Vorrichtung, in welcher er einem Temperaturanstieg
ausgesetzt wird, der einen solchen Bereich umfasst, dass dieser
die charakteristischen Übergangstemperaturen
des Materials, aus welchem der Draht hergestellt ist, enthält,
- b) direktes oder indirektes Messen der Längenveränderung des Drahtes in der
Produktionslinie an festgelegten Punkten der Vorrichtung, die verschiedenen
bekannten Temperaturen entsprechen, und
- c) Verwenden der Werte von Temperatur- und Längenveränderung, um durch Punkte die
Hysteresekurve des Materials im Temperatur-Dehnungs-Diagramm zu
erhalten,
umfasst.
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Der
Hauptvorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
und der zugehörigen
Vorrichtung besteht somit darin, zu ermöglichen, dass die Eigenschaften des
Drahtes nicht mehr durch Probenahme, sondern kontinuierlich derart
geprüft
werden, dass die Qualitätskontrolle
des Produkts mit der gesamten Produktion durchgeführt wird.
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Ein
weiterer beträchtlicher
Vorteil ergibt sich aus der Tatsache, dass diese Kontrolle innerhalb
der Produktionslinie durchgeführt
wird, wodurch Zeit und Geld für
die Probenahme und die Durchführung
der Prüfungen
außerhalb
der Produktionslinie gespart werden.
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Diese
und weitere Vorteile und Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens
und der erfindungsgemäßen Vorrichtung
werden dem Fachmann anhand der folgenden speziellen Beschreibung
einer Ausführungsform
davon unter Bezugnahme auf die im Anhang befindlichen Zeichnungen
deutlich, wobei.
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1 eine
schematische Seitenansicht einer Vorrichtung, in welcher das erfindungsgemäße Verfahren
durchgeführt
wird, und
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2 eine
schematische Draufsicht auf die Vorrichtung von 1 zeigt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
beruht auf der Idee, dass ein endloser Draht durch eine Messvorrichtung
geschickt wird, worin er einem solchen Temperaturverlauf ausgesetzt
wird, dass die weiter oben beschriebenen charakteristischen Übergangstemperaturen
in dem Verlaufsbereich enthalten sind, und die Längenveränderungen des Drahtes während dieses
Temperaturverlaufes in der Produktionslinie gemessen werden. Vorzugsweise
ist die Temperatur des Drahtes, der in die Messvorrichtung gelangt
und diese wieder verlässt,
die Raumtemperatur, während in
mindestens einem Bereich der Vorrichtung der Draht auf eine Temperatur
erhitzt wird, die mindestens gleich (aber vorzugsweise höher als)
Af ist. Innerhalb der Vorrichtung ist es
möglich,
ein Wärmeprofil
zu erzeugen, das kontinuierlich oder diskontinuierlich, "ein schrittweises", ist.
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In
der ersten Ausführungsform
des Verfahrens ist es möglich,
die Dehnung des Drahtes direkt zu messen, beispielsweise, indem
der Draht über Tragpunkte
der Vorrichtung gleiten gelassen wird, wobei die Längenveränderungen
des Drahtes das fortschreitende Auftreten und Verschwinden eines Durchhangs
zwischen diesen Tragepunkten verursachen, und dieser Durchhang gemessen
wird, wobei es möglich
ist, die Längenveränderungen,
die zwischen den Tragpunkten auftreten, und, nachdem die Temperaturen
an diesen Punkten und die Längenveränderungen
bekannt sind, die Hysteresekurve des Drahtes zu erhalten.
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Jedoch
ist es schwierig, da die Dehnungen klein sind, sie direkt zu messen,
auch, weil dies die Verwendung optischer Präzisionsgeräte erfordert, um die Spannung
des Drahtes nicht zu beeinflussen.
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Deshalb
besteht in einer bevorzugten Ausführungsform das erfindungsgemäße Verfahren
im Messen der Veränderung
der Geschwindigkeit des Drahtes, der zwischen den Bereichen des
Systems bei verschiedenen Temperaturen durchläuft. Vorausgesetzt, dass die
Längenveränderung
als prozentualer Anteil der Ausgangslänge angegeben werden kann,
kann deren Veränderung,
wenn von einer Temperatur zur nächsten übergegangen
wird, als ihre erste Ableitung nach der Zeit, d. h. als Geschwindigkeit,
gemessen werden: Insbesondere wird im erfindungsgemäßen Verfahren
die Differenz der Geschwindigkeit des Drahtes zwischen einigen Punkten seines
Durchlaufs durch die Vorrichtung, die sich auf verschiedenen Temperaturen
befinden, gemessen. Anders ausgedrückt, indem der Draht mit einer
bekannten festgelegten Geschwindigkeit und mit einer geeigneten
konstanten Spannung durch eine Abfolge von Bereichen mit unterschiedlichen
Temperaturen geschickt und seine Geschwindigkeit bei jeder Temperatur
gemessen wird, ist es möglich,
die Größe der Dehnung
(oder Schrumpfung) zu erhalten, die aufgetreten ist, während der
Draht von einer Temperatur zur nächsten
gelangt ist. Auf diese Weise ist es durch Integration der Geschwindigkeitsveränderungen möglich, durch
Punkte die Hysteresekurve im Temperatur-Dehnungs-Diagramm zu erhalten und auch den
Hub beim Übergang
zwischen zwei Temperaturen zu berechnen.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Messverfahren ist
die Messung der Drahtgeschwindigkeit einfacher als die direkte Messung
der Dehnungen oder Schrumpfungen, die in dem weiter oben beschriebenen
Durchhängeverfahren
durchzuführen
ist.
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In
einem zweiten Merkmal betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur
Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ein
Beispiel für
eine Vorrichtung, mit welcher die Messung der Geschwindigkeitsveränderungen durchgeführt werden
kann, ist in den weiter oben genannten Figuren veranschaulicht,
die einen Draht F, der von einer Abwickelmaschine B abgewickelt
und von einer Aufwickelmaschine B' aufgewickelt wird, zeigen. Die Spannung
des Drahtes F wird von einer Einheit V kontrolliert, die nach der
Abwickelmaschine B angeordnet und mit zwei Antriebsrollen R, worum sich
der Draht F einige Male wickelt, und mit einem spannungsfreien Arm
C, der die Spannung des Drahtes detektiert, versehen ist. Die Messung
der Spannung durch den Arm C ist darauf gerichtet, diese durch Einwirkung
auf die Regelung der Rollen R und gegebenenfalls auf diejenige der
Rollen R' einer
Einheit V', welche
die Drahtgeschwindigkeit regelt und vor der Aufwickelmaschine B' angeordnet ist,
konstantzuhalten. Die Einheiten V und V' sind beide für eine gegenseitige Rückkopplung
miteinander verbunden.
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Zwischen
den zwei Einheiten V, V' ist
eine Reihe von thermostatierten Kammern T angeordnet, in welchen
jeweils eine gegebene Temperatur durch bekannte Regelungssysteme
derart konstantgehalten wird, dass ein bestimmtes Temperaturprofil
auf diskrete Weise reproduziert wird. In dem veranschaulichten Beispiel
sind dreizehn Kammern T mit einer "Temperaturstufe", d. h. einer Temperaturdifferenz zwischen
einander benachbarten Kammern, von 20°C, die zuerst zunimmt und anschließend abnimmt,
auf eine solche Weise vorgesehen, dass ein Temperaturprofil erhalten
wird, das 40-60-80-100-120-140-160-120-100-80-60-40°C beträgt.
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In
jeder Kammer T befindet sich eine bewegliche Rolle M, die auf der
Kammertemperatur gehalten wird, über
welche der Draht F ohne zu rutschen läuft und welche zur Messung
der Geschwindigkeit des Drahtes F durch einen High-Definition-Encoder, der
die Umdrehungsgeschwindigkeit der Rolle M genau detektiert, verwendet
wird. Zwei weitere Rollen M mit zugehörigen Encodern sind ebenfalls
vor und nach den Kammern T für
die Detektion der Geschwindigkeit des Drahtes bei Raumtemperatur,
die normalerweise etwa 20°C
beträgt,
angeordnet.
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Da
die Geschwindigkeit des Drahtes F in den verschiedenen Kammern T
bei jeder Temperatur und der Abstand P zwischen den beweglichen
Rollen M bekannt ist, ist es möglich,
die Relation zwischen der Temperatur des Drahtes und dessen Dehnung
zu erhalten. Die gemessenen Parameter werden durch ein geeignetes
bekanntes Mittel in Echtzeit kontinuierlich aufgezeichnet, wobei
es bevorzugt ist, auch Drahtkennzeichnungsmittel vorzusehen, die
automatisch aktiviert werden, wenn die gemessenen Parameter Werte
außerhalb
des erlaubten Toleranzbereiches erreichen.
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In
einer alternativen Ausführungsform
ist zwischen den zwei Einheiten V und V' eine einzige Erwärmungskammer mit offenen Enden
angeordnet und können
Rollen M entlang der Achse dieser Kammer bewegt werden, wobei, indem
der mittlere Bereich der Kammer auf die höchste interessierende Temperatur
(160°C im
obigen Beispiel) gebracht wird, die Wärmeverteilung zu den offenen
Enden der Kammer ein "glockenförmiges" Temperaturprofil
entlang der einzigen Kammer mit einem Maximum in der Mitte und einer
regelmäßigen Abnahme
zu den Enden hin ergibt. Wenn das Wärmeprofil der Kammer bekannt
ist, ist es möglich,
jede der Rollen M in eine Position in der Kammer zu bringen, die
sich auf der gewünschten
Temperatur befindet (beispielsweise den Temperaturen, die den dreizehn
Kammern der zuvor beschriebenen Ausführungsform entsprechen). Das
Wärmeprofil
der Kammer kann durch Messen der Temperatur an einer Reihe von Punkten, die
sich entlang der Kammer befinden, beispielsweise durch Thermoelemente,
optische Pyrometer oder andere geeignete Systeme, bekannt sein,
wobei die Messung der Temperatur in dieser Reihe von Punkten während eines
geeigneten Kalibrierversuchs oder kontinuierlich während der
tatsächlichen
Drahtprüfung
durchgeführt werden
kann. Vorzugsweise werden die Punkte, an welchen die Temperatur
entlang der Kammer gemessen wird, so eingerichtet, dass sie den
Punkten entsprechen, an welchen die Rollen M angeordnet sind.
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Es
ist selbstverständlich,
dass die zuvor offenbarten und veranschaulichten Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
und der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ausschließlich
Beispiele sind, die zahlreichen Veränderungen unterliegen können. Insbesondere
können
einige konstruktive und Betriebsparameter wie die Anzahl der Kammern
T, die "Temperaturstufe" zwischen den Kammern
und die den Draht abwickelnden, aufwickelnden und zuführenden
Einheiten verändert
werden, wobei sogar der Abstand P zwischen einander benachbarten
Rollen M nicht konstant sein kann, solange er bekannt ist. Weiterhin
können
in der Ausführungsform
mit entlang der Vorrichtung stufenförmigem Temperaturprofil die
Kammern T weggelassen werden, indem der Draht durch Joulesche Wärme (wenigstens
bei der Temperaturerhöhung)
erhitzt wird, wobei es durch Anlegen unterschiedlicher Spannungen
an verschiedene Punkte, mit welchen der Draht in Berührung kommt
(wobei diese dieselben Rollen M sein können), möglich ist, voreingestellte
Potentialabfälle
in den einzelnen Teilen des Drahtes zu erzeugen und somit, wenn
der Drahtwiderstand bekannt ist, bekannte Temperaturen in diesen Teilen
einzustellen.
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Auf ähnliche
Weise kann die Geschwindigkeit durch Mittel, die sich von den oben
genannten Rollen mit Encodern unterscheiden, beispielsweise durch
optische Geräte,
die den Durchlauf von Kennzeichen, die auf dem Draht mit konstantem
Abstand angebracht sind, detektieren, oder optische Laserablesegeräte, die
das Vorhandensein von Kennzeichen auf dem Draht nicht erfordern
und in welchen die Messung von dessen Geschwindigkeit auf dem Doppler-Effekt
basiert, detektiert werden.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
kann in einer beliebigen Abwandlung davon weiterhin Drahtkennzeichnungsmittel
umfassen, um es zu ermöglichen,
Drahtteile zu markieren, wenn die auf diesen Teilen gemessenen Parameter
Werte außerhalb
des erlaubten Toleranzbereichs erreichen, wobei diese Kennzeichnungsmittel
im Allgemeinen automatisch aktiviert werden, wenn das System feststellt,
dass diese Teile des Drahtes die Spezifikationen nicht erfüllen.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
und das erfindungsgemäße Verfahren
stellen den einzigen bekannten Weg dar, einen aus einer SMA-Legierung hergestellten
Draht bereitzustellen, von welchem alle 100 zertifiziert sind, dass
sie die erforderlichen Kennwerte besitzen. Jedoch können bei
bestimmten Verwendungen mit weniger strengen Qualitätsanforderungen
das erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung
so angewendet werden, dass weniger als der gesamte Draht, beispielsweise
nur 75 des Drahtes, geprüft
wird. Dies kann beispielsweise realisiert werden, indem nicht die
gesamte Drahtlänge
durch das System geschickt wird, oder indem die Werte, die von dem
System gemessen werden können,
eine Zeit lang nicht aufgezeichnet werden, wobei innerhalb dieser
Zeiträume
der Draht schneller von der Abwickelmaschine B zu der Aufwickelmaschine
B' laufen kann,
wodurch die gesamte Betriebszeit verkürzt wird. Indem auf diese Weise
verfahren wird, ist es immer noch möglich, ein gutes Maß an Zuverlässigkeit
der Drahteigenschaften zu erhalten, das mit niedrigeren Kosten für weniger
anspruchsvolle Verwendungen ausreicht.