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Die
Erfindung betrifft eine Werkzeugeinrichtung zum Umformen wenigstens
eines Abschnitts eines weniger genau positionierten Körpers nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Umformen
mit Hilfe dieser Werkzeugeinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs
7.
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Aus
der
DE 10 2004
038 208 A1 ist eine Werkzeugeinrichtung zum Umformen wenigstens
eines Abschnitts eines weniger genau positionierten Körpers um
einen solchen Betrag, dass der umzuformende Abschnitt demgegenüber in einer
genauer definierten Position liegt, bekannt. Diese Werkzeugeinrichtung
umfasst eine ortsbewegliche Halteeinrichtung sowie einen in Richtung
der Halteeinrichtung bewegbaren Formstempel, wobei der umzuformende Abschnitt
zwischen Halteeinrichtung und Formstempel angeordnet ist. Beim Umformen
wird zunächst
die Halteeinrichtung an dem umzuformenden Abschnitt positioniert.
Dann wird der Formstempel in Richtung der Halteeinrichtung bewegt,
was zu einer Umformung des Abschnitts, der zwischen Halteeinrichtung und
Formstempel angeordnet ist, führt.
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Nach
diesem so genannten freien Umformen wird am umgeformten Abschnitt
meist ein weiterer Verfahrensschritt durchgeführt, beispielsweise das Stanzen
eines Loches in diesem Abschnitt. Dazu muss zunächst die Oberfläche dieses
Abschnitts geglättet
werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in der Werkzeugeinrichtung
Mittel vorzusehen, mit denen das freie Umformen sowie sich an das
freie Umformen anschließende
Verfahrensschritte auf einfache Weise und mit möglichst geringem Bauraum durchgeführt werden
können.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Danach
umfasst die Halteeinrichtung ein Keilelement, welches derart in
Anlagekontakt mit der Halteeinrichtung und/oder einer Matrize steht,
dass eine Bewegung des Keilelements eine Bewegung der Halteeinrichtung
und/oder der Matrize in Umformrichtung bewirkt.
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Unter
Matrize soll im folgenden ein Element verstanden werden, welches
eine Relativbewegung auf den umzuformenden Abschnitt ausübt und dabei eine
weitere Umformung des Abschnitts bewirkt, während unter Halteeinrichtung
ein Element verstanden werden soll, welches in Anlagekontakt mit
dem Körper
steht oder gebracht wird und die Funktion eines Gegenhalters hat.
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Auf
diese Weise steht auf der einen Seite eine Matrize zum Glätten der
Oberfläche
zur Verfügung,
die durch eine Antriebsbewegung in einer Richtung, die nicht direkt
in Umformrichtung liegt, bewegt werden kann. So wird kein Bauraum
für den
Antrieb der Matrize in der eigentlichen Umformbewegung blockiert.
Daher kann die Werkzeugeinrichtung sehr schmal ausgeführt werden
und auch bei beengten Raumverhältnissen
zum Umformen von Abschnitten verwendet werden, die nur von einer
Seite zugänglich
sind. Sie kann daher insbesondere dann eingesetzt werden, wenn Abschnitte
von Körpern umgeformt
werden sollen, die schon in eine größere Einheit, beispielsweise
eine Kraftfahrzeugkarosserie, montiert sind.
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Weiterhin
können
durch das Keilelement die sehr hohen Kräfte, die zum Glätten der
Oberfläche des
Abschnitts oder zum Gegenhalten beim Umformen erforderlich sind,
ohne weitere Klemm-Maßnahmen
aufgenommen werden.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Formstempel an einem Schenkel
eines im Wesentlichen L-förmigen
Bügels
befestigt, dessen anderer Schenkel verschiebbar am Ende eines Grundkörpers der
Werkzeugeinrichtung angebracht ist. Grundkörper und Bügel bilden dabei eine Umformzange,
die geeignet ist, in Zwischenräume
eingeführt
zu werden (Anspruch 2).
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Bei
einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Werkzeugeinrichtung ist das Keilelement durch einen Keilschieber
gebildet, der im Grundkörper
geführt
ist. Dieser kann dann durch einen ebenfalls am Grundkörper angebrachten
Zylinder auf sehr einfache Weise bewegt werden. Zur Bewegung der
Keilfläche
muss nur eine sehr geringe Kraft durch den Zylinder aufgebracht
werden (Ansprüche
3 und 4).
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Weiterhin
umfasst die Werkzeugeinrichtung vorteilhafterweise ein Stanzwerkzeug.
Mit Hilfe eines Stanzwerkzeugs kann ein Durchgangsloch, das zum Beispiel
zur Aufnahme von Befestigungsmitteln dient, in dem umzuformenden
Abschnitt erzeugt werden (Anspruch 5).
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In
einem weiteren möglichen
Ausführungsbeispiel
ist zwischen Keilelement und Halteeinrichtung und/oder Matrize eine
Federlagerung vorgesehen. Auf diese Weise kann eine Vorspannkraft
auf die Matrize oder die Halteeinrichtung ausgeübt werden, was eine einfache
Rückkehr
dieser Elemente in ihre Ausgangspositionen ermöglicht (Anspruch 6).
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Ferner
wird die Aufgabe gelöst
durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Dieses Verfahren
zeichnet sich durch die Verwendung eines Keilelements zur Bewegung
einer Matrize und/oder einer Halteeinrichtung zum Glätten der
Oberfläche des
umgeformten Abschnitts oder zur Erzeugung einer Gegenkraft aus.
Durch dieses einfache und bauraumsparende Mittel kann das Verfahren
vorteilhaft auch bei schwer zugänglichen
Körpern
angewendet werden.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Verfahren die folgenden
Schritte: Zunächst
erfolgt die Positionierung der Halteeinrichtung an dem umzuformenden
Abschnitt, dann wird der umzuformende Abschnitt durch eine Bewegung
des Formstempels in Richtung der Halteeinrichtung umgeformt Anschließend wird
die Matrize innerhalb der Halteeinrichtung in Richtung des Formstempels
mit Hilfe des Keilelements zum Glätten der Oberfläche des umgeformten
Abschnitts verschoben. (Anspruch 8).
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Bei
einer weiteren möglichen
Ausgestaltung erfolgt zunächst
die Positionierung der Halteeinrichtung gegenüber dem umzuformenden Abschnitt, ohne
dass eine Berührung
zwischen Halteeinrichtung und Abschnitt erfolgt. Dann erfolgt ein
gemeinsames Verschieben von Matrize und Halteeinrichtung, bis eine
Berührung
zwischen Halteeinrichtung und Abschnitt erfolgt. Anschließend wird
der umzuformende Abschnitt durch eine Bewegung des Formstempels
in Richtung der Halteeinrichtung gegen den Widerstand der federgelagerten
Matrize umgeformt. Auf diese Weise wird das Antasten der Halteeinrichtung
an den umzuformenden Abschnitt beschleunigt und vereinfacht (Anspruch
9).
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
wird durch Keilelement und Matrize ein Anschlag gebildet, bis zu
dem der umzuformende Abschnitt durch den Formstempel umgeformt wird.
So erhält
der Keil eine weitere Funktion und dient zur Bildung eines Anschlags,
der darüber
hinaus in Umformrichtung in der Höhe einstellbar ist. Weiterhin wird
dabei der umgeformte Abschnitt gleichzeitig geglättet (Anspruch 11).
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Vorteilhafterweise
wird anschließend
ein Stanzvorgang an dem umgeformten Abschnitt durchgeführt. Dies
kann auf einfache und präzise
Weise an der im Vorfeld geglätteten
Oberfläche
des umgeformten Abschnitts durchgeführt werden (Anspruch 12).
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Weitere
Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus den übrigen Unteransprüchen und
der Beschreibung hervor.
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In
den Zeichnungen ist die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiel der Werkzeugeinrichtung,
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2 eine
Detaildarstellung der Werkzeugeinrichtung nach 1 mit
dem Formstempel in Ausgangsposition
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3 die
Detaildarstellung nach 2 mit dem Formstempel in Endposition,
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4 die
Detaildarstellung nach 3 mit der Matrize beim Glätten des
umzuformenden Abschnitts,
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5 eine
Detaildarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Werkzeugeinrichtung
mit dem Formstempel in Ausgangsposition,
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6 die
Detaildarstellung nach 5 nach dem Antasten der Halteeinrichtung
sowie
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7 die
Detaildarstellung nach 5 nach dem Umformen des umzuformenden
Abschnitts.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Werkzeugeinrichtung 1,
die einen Grundkörper 27 umfasst,
der beispielsweise an einem Industrieroboter oder an einem Roboterarm
befestigt ist und durch diesen im Raum bewegt werden kann.
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An
diesem Grundkörper 27 ist
ein im Wesentlichen L-förmiger
Bügel 23 angebracht,
der in Richtung des Doppelpfeils 37, beispielsweise durch einen
hier nicht dargestellten elektromotorischen Antrieb 47,
relativ zum Grundkörper 27 bewegbar
ist. Der Bügel 23 umfasst
zwei Schenkel 21, 25, die senkrecht zueinander
angeordnet sind, so dass das freie Ende des zweiten Schenkels 25 verschiebbar gegenüber dem
Grundkörper 27 ist.
An diesem freien Ende befindet sich ein im Wesentlichen kreiszylindrischer
Formstempel 9, der mit dem zweiten Schenkel 25 starr
verbunden ist. Die Längsachse
des Formstempels 9 entspricht der Umformrichtung 17 und verläuft damit
parallel zum ersten Schenkel 21 des Bügels 23.
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Gegenüber dem
Formstempel 9 befindet sich am Grundkörper 27 der Werkzeugeinrichtung 1 eine
Halteeinrichtung 7. Diese umfasst einen starr mit dem Grundkörper 27 verbundenen
Haltekörper 8,
der im Wesentlichen die Form eines Kreiszylindermantels aufweist.
Weiterhin umfasst die Werkzeugeinrichtung eine Matrize 15.
Die Matrize 15 ist dabei im Wesentlichen kreiszylindrisch,
wobei ihr Außendurchmesser
kleiner ist als der Innendurchmesser des Haltekörpers 8. So ist die
Matrize 15 innerhalb des Haltekörpers 8 in axialer
Richtung bewegbar. Diese Werkzeugeinrichtung 1 wird auch
als Umformzange bezeichnet.
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2 zeigt
eine Detailansicht der Werkzeugeinrichtung 1. Dort ist
zu erkennen, dass die Bewegung der Matrize 15 und der Halteeinrichtung 7 in Umformrichtung 17 erzeugt
wird durch eine entsprechende Linearbewegung 39 eines Keilelements 19, das
sich in Anlage mit entsprechend gestalteten abgewandten Oberflächen 41, 43 der
Matrize 15 bzw. des Haltekörpers 8 befindet.
Die Linearbewegung 39 des Keilelements 19 wird
dabei durch die Keilform um 90° umgelenkt,
so dass die Matrize 15 sowie der Haltekörper 8 eine Bewegung
in Umformrichtung 17 erfahren. Abweichend von diesem Ausführungsbeispiel
ist es prinzipiell möglich,
Matrize 15 und Halteeinrichtung 7 einzeln oder
gemeinsam zu verschieben, wie im folgenden erläutert werden wird.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
wird das Keilelement 19 durch einen Keilschieber 29 gebildet. Dieser
ist innerhalb des Grundkörpers 27 geführt und in
diesem bewegbar. Der Antrieb des Keilschiebers 29 erfolgt
durch einen mit dem Grundkörper 27 verbundenen
beispielsweise pneumatischen Zylinder 31. Der Antrieb kann
aber auch hydraulisch oder elektrisch erfolgen, in Abhängigkeit
von der gewünschten
Antriebsleistung. Durch die Umlenkung der Bewegung des Keilschiebers 29 um
90° kann
die Werkzeugeinrichtung 1 in Umformrichtung 17 sehr schmal
ausgeführt
werden, so dass sie auch bei geringem zur Verfügung stehendem Arbeitsraum
eingesetzt werden kann.
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Neben
der translatorischen Bewegung des Keilschiebers 29 ist
auch eine rotatorische Bewegung des Keilelements 19 oder
eine kombinierte rotatorische und translatorische Bewegung desselben möglich. So
kann beispielsweise das Keilelement 19 zusätzlich eine
nicht rotationssymmetrische Geometrie aufweisen, durch die eine
Drehung des Keilschiebers 29 eine Bewegung der Matrize
und/oder der Halteeinrichtung 7 in Umformrichtung 17 bewirkt. Dies
könnte
beispielsweise eine kegelförmige
kombiniert mit einer exzentrischen Geometrie sein.
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Im
Betrieb wird die Werkzeugeinrichtung 1 mit Hilfe eines
Roboters in die in 2 dargestellte Ausgangsposition 11 gebracht.
In dieser Ausgangsposition 11 befindet sich dabei der Haltekörper 8 in Anlagekontakt
mit einem umzuformenden Abschnitt 3 eines Körpers 5,
beispielsweise eines Karosserieblechbauteils.
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Anschließend findet
eine Schiebebewegung des Bügels
23 mit
dem daran befestigten Formstempel
9 in Umformrichtung
17 relativ
zum unbewegten Grundkörper
27 statt.
Dabei wird der umzuformende Abschnitt
3 durch den Formstempel
9 in
Richtung der Matrize
15 umgeformt, bis der Formstempel
9 die
in
3 dargestellte Endposition
13 erreicht
hat. Dabei befindet sich der Formstempel
9 in der Endposition
13 nicht
in Anschlag mit einem Teil der Halteeinrichtung
7, es handelt
sich also um ein so genanntes freies Umformen. Die definierte Bewegung
des Formstempels
9 zum Umformen kann weggesteuert oder begrenzt
durch einen entfernt vom Formstempel
9 und der Halteeinrichtung
7 angeordneten
Anschlag erfolgen, wie in der
DE 192 994 0038 A1 oder in der
DE 192 2004 038 209 A1 detailliert
dargestellt.
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Anschließend an
die Umformung erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel eine Glättung des
umgeformten Abschnitts 3. Diese ist erforderlich, da die Prägefläche nach
dem freien Umformen Unebenheiten aufweist, die eine weitere Bearbeitung
erschweren. Eine ebene Prägefläche wird
erzielt, indem die Matrize 15, wie in 4 dargestellt,
durch eine Linearbewegung 39 des Keilschiebers 29 in
Umformrichtung 17 auf den umgeformten Abschnitt 3 zu
bewegt wird. Die Matrize 15 übt dann eine entsprechend hohe
Kraft auf den Abschnitt 3 aus, was zu einer Glättung dieses
Abschnitts 3 führt.
Beispielsweise übt
dabei der Zylinder 31 über
einen gewissen Zeitraum eine Sollkraft auf den Keilschieber 39 aus,
den dieser auf die Matrize 15 überträgt. Dieser Vorgang des Prägens mit
anschließender
Oberflächenglättung wird
auch als Richtprägen
bezeichnet.
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In
einem anschließenden
Verfahrensschritt kann beispielsweise mit Hilfe des Stanzwerkzeugs 33,
welches sich in diesem Ausführungsbeispiel
hinter dem Formstempel 9 befindet und durch diesen hindurch
bewegt wird, wenigstens ein durchgehendes Loch in den positionsgenau
umgeformten Abschnitt 3 gestanzt, um dort beispielsweise
ein Befestigungsmittel anzubringen.
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In
den 5 bis 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Werkzeugeinrichtung 1 dargestellt. Gleiche Teile sind
dabei mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Im Folgenden wird nur
auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen eingegangen.
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Das
Beispiel gemäß 5 bis 7 unterscheidet
sich von dem ersten Beispiel dadurch, dass das Keilelement 19 genutzt
wird, um die Halteeinrichtung 7 sowie die Matrize 15 so
zu positionieren, dass das freie Umformen durchgeführt werden
kann. Es handelt sich also um einen Antastvorgang. Dabei sind Haltekörper 8 sowie
Matrize 15 gemeinsam durch das Keilelement 19 in
Umformrichtung 17 verschiebbar. Weiterhin ist zwischen
Matrize 15 und Keilelement 19 eine Federlagerung 35 vorgesehen,
so dass die Matrize 15 wiederum in Umformrichtung 17 relativ
zum Haltekörper 8 bewegbar
ist.
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Im
Betrieb wird nun zunächst
die Werkzeugeinrichtung 1 relativ zum Körper 5 bzw. zum umzuformenden
Abschnitt 3 vorpositioniert, beispielsweise durch den Roboter.
Anschließend
wird, wie in 6 dargestellt, über den
Zylinder 31 der Keilschieber 29 betätigt, so
dass sich durch die Bewegung des Keilelements 19 Gegenkörper 8 sowie
Matrize 15 gemeinsam in der um 90° zur Keilschieberbewegung 39 geneigten
Umformrichtung 17 bewegen, bis sie zum Anliegen am Abschnitt 3 kommen.
Dabei muss der Druck des Zylinders 31 so eingestellt sein,
dass noch keine Verformung des Abschnitts 3 stattfindet.
Durch die Auslegung des Keilelements 19 tritt nun beim
Aufbringen einer Gegenkraft in Abhängigkeit von dem Winkel des
Keilelements 19 und dessen Material eine Selbsthemmung
ein, so dass der Haltekörper 8 sich axial
nicht mehr bewegen kann.
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Anschließend wird
der Formstempel 9 wieder um einen definierten Weg in die
Endposition 13 verfahren, wie in 7 dargestellt,
so dass die Umformung des Abschnitts 3, wie im ersten Beispiel
erläutert,
erfolgt. Die Matrize 15 gibt dabei entsprechend nach. Bei
einem nachfolgenden Stanzvorgang wird die Matrize 15 dabei
benötigt,
um dem Stanzwerkzeug 33 den erforderlichen Widerstand zu
bieten.
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Bei
dem Verfahren, das in den 5. bis 7 dargestellt
ist, ist es weiterhin möglich,
nach dem freien Umformen ein zusätzliches
Glätten
des Abschnitts 3 durchzuführen. Bei dünnen Blechen erfolgt das Glätten des
Abschnitts 3 automatisch durch die Federkraft, die durch
die Federlagerung 35 auf die Matrize 15 ausgeübt wird.
Handelt es sich um dickere Bleche, kann zum Glätten nach dem Umformen ein
zweites, relativ zum ersten bewegbares Keilelement vorgesehen werden,
das in einem anschließenden
Verfahrensschritt eine Bewegung der Matrize 15 in Richtung
des Abschnitts 3 relativ zum Haltekörper 8 bewirkt, so
dass die Matrize 15 die zum Glätten notwendige Kraft auf den
Abschnitt 3 ausübt. Dies
könnte
auch durch eine Kombination aus einer translatorischen Bewegung
des Keilelements 19 für die
Festsetzung des Haltekörpers 8 mit
einer nachfolgenden rotatorischen Bewegung zur Bewegung des Keilelements 19 in
Umformrichtung 17 zum Abschnitt 3 mit der zum
Glätten
erforderlichen Kraft erfolgen. Dazu müsste das Keilelement 19 eine
entsprechende Geometrie aufweisen, wie oben erläutert.
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Mit
der in den 5 bis 7 dargestellten Anordnung
ist es weiterhin möglich,
die Matrize 15 als Anschlag für den Formstempel 9 bei
der Umformung des Abschnitts 3 zu nutzen. Dazu muss entweder
die Matrize 15 unbeweglich gegenüber der Halteeinrichtung 7 angeordnet
sein mit dem axialen Abstand zur dem Körper 5 zugewandten
Oberfläche 45, der
der gewünschten
Umformtiefe des Abschnitts 3 entspricht. Alternativ kann
die Federlagerung 35 so ausgelegt sein, dass die Matrize 15 sich
wie dargestellt zurückzieht
und bei einer definierten Tiefe einen ausreichend hohen Widerstand
bietet, um die Umformung zu begrenzen.