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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verbundgussteil, bestehend aus
mindestens einem Einsatzteil und einem dieses Einsatzteil zumindest
teilweise umgebenden Gussmaterial sowie ein Verfahren zur Herstellung
eines solchen Verbundgussteils.
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Die
Verwendung von Verbundgussteilen zur Nutzung der Materialeigenschaften
zweier unterschiedlicher Materialien ist bekannt. In der Regel wird hierzu
ein Einsatzteil, das die Form des herzustellenden Verbundgussteils
definiert, mit einem weiteren Material umgeben. Das Aufbringen des
zweiten Materials erfolgt hierbei durch einen Gießvorgang.
Beim Aufbringen des Gussmaterials auf beziehungsweise um das Einsatzteil
kann es an der Kontaktfläche
zwischen den beiden Materialien zu einer metallischen Verbindung
durch Diffusion kommen. Hierdurch wird der eigentliche Verbund zwischen
den beiden Materialien gewährleistet.
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Trotz
der metallischen Verbindung zwischen den beiden Materialien hat
sich gezeigt, dass bei Belastung eines Verbundgussteils ein Ablösen der
aufgebrachten Gussschicht von dem Einsatzteil auftreten kann.
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Um
diesem Phänomen
Rechnung zu tragen, ist im Stand der Technik vorgeschlagen worden,
das Einsatzteil vor dem Beschichten mit dem Gussmaterial mit einer
Zwischenschicht aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen zu versehen.
Diese Zwischenschicht kann durch Flammspritzen oder andere Sprühverfahren
bei hohen Temperaturen aufgebracht werden. Ein solches Verfahren
ist beispielsweise in der
DE
28 41 446 beschrieben.
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Der
Nachteil des Verfahrens des Standes der Technik besteht zum einen
darin, dass das Herstellungsverfahren für das Verbundgussteil zusätzliche Verfahrensschritte
umfasst und somit komplizierter und kostenintensiver als ein herkömmliches
Herstellungsverfahren ist. Zudem wird bei dem Verfahren gemäß dem Stand
der Technik die Zwischenschicht auf der gesamten Oberfläche des
Einsatzteils vorgesehen. Eine Berücksichtigung von eventuell
an einzelnen Bereichen auftretenden Kraft- und Spannungsspitzen
an dem Verbundgussteil ist bei diesem Verfahren nicht möglich.
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Weiterhin
ist aus der
DE 748 065
A ein Verfahren zur Herstellung gegossener Metallbauteile
bekannt. Hierbei werden Metallformstücke in das Metallbauteil eingegossen.
Die Metallformstücke
besitzen ein anderes Elastizitätsmodul
als das für
das Bauteil zu vergießende
Metall. Hierdurch wird die Dauerfestigkeit des Metallbauteils gesteigert.
Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die Metallformstücke nicht
dazu geeignet sind die Stabilität
des gesamten Metallbauteils zu verbessern.
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In
der
DE 25 33 058 A1 wird
weiterhin ein gegossenes Werkstück
beschrieben. In dieses Werkstück
sind in Zugzonen Zuganker mit einem hohen Elastizitätsmodul
eingefügt.
Auch diese Zuganker dienen ausschließlich dazu die Festigkeit des
Werkstücks
in der Zugzone zu verbessern.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist daher, ein Verbundgussteil und ein
Verfahren zur Herstellung des Verbundgussteils zu schaffen, die
die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweisen.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass diese Aufgabe gelöst werden
kann, indem ein Einsatzteil verwendet wird, das an gegenüberliegenden
Seiten Gussmaterialschichten aufweist und an definierten Bereichen
vorbehandelt wird.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe daher gelöst, durch
ein Verbundgussteil, bestehend aus mindestens einem Einsatzteil
und einem dieses Einsatzteil zumindest teilweise umgebenden Gussmaterial,
wobei das Einsatzteil auf gegenüberliegenden
Seiten jeweils eine Gussmaterialschicht aufweist und zumindest einen
Kraftweiterleitungsbereich zur Weiterleitung einer auf das Verbundgussteil
einwirkenden Kraft aufweist, wobei der Kraftweiterleitungsbereich
in dem Einsatzteil oder an einer Oberfläche des Einsatzteils im Bereich
der Krafteinleitung in das Verbundgussteil vorgesehen ist.
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Der
Kraftweiterleitungsbereich kann erfindungsgemäß zur Bildung eines Kraftpfades
von dem Gussmaterial in das Einsatzteil oder zur Weiterleitung der
Kraft von einem Bereich des Gussmaterials in einen anderen Bereich
des Gussmaterials, vorzugsweise einem durch das Einsatzteil getrennten Bereich
des Gussmaterials, dienen. Indem ein solcher Kraftweiterleitungsbereich
vorgesehen ist, können
die bei einer Belastung des Verbundgussteils auftretenden Kraftpfade
definiert eingestellt werden. Hierdurch können insbesondere Kraftspitzen
an Verbindungsstellen beziehungsweise Kontaktflächen zwischen dem Gussmaterial
und dem Einsatzteil vermieden werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
stellt der Kraftweiterleitungsbereich mindestens eine Aussparung
in dem Einsatzteil dar. Da Verbundgussteile in der Regel vollständig mit
Gussmaterial umgeben sind, kann durch das Vorsehen einer Aussparung
in dem Einsatzteil eine Verbindung zwischen den Gussmaterialschichten
auf den gegenüberliegenden
Seiten des Einsatzteils geschaffen werden. Auf diese Weise wird
eine, auf das Verbundgussteil von einer Seite einwirkende, Kraft
auch in das Gussmaterial der gegenüberliegenden Seite des Verbundgussteils geleitet
und kann somit besser aufgenommen werden. Zudem ist durch die Verbindung
der Gussmaterialschichten im Bereich der Aussparung ein Ablösen der
Gussmaterialschicht von dem Einsatzteil nicht möglich.
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Im
Gegensatz zu der Verbindung an der Kontaktfläche zwischen dem Einsatzteil
und dem Gussmaterial ist die intermetallische Verbindung im Gussmaterial
selber wesentlich stabiler.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
das Einsatzteil daher zumindest in dem Kraftweiterleitungsbereich
von Gussmaterial umgeben. Durch das Vorsehen von Gussmaterial an
der Position des Kraftweiterleitungsbereiches kann beispielsweise
bei der Ausführung
des Kraftweiterleitungsbereiches als Aussparung eine Verteilung
der Kraft auf einen Teil des Gussmaterials realisiert werden, der der
Seite des Einsatzteils, auf die die Kraft einwirkt, gegenüberliegt.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
ist der Kraftweiterleitungsbereich an mindestens einer der Oberflächen des
Einsatzteils vorgesehen. Durch diese Ausgestaltung des Kraftweiterleitungsbereiches
kann eine Einleitung einer auf das Verbundgussteil einwirkenden
Kraft in das Einsatzteil gewährleistet
werden. Insbesondere kann hierdurch das Ablösen des Gussmaterials von dem
Einsatzteil vermieden werden.
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Der
Kraftweiterleitungsbereich an einer der Oberflächen des Einsatzteils kann
erfindungsgemäß durch
mindestens einen Vorsprung an dem Einsatzteil realisiert sein. Alternativ
ist auch das Einbringen mindestens einer Vertiefung oder eine Aufrauung
der Oberfläche
des Einsatzteils im Kraftweiterleitungsbereich möglich.
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Die
Ausrichtung eines an dem Einsatzteil vorgesehenen Vorsprungs oder
einer in das Einsatzteil eingebrachten Vertiefung ist vorzugsweise
so gewählt,
dass diese nicht mit der Krafteinwirkungsrichtung auf das Verbundgussteil
zusammenfällt.
Insbesondere ist ein gegenüber
der Kraftrichtung geneigter Vorsprung beziehungsweise eine gegenüber der Kraftrichtung
geneigte Vertiefung bevorzugt. Ist der Kraftweiterleitungsbereich
durch eine Aufrauung beziehungsweise Strukturierung der Oberfläche realisiert,
so ist die Struktur der Oberfläche
vorzugsweise ebenfalls so ausgelegt, dass die Ausrichtung der Struktur
gegenüber
der Krafteinleitungsrichtung geneigt ist.
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Bei
der Ausgestaltung des Kraftweiterleitungsbereiches, an der Oberfläche des
Einsatzteils, ist dieser vorzugsweise an einer Seite des Einsatzteils
vorgesehen. Die Seite, an der ein Vorsprung, eine Vertiefung oder
eine Strukturierung vorgesehen ist, ist vorzugsweise die Seite des
Einsatzteils, die dem Ort der Krafteinleitung in das Verbundgussteil zugewandt
ist. Bei dem erfindungsgemäßen Verbundgussteil
kann daher die Bearbeitung des Einsatzteils vor dem Umgießen des
Einsatzteils mit dem Gussmaterial auf ein Minimum beschränkt werden. Die
Behandlung der gesamten Oberfläche
des Einsatzteils ist hierbei nicht erforderlich. Indem zusätzlich zu
der örtlichen
Beschränkung
der Oberflächenbehandlung
auf den Kraftbereich auch nur die Seite des Einsatzteils bearbeitet
wird, von der aus die Kraft auf das Einsatzteil beziehungsweise
das Verbundgussteil einwirkt, kann dennoch eine stabile Verbindung
zwischen dem Einsatzteil und dem Gussmaterial gewährleistet
werden.
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Vorzugsweise
ist der Kraftweiterleitungsbereich an dem Einsatzteil, zumindest
teilweise, im Bereich der Krafteinleitung in das Verbundgussteil
vorgesehen. Durch die Anordnung des Kraftweiterleitungsbereiches
an einer Stelle, die zumindest teilweise mit der Position der Krafteinleitung
in das Verbundgussteil übereinstimmt,
wird die Länge
des Kraftpfades bis zu der Weiterleitungs- bzw. Einleitungsstelle
in dem Gussmaterial beziehungsweise in das Einsatzteil minimiert.
Im Bereich der Krafteinleitung des Verbundgussteils ist die Kraft
innerhalb des Gussmaterials am höchsten
und in diesem Bereich besteht daher die größte Gefahr der Ablösung des Gussmaterials
von dem Einsatzteil. Durch Vorsehen des Kraftweiterleitungsbereiches
an dieser Stelle kann ein Ablösen
des Gussmaterials daher sicher vermieden werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist an dem Verbundgussteil eine Verbindungsstelle zur Verbindung
mit einem krafteinleitenden Bauteil vorgesehen. Durch die Vorgabe des
Krafteinleitungsortes an dem Verbundgussteil kann die Positionierung
des Kraftweiterleitungsbereiches so vorgenommen werden, dass dieser
mit dem Kraftpfad, der durch das krafteinleitende Bauteil erzeugt
wird, zusammenfällt
beziehungsweise in diesem Kraftpfad liegt. Die Verbindungsstelle
kann beispielsweise ein Schraubdom sein, in den eine Schraube zur
Befestigung des Verbundgussteils eingebracht werden kann.
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Das
Material des Einsatzteils kann bei dem erfindungsgemäßen Verbundgussteil
entsprechend der Anforderungen an das Verbundgussteil gewählt werden.
Insbesondere ist es möglich,
das Einsatzteil aus Stahl herzustellen. Trotz der hohen Festigkeit
beziehungsweise geringen Flexibilität eines Stahleinsatzteils und
der unterschiedlichen Verformungsverhalten von Stahl und beispielsweise
Gussaluminium, kann bei dem erfindungsgemäßen Verbundgussteil ein Ablösen des
Gussmaterials verhindert werden.
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Durch
ein Einsatzteil, das beispielsweise aus Stahl hergestellt ist, kann
somit dem Verbundgussteil eine verbesserte Stabilität verliehen
und gleichzeitig, aufgrund des mindestens einen Kraftweiterleitungsbereiches,
ein Versagen des Verbundgussteils vermieden werden. Erfindungsgemäß kann das
Verbundgussteil aber auch aus anderen Materialien bestehen, beispielsweise
können
Kunststoffe und dergleichen verwendet werden.
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Das
Gussmaterial kann beispielsweise Aluminium oder eine Aluminiumlegierung
darstellen. Auch weitere Leichtmetalle oder Leichtmetalllegierungen
können
erfindungsgemäß als Gussmaterial verwendet
werden. Hierdurch kann das Gesamtgewicht des Verbundgussteils minimiert
werden. Durch das erfindungsgemäße Vorsehen
eines Kraftweiterleitungsbereiches kann unabhängig von dem Material, das
als Gussmaterial eingesetzt wird, eine zuverlässige Verbindung mit dem Einsatzteil
gewährleistet werden.
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Vorzugsweise
stellt das erfindungsgemäße Verbundgussteil
ein Bauteil eines Kraftfahrzeuges dar. Bei Bauteilen eines Kraftfahrzeuges,
wie beispielsweise einer Säule
der Karosserie, sind die Anforderungen an ein geringes Gewicht bei
gleichzeitig hoher Stabilität
wesentlich. Diese Kombination von Eigenschaften kann bei dem erfindungsgemäßen Verbundgussteil
ideal geliefert werden.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung
eines Verbundgussteils mit mindestens einem Einsatzteil und einem
dieses zumindest teilweise umgebenden Gussmaterial. Das Verfahren
zeichnet sich dadurch aus, dass das Einsatzteil vor Aufbringung
des Gussmaterials an mindestens einem Bereich zur Erzeugung eines
Kraftweiterleitungsbereiches mechanisch bearbeitet wird. Das mechanische
Bearbeiten kann beispielsweise das Einbringen mindestens einer Aussparung
in das Einsatzteil sein. Hierbei können bekannte Verfahren, wie
beispielsweise Stanzen oder Lochen, eingesetzt werden.
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Vorteile
und Merkmale die bezüglich
des Verbundgussteils beschrieben werden, gelten, soweit anwendbar,
entsprechend für
das erfindungsgemäße Verfahren
und umgekehrt.
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Die
Erfindung wir im Folgenden erneut anhand der beiliegenden Figuren
beschrieben. Es zeigen:
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1:
eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbundgussteils;
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2:
eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verbundgussteils;
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3:
eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verbundgussteils;
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4:
eine schematische Schnittansicht eines Verbundgussteils gemäß dem Stand
der Technik; und
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5:
eine weitere schematische Schnittansicht eines Verbundgussteils
gemäß dem Stand
der Technik.
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In 1 ist
ein erfindungsgemäßes Verbundgussteils 1 schematisch
in Schnittansicht gezeigt. Das Verbundgussteil 1 besteht
aus einem Einsatzteil 2 sowie einem dieses Einsatzteil 2 umgebenden
Gussmaterial 3. Das dargestellte Verbundgussteil 1 weist
eine Tunnelform auf. Von einer Basis 11 des Verbundgussteils 1 erstreckt
sich ein erhöhter Bereich 12 des
Verbundgussteils 1 nach oben. Das Einsatzteil 2 umfasst
einen ebenen Bereich 21 an der Basis 11 des Verbundgussteils 1.
An diesen ebenen Bereich 21 schließen sich einander zugeneigte Schenkel 22 an,
die nach oben ragen. Die Schenkel 22 gehen in den oberen
Bereich 23 über.
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In
der dargestellten Ausführungsform
ist in dem Einsatzteil 2 eine Aussparung 24 vorgesehen. Diese
ist in der Mitte des erhöhten
Bereiches 23 des Einsatzteils 2 eingebracht.
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Das
Gussmaterial 3 umgibt in der dargestellten Ausführungsform
das Einsatzteil 2 vollständig. Das als Blech oder Platine
ausgestaltete Einsatzteil 2 ist an der Ober- und Unterseite vollständig mit
Gussmaterial 3 bedeckt. Die untere Schicht 31 des
Gussmaterials ist an den Kanten des Einsatzteils 2 im Bereich
der Basis 11 des Verbundgussteils 1 mit der oberen
Schicht 32 des Gussmaterials verbunden. Zusätzlich ist
in der dargestellten Ausführungsform an
der unteren Schicht 31 des Gussmaterials ein Schraubdom 33 vorgesehen.
In dem Kraftweiterleitungsbereich, der in der dargestellten Ausführungsform
durch eine Aussparung 24 in dem Einsatzteil 2 gebildet
ist, befindet sich ebenfalls Gussmaterial 3. Der Kraftweiterleitungsbereich 24 ist
somit mit Gussmaterial 3 ausgefüllt und verbindet die untere
Schicht 31 des Gussmaterials mit der oberen Schicht 32 des Gussmaterials.
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Das
Gussmaterial 3 kann durch bekannte Gießverfahren, wie beispielsweise
Spritzguss, auf das Einsatzteil 2 aufgebracht werden. Hierbei
bildet sich ein integrales Gussteil aus Gussmaterial 3 aus. Die
einzelnen Komponenten des Gussmaterials, wie beispielsweise die
untere Schicht 31 und obere Schicht 32 oder der
Schraubdom 33, sind somit integrale Bestandteile des Gussteils.
Eine separate Verbindung zwischen diesen Komponenten ist nicht notwendig.
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Wird
das in 1 dargestellte Verbundgussteil 1 beispielsweise
mittels einer Schraube in dem Schraubdom 33 mit einem weiteren
Bauteil (nicht dargestellt) verbunden, so wirkt auf das Verbundgussteil 1 eine
Kraft 4. In dem Verbundgussteil 1 bilden sich
aufgrund der Kraft 4 Kraftpfade 5 aus. Diese sind
in der 1 schematisch durch die Pfeile in dem Gussmaterial 3 angedeutet.
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Während ein
Teil der auf das Verbundgussteil 1 einwirkenden Kraft über den
Schraubdom 33 in die untere Schicht 31 des Gussmaterials
geleitet wird, wird ein weiterer Teil der Kraft 4 durch
die Aussparung 24 hindurch in die obere Schicht 32 des Gussmaterials 3 geleitet.
Somit kommt es zu einer gleichmäßigen Kraftverteilung
in dem Verbundgussteil 1.
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Bei
der in 1 dargestellten Ausführungsform ist die Kraft innerhalb
des Verbundgussteils oberhalb des Schraubdoms 33 am größten. In
diesem Bereich liegt ausschließlich
Gussmaterial 3 vor. An den Kontaktflächen zwischen dem Einsatzteil 2 und
dem Gussmaterial 3 hingegen wirkt nur ein Teil der in das
Verbundgussteil 1 eingeleiteten Kraft 4. Ein Ablösen des
Gussmaterials 3 und damit ein Versagen des Verbundgussteils 1 kann
damit vermieden werden.
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In
der 4 ist eine schematische Schnittansicht durch ein
Verbundgussteil gemäß dem Stand der
Technik gezeigt. Der Aufbau des Verbundgussteils 1 entspricht
im Wesentlichen dem in 1 gezeigten Aufbau des erfindungsgemäßen Verbundgussteils 1.
Im Unterschied zu dem erfindungsgemäßen Verbundgussteil 1 weist
das Einsatzteil 2 des Verbundgussteils 1 in der 4 in
dem erhöhten
Bereich 23 allerdings keine Aussparung auf.
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Wird
bei dem Verbundgussteil 1 des Standes der Technik eine
Kraft 4 beispielsweise über
den Schraubdom 33 aufgebracht, so bilden sich die in 4 schematisch
gezeigten Kraftpfade 5. In dem Gussmaterial 3 kann
sich die Kraft 4 aufgrund des durchgehenden Einsatzteils 2 lediglich
in der unteren Schicht 31 des Gussmaterials verteilen.
Aufgrund dieser limitierten Verteilungsmöglichkeit für die in das Verbundgussteil 1 eingebrachte
Kraft 4, kann es zu einer lokalen Ablösung des Gussmaterials 3 von
dem Einsatzteil 2 kommen.
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In 5 ist
dieser Zustand schematisch wiedergegeben. Zwischen der unteren Schicht 31 des Gussmaterials 3 und
dem Einsatzteil 2, insbesondere dem erhöhten Bereich 23 des
Einsatzteils 2, ist ein Hohlraum 6 gebildet. Ein
solches Ablösen
des Gussmaterials von dem Einsatzteil 2 führt zu einem
Versagen des Verbundgussteils 1.
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Unter
Bezugnahme auf 2 wird nun eine weitere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verbundgussteils 1 beschrieben.
In der 2 ist lediglich der obere Bereich des erhöhten Bereiches 12 des
Verbundgussteils 1 dargestellt. Der Aufbau des Verbundgussteils 1 entspricht
im Wesentlichen dem in 1 gezeigten Aufbau. Allerdings
sind bei der in 2 gezeigten Ausführungsform
im erhöhten
Bereich 23 des Einsatzteils 2 mehrere Aussparungen 24, 24' vorgesehen.
Die Aussparungen 24, 24' sind über die Breite des erhöhten Bereichs 23 des
Einsatzteils 2 verteilt. Insbesondere sind die Aussparungen 24, 24' oberhalb des
Schraubdoms 33 des Gussmaterials 3 vorgesehen.
Durch die Aussparungen 24, 24' werden im Gegensatz zu der Ausführungsform
in 1 mehrere Verbindungsstellen zwischen der unteren
Schicht 31 des Gussmaterials 3 und der oberen Schicht 32 des
Gussmaterials 3 geschaffen. An den, zwischen den Aussparungen 24, 24' gebildeten
Stegen 28, ist das Material des Einsatzteils 2 vollständig von
Gussmaterial 3 umgeben. Hierdurch wird die Struktur des
Verbundgussteils 1 in dem Bereich der Krafteinleitung durch
die Kraft 4 verbessert.
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In 3 ist
eine weitere Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verbundgussteils 1 gezeigt. Bei
dieser Ausführungsform
ist der erhöhte
Bereich 23 des Einsatzteils 2 durchgehend ausgestaltet
und weist insbesondere keine Aussparungen auf. An der Unterseite 25 des
erhöhten
Bereichs 23 ist bei dieser Ausführungsform allerdings eine
Strukturierung 26 der Oberfläche eingebracht. Die Strukturierung 26 kann
beispielsweise eine Aufrauung der Oberfläche oder das Vorsehen von Vorsprüngen an
der Oberfläche
sein. Die der Unterseite 25 des erhöhten Bereichs 23 gegenüberliegende
obere Seite 27 ist bei dieser Ausführungsform eben ausgestaltet,
das heißt weist
keine Strukturierung auf. Bei Krafteinleitung in das Verbundgussteil 1,
gemäß der Ausführungsform nach 3,
wird die über
den Schraubdom 33 eingeleitete Kraft 4 mittels
der strukturierten Oberfläche 26 zumindest
teilweise in das Einsatzteil 2 eingeleitet. Ein Ablösen des
Gussmaterials 3, wie dieses im Stand der Technik in 4 gezeigt
ist, kann bei der in 3 gezeigten Ausführungsform
daher nicht auftreten.
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Durch
die strukturierte Oberfläche 26 wird die
Kontaktfläche
zwischen dem Gussmaterial 3 und dem Einsatzteil 2 vergrößert. Zudem
liegen die Kontaktflächen
zwischen dem Gussmaterial 3 und dem Einsatzteil 2 nicht,
wie im Stand der Technik, ausschließlich senkrecht zu der einwirkenden
Kraft 4 vor. Hierdurch wir der Verbund zwischen Gussmaterial 3 und
Einsatzteil 2 verbessert.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen
beschränkt.
Insbesondere kann die Form des Verbundgussteils eine von den dargestellten
Ausführungsformen
abweichende Form aufweisen. Beispielsweise kann das Verbundgussteil
eine ebene Platte darstellen. An der Platte kann gegebenenfalls
ein Schraubdom vorgesehen sein. Die Form der Aussparungen, die in
dem Einsatzteil vorgesehen sein können, kann rund sein. Es ist
aber auch möglich,
dass die Aussparungen durch quadratische Aussparungen oder längliche Schlitze
in dem Einsatzteil realisiert werden.