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Die
Erfindung betrifft ein modulares Gehäusesystem für fluidische Steuer- und Regelgeräte und ein
Verfahren zur Herstellung eines Gehäusegrundkörpers, Gehäuseelements oder Deckelelements des
Gehäusesystems.
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Im
Stand der Technik sind aus Kunststoff bestehende Gehäuse für fluidische
Steuer- und Regelgeräte
bekannt, die relativ günstig
herzustellen sind. Auf das Gehäuse
entfällt
ein wesentlicher Anteil der Herstellungskosten solcher Geräte. Fluidische
Steuer- und Regelgeräte
mit einem Gehäuse
aus Kunststoff, insbesondere Prozeßventile, werden hauptsächlich im
allgemeinen Anlagenbau eingesetzt. Bei diesen Anwendungen bestehen
keine besonderen Anforderungen an Hygiene oder Immunität gegenüber Kontamination.
Die Qualität
der Außenoberfläche der
Gehäuse
ist von untergeordneter Bedeutung. Die Gehäuse dürfen durchaus Spalte und Kanten
aufweisen, an denen sich Verunreinigungen absetzen können. Auch
an die chemische Beständigkeit
des Gehäusewerkstoffs
werden keine besonderen Anforderungen gestellt.
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Damit
völlig
unvereinbar sind die Anforderungen im Bereich der Pharma-, Medizin-,
Reinwasser- oder Lebensmittelindustrie. Alle hier verwendeten Geräte müssen Außenoberflächen aufweisen,
an denen sich Verunreinigungen nicht leicht ablagern, die folglich
keine Spalte oder Kanten aufweisen sollen und die auch gegenüber aggressiven
Reinigungs- und Desinfektionsmitteln beständig sind. Diese hohen Anforderungen
konnten bisher nur mit Gehäusen
erfüllt
werden, die aus massivem Edelstahl gefertigt werden.
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Die
Herstellung eines Gehäuses
aus Kunststoff erfolgt rationell und kostengünstig durch Spritzgießen. Sehr
viel aufwendiger und teurer ist die Herstellung von Gehäusen aus
massivem Edelstahl. Die beiden Sparten erfordern ganz unterschiedliche
Produktionsanlagen: Kunststoff-Spritzgießanlagen zum einen und Metallverarbeitungsanlagen
zum anderen. Es gibt daher in der Industrie der fluidischen Steuer- und
Regelgeräte
Hersteller, die Geräte
mit Gehäusen aus
Kunststoff anbieten, und solche, die Geräte mit Gehäusen aus massivem Edelstahl
zu sehr viel höheren
Preisen anbieten.
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Mit
der vorliegenden Erfindung wird erstmals ein Gehäusesystem vorgeschlagen, das
mit rationellen Verfahren der Kunststoff-Formtechnik realisierbar ist,
zugleich den hohen Anforderungen im Bereich der Pharma-, Medizin-,
Reinwasser- oder Lebensmittelindustrie genügt und dennoch keine aufwendige Herstellung
von Gehäuseteilen
aus massivem Edelstahl erfordert.
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Das
erfindungsgemäße Gehäusesystem
für fluidische
Steuer- und Regelgeräte
umfaßt
einen kreiszylindrischen Gehäusegrundkörper, der
in einer Metall-Kunststoff-Verbundtechnik
ausgeführt
ist und einen inneren Kunststoffgehäusekörper aufweist, der von einer
eng anliegenden äußeren Hülle aus
rostfreiem Stahl oder Edelstahl umgeben ist und einheitliche Anschlußschnittstellen
an seinen axialen Enden aufweist, sowie optionale Gehäuseelemente,
die eine einheitliche Anschlussschnittstelle zur Verbindung mit
einem der axialen Enden des GehäuseGehäusegrundkörpers aufweisen.
Die äußere Hülle aus Stahl
bildet eine möglichst
vollflächige
Verblendung des Gehäusekörpers, der
aus Kunststoff besteht. Trotz des billigen und einfachen Aufbaus
erfüllt
dieses Gehäusesystem
dieselben Anforderungen, die sonst nur die bisherigen teuren, aus
massivem Edelstahl gefertigten Gehäusesysteme erfüllen. Die
erfindungsgemäß verwendete
Verblendung des Gehäusekörpers erfolgt
in besonders kostengünstiger
Weise mit Halbzeugen, die leicht verfügbar sind und nur bedarfsweise
noch einer Umformung bedürfen,
beispielsweise zur Schaffung von Rundungen, an denen sich Verunreinigungen
weniger leicht absetzen können
und die leicht zu reinigen sind. Die optionalen Gehäuseelemente
folgen demselben Prinzip. Sie bestehen aus einem Gehäusekörper, der
in Verbundtechnik mit einem gespritzten Kunststoffkern und einer äußeren Verblendung
durch eine Edelstahlhülle besteht.
Diese optionalen Gehäuseelemente
sind austauschbar. Durch die einheitlichen Schnittstellen wird die
Vielfalt der bisher angebotenen Komponenten von fluidischen Steuer-
und Regelgeräten,
bei denen nun auch nicht mehr zwischen wesentlich unterschiedlichen
Anforderungen der Hygiene unterschieden werden muß, drastisch
reduziert. Während
in Fachkreisen ohne Ausnahme die Forderung besteht, Gehäuseteile
für Anwendungen
mit hohen Ansprüchen
an Hygiene aus Edelstahl zu fertigen, konnte in überraschender Weise der Nachweis
geführt
werden, dass auch die erfindungsgemäßen Gehäuseteile den hohen Ansprüchen genügen, obwohl
sie viel günstiger
realisierbar sind.
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Die
erfindungsgemäßen Gehäuseteile
können
eine insgesamt dünne
Wandstärke
haben, da die Edelstahlhülle
mechanisch hoch belastbar ist. Aus diesem Grund kann der innere
Kunststoffgehäusekörper dünner gestaltet
werden als bei einer Ausführung
aus reinem Kunststoff. Die Edelstahlhülle nimmt einen großen Teil
der mechanischen Kräfte
auf. Ein weiterer Vorteil des Edelstahlmantels ergibt sich bei der
Herstellung des Gehäusesystems.
Beim Spritzen des inneren Gehäusekörpers kann
die Verweilzeit des Gehäuses
im Spritzwerkzeug gegenüber
der Ausführung
aus reinem Kunststoff stark reduziert werden. Die äußere Hülle aus
Stahl gewährleistet nämlich die
Form und die Oberflächenbeschaffenheit des
Kunststoffs, der an der Hülle
anliegt. Der Formkörper
kann daher ausgeformt werden, noch bevor der innere Kunststoffkörper vollständig ausgehärtet ist.
Ein weiterer Grund ist, daß der
innere Kunststoffkörper
schneller aushärtet,
weil er eine geringe Wandstärke
aufweist. Die drastisch verkürzte
Verweilzeit führt
zu einer erheblichen Steigerung der Produktivität.
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Ein
beachtlicher Vorteil ergibt sich auch während des Betriebs eines mit
dem erfindungsgemäßen Gehäusesystem
ausgestatteten Geräts.
Da die äußere Hülle aus
Stahl Wärme
gut abstrahlt und außerdem
beim Kontakt mit der umgebenden Luft für einen guten Wärmeübergang
sorgt, wird das umschlossene Gerät
gut gekühlt.
Außerdem
wird der innere Kunststoffkörper
vor Überhitzung
geschützt.
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Um
hohe Hygieneanforderungen zu erfüllen, ist
vorgesehen, daß die
optionalen Gehäuseelemente
die zylindrische Mantelfläche
des GehäuseGehäusegrundkörpers spaltlos
fortsetzen.
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Zum
Verschluß des
einen axialen Endes des Gehäusegrundkörpers oder
eines optionalen Gehäuseelements
ist ein Deckelelement vorgesehen, das ebenfalls in einer Metall/Kunststoff-Verbundtechnik ausgeführt ist
und einen inneren Kunststoffdeckelkörper aufweist, der von einer
eng anliegenden äußeren Kappe
aus rostfreiem Stahl abgedeckt ist. Das Deckelelement kann hierbei
einen Umfangsrand aufweisen, der die zylindrische Mantelfläche des
Gehäusegrundkörpers oder
des optionalen Gehäuseelements,
wie beschrieben, spaltlos fortsetzt. Wahlweise kann zwischen dem
Gehäusegrundkörper und einem
Gehäuseelement
ein Dichtring vorgesehen sein, der spaltlos und mit der Hülle aus
rostfreiem Stahl bündig
eingefügt
ist. Somit werden auch hier die beschriebenen Vorteile genutzt.
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Mit
der Erfindung wird die Geräte-
und Teilezahl durch Universal- statt Speziallösungen reduziert. Viele Gleichteile
können
durch das modulare Baukonzept mit einheitlichen Schnittstellen eingesetzt
werden. Damit wird eine Kostenreduktion bei gleicher Leistung erzielt.
Außerdem
wird die Lagerhaltung erleichtert. Die massive Reduzierung der Komplexität schlägt sich
auch in einem verringerten Beratungsaufwand im Vertrieb nieder.
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Insgesamt
liegt der Erfindung der Vorschlag zugrunde, aus einem Verbund von
preiswerten Kunststoffinnenteilen und dünnwandigen, ebenfalls preiswerten
Edelstahlhalbzeugen für
außenliegende Oberflächen baugleiche
Gehäuse,
Deckel und Steuerteile für
Magneten und Magnetventile, Prozeßventile, Drehantriebe, Aktoren,
Regel- und Steuergeräte, Prozeßaktoren
und Sensoren zu schaffen, welche neben Druck- und Temperaturanforderungen
vor allem die hohen und in der Realisierung bisher sehr teuren Oberflächenanforderungen
der Getränke-, Nahrungs-
und Genußmittelindustrie,
Chemie, Pharmazie und Medizin erfüllen. Dieses Konzept macht es
möglich,
Gleichteile mit einheitlichem Erscheinungsbild für alle Anforderungsprofile
anzubieten.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Herstellung eines Gehäusegrundkörpers, Gehäuseelements
oder Deckelelements eines Gehäusesystems
wird ein dünnes
Blechteil aus rostfreiem Stahl in einen Formhohlraum eines Spritzgießwerkzeugs
so eingelegt, dass eine Fläche
des Blechteils an der Innenfläche
des Formhohlraums anliegt und von dieser abgedeckt wird. An die
gegenüberliegende
Fläche des
Blechteils wird eine Kunststoffstruktur angespritzt, die den inneren
Kunststoffgehäusekörper bildet.
Obwohl im Ergebnis ein Gehäuseteil
in Verbundtechnik mit den beschriebenen Vorteilen hergestellt wird,
können
bewährte
Verfahren der Kunststoffverarbeitungstechnologie eingesetzt werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.
In diesen zeigen:
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1 eine
Schnittansicht eines Gehäuse-Gehäusegrundkörpers;
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2 eine
Schnittansicht eines optionalen Gehäuseelements;
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3 eine
Schnittansicht eines Deckelelements;
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4 eine
Schnittansicht eines zusammengesetzten Gehäuses;
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5 eine
3D-Perspektivansicht eines fluidischen Steuer- oder Regelgerätes mit
einem zusammengesetzten Gehäuse;
und
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6 eine
3D-Perspektivansicht eines weiteren fluidischen Steuer- oder Regelgerätes mit
einem zusammengesetzten Gehäuse.
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Bei
der in den 1 bis 6 gezeigten Ausführung handelt
es sich um ein Aktorsystem, also ein System mit einem Betätiger (Aktor)
in Form eines fluidischen (pneumatischen), magnetischen oder elektrischen
Antriebs für
ein Stellglied wie ein Ventil, insbesondere Prozeßventil.
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1 zeigt
einen kreiszylindrischen Gehäusegrundkörper 10,
der in einer Metall-Kunststoff-Verbundtechnik ausgeführt ist.
Er besitzt einen inneren Kunststoffgehäusekörper 12, der von einer
eng anliegenden äußeren Hülle 14 aus
rostfreiem Stahl umgeben und mit dieser durch ein besonderes Herstellungsverfahren
in festen Verbund gebracht ist. Die äußere Hülle 14 ist aufgrund
der hohen Materialfestigkeit des verwendeten Stahls gegenüber dem Kunststoffgehäusekörper 12 weit
dünner
ausgelegt. Der Gehäusegrundkörper 10 umgibt
und schützt
innenliegende Geräte
wie Aktoren oder Sensoren.
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Zur
Verbindung mit anderen, optionalen Gehäusemodulen besitzt der Gehäusegrundkörper 10 eine
einheitliche Anschlußschnittstelle
in Form einer umlaufenden Stufe 15 an seinem oberen axialen Ende 16.
Er hat ferner eine einheitliche Anschlußschnittstelle in Form eines
Innengewindes 17 an seinem unteren axialen Ende 18.
Die Anschlußschnittstellen,
Stufe 15 und Innengewinde 17 werden von den Rändern 20 und 22 am
oberen axialen Ende 16 bzw. am unteren axialen Ende 18 des
Gehäusegrundkörpers 10 gebildet.
An die obere Anschlußschnittstelle 15 können optionale
Gehäuseelemente 24 gekoppelt
werden, die weiter unten beschrieben werden. Die untere Anschlußschnittstelle 17 dient
zur Kopplung des Gehäusegrundkörpers 10 an
eine Armatur. In den 5 und 6 sind zwei
beispielhafte Armaturen 26 dargestellt. Am unteren axialen Ende 18 weist
der Gehäusegrundkörper 10 auch
einen radial einwärts
gebogenen Randbereich 28 auf. Auch in diesem Randbereich 28 ist
der Kunststoffgehäusekörper 12 vollflächig von
der Hülle 14 abgedeckt.
Die Rundung des Randbereichs 28 vermeidet eine Kante oder
einen Spalt, woran sich Verunreinigungen festsetzen könnten, und
erleichtert zudem die Reinigung des Gehäusegrundkörpers 10 an dieser
Stelle.
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2 zeigt
ein optionales Gehäuseelement 24 mit
einer einheitlichen Anschlussschnittstelle in Form einer umlaufenden
Stufe 25, über
die das Gehäuseelement 24 mit
dem Gehäusegrundkörper 10 verbunden
werden kann. Die Anschlußschnittstelle wird
vom Rand 30 des Gehäuseelements 24 gebildet.
Es gibt verschiedenartige Gehäuseelemente 24, die
je nach Einsatzzweck des fluidischen Steuer- oder Regelgerätes modulartig
mit dem Gehäusegrundkörper 10 verbunden
werden können,
um entsprechende Funktionen zu implementieren. Die Gehäuseelemente 24 sind
wie der Gehäusegrundkörper 10 ebenfalls
in einer Metall-Kunststoff-Verbundtechnik ausgeführt und besitzen einen inneren
Kunststoffgehäusekörper 32,
der von einer eng anliegenden äußeren Hülle 34 aus
rostfreiem Stahl oder Edelstahl umgeben ist.
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In 3 ist
ein Deckelelement 36 dargestellt, mit dem das axiale Endes 16 des
Gehäusegrundkörpers 10 oder
das axiale Ende 38 eines damit verbundenen Gehäuseelements 24 verschlossen
wird. Auch das Deckelelement 36 ist, wie in 3 dargestellt,
in einer Metall-Kunststoff-Verbundtechnik ausgeführt. Das Deckelelement 36 weist
also einen inneren Kunststoffdeckelkörper 40 auf, der von
einer eng anliegenden äußeren Kappe 42 aus
rostfreiem Stahl oder Edelstahl vollflächig abgedeckt ist.
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In 4 ist
ein Gehäusesystem
dargestellt, welches aus einem Gehäusegrundkörper 10, einem optionalen
Gehäuseelement 24 sowie
einem Deckelelement 36 zusammengesetzt ist. Wie der Name schon
sagt, ist das Gehäuseelement 24 optional.
Das Deckelelement 36 kann also auch direkt mit dem Gehäusegrundkörper 10 verbunden
werden, wenn das Gehäuseelement 24 nicht
benötigt
wird.
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In
dem in 4 gezeigten Aufbau des Gehäusesystems werden einige weitere
Merkmale des Gehäusegrundkörpers 10,
des Gehäuseelements 24 und
des Deckelelements 36 erkennbar. Die äußere Hülle 14 des Gehäusegrundkörpers 10 wird
durch die äußere Hülle 34 des
Gehäuseelements 24 bei
gleichem Durchmesser spaltlos fortgesetzt. Lediglich ein Dichtring 44 liegt
zwischen dem Gehäusegrundkörper 10 und
dem Gehäuseelement 24,
um das Gehäusesystem abzudichten.
Der Dichtring 44 fügt
sich spaltlos und bündig
mit der Hülle 14 des
Gehäusegrundkörpers 10 und
der Hülle 34 des
Gehäuseelements 24 ein.
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Das
in 4 gezeigte Ausführungsbeispiel ist ein Gehäuse für ein pneumatisches
Prozesssteuerventil. Das Gehäuseelement 24 ist
bei 25 mit dem Gehäusegrundkörper 10 verschraubt
und hat eine zylindrische Wand 27, die mit ihrer Innenfläche die Führungs-
und Dichtfläche
eines (nicht gezeigten) Kolbens bildet Auch das Deckelelement 36 setzt
die äußere Hülle 14 des
Gehäusegrundkörpers 10 oder, wie 4 zeigt,
die äußere Hülle 34 des
optionalen Gehäuseelementes 24 durch
den an ihm ausgebildeten Umfangsrand 46 spaltlos fort.
Zusätzlich
wird auch an dieser Verbindungsstelle ein Dichtring 48 verwendet,
der bündig
zwischen dem Deckelelement 36 und dem Gehäuseelement 24 eingefügt ist.
An dem Deckelelement 36 sind pneumatische Anschlüsse 37 für entsprechende
Steuerleitungen ausgebildet.
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Die 5 und 6 stellen
jeweils 3D-Perspektivansichten eines fluidischen Steuer- oder Regelgeräts dar.
Die hier gezeigten Geräte
sind für
die Prozeßsteuerung
im allgemeinen Anlagenbau und Industriebereich bestimmt, also für Anwendungen, bei
denen die Hygieneanforderungen niedriger sind als im Pharma-, Medizin-
oder Lebensmittelsektor. Bei solchen Anwendungen können die
gezeigten Zwischenelemente 50 eingebaut werden, welche Ecken
und Kanten aufweisen und keine äußere Edelstahlhülle besitzen
müssen.
Trotzdem werden auch hier die auch für den Einsatz im Hygieneumfeld
geeigneten Gehäusegrundkörper 10,
Gehäuseelemente 24 und
Deckelelemente 36 verwendet, da sie preiswert sind und
durch ihr einheitliches, ansprechendes Erscheinungsbild eine Produktlinie
des Herstellers verkörpern,
also gewissermaßen
eine Markenfunktion haben. eingesetzt. Weiterhin zeigen die 5 und 6 verschiedene
Armaturen 26, an die der Gehäusegrundkörper 10 gekoppelt
ist. Armaturen 26 können
beispielsweise verschiedenartige Sensoren oder Ventile sein.
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Das
Verfahren zum Herstellen eines Gehäusegrundkörpers 10, eines Gehäuseelements 24 oder eines
Deckelelements 36 verläuft
jeweils analog. Es wird ein dünnes
Blechteil aus rostfreiem Stahl durch Umformung von Halbzeugware
in die gewünschte Form
gebracht und in einen Formhohlraum eines Spritzgießwerkzeugs
so eingelegt, daß eine
Fläche des
Blechteils an der Innenfläche
des Formhohlraums anliegt und von dieser abgedeckt wird. An die gegenüberliegende
Fläche
des Blechteils wird dann die gewünschte
Kunststoffstruktur angespritzt. Es ergibt sich dabei ein inniger
Verbund zwischen dem Blechteil und dem Kunststoff. Beim Spritzen
eines Gehäuses
aus Kunststoff wird die Verweilzeit in dem Formhohlraum wesentlich
durch die Zeit zum Aushärten
der Kunststoffmasse bestimmt. Vorzeitig ausgeformte Kunststoffkörper würden inakzeptable Oberflächenfehler
an der Außenfläche aufweisen. Durch
das Blechteil, das die Außenfläche des
gespritzten Gehäuseteils
bildet, kann die Verweilzeit in dem Formhohlraum gegenüber einer
Ausführung
aus Vollkunststoff wesentlich verkürzt werden, da Oberflächenfehler
an der Außenfläche nicht
entstehen können.
Durch die gute Wärmeleitfähigkeit
des Blechteils wird überdies
die Aushärtung
des Kunststoffs beschleunigt, was zu einer weiteren Verkürzung der
Verweilzeit führt.
Durch die Verkürzung
der Verweilzeit wird die Produktivität drastisch gesteigert.
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Die
Hülle 14 bzw. 34 und
die Kappe 42 bestehen aus einem rostfreien Stahl oder Edelstahl,
der einerseits eine hohe Festigkeit bei geringer Gesamtwandstärke bewirkt
und andererseits eine glatte Außenoberfläche aufweist,
an der Verunreinigungen schlecht anhaften und die sich leicht reinigen
läßt. Rostfreier
Stahl oder Edelstahl bietet außerdem
einen guten Schutz gegen Kontamination durch Keime. Insbesondere
Edelstahl ist ferner korrosionsbeständig auch gegenüber aggressiven
Reinigungsmitteln, die bei hohen Anforderungen an Hygiene eingesetzt
werden müssen.
Erstaunlicherweise erfüllen damit
die beschriebenen Gehäusesysteme
auch höchste
Anforderungen, denen im Stand der Technik nur Teile aus massivem
Edelstahl gerecht werden konnten. Die beschriebenen Gehäusesysteme
sind aber gegenüber
Ganzmetallausführungen
um so viel preiswerter, daß sie
auch im Niedrigpreissegment an Stelle von Vollkunststoffausführungen,
bei Bedarf in Kombination mit Gehäuseelementen aus Vollkunststoff,
eingesetzt werden können.
Es ergibt sich so auch eine enorme Reduzierung der Vielfalt von
Gehäuseteilen.