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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Schallisolierbauteil mit geringem
Gewicht zur Verfügung, und
speziell stellt die vorliegende Erfindung eine Armaturenbrettisolierung
mit geringem Gewicht zur Verfügung.
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Die
Verringerung der Geräuschausbreitung in
Kraftfahrzeug-Fahrgasträumen stellt
einen wesentlichen konstruktiven Aspekt dar, da Ruhe im Fahrgastraum
zunehmend Bedeutung bei den Vermarktungsplänen von Fahrzeugherstellern
gewinnt. Ein signifikanter und zunehmender Anteil des Kraftfahrzeug-NVH-Materialmarkts (NVH:
Geräusche, Schwingungen,
Härte)
geht von akustischen Verbundwerkstoffen in Massenfertigung zu Konstruktionen
mit geringem Gewicht über,
wobei man sich nicht auf ein Wirken einer beträchtlichen Masse verlässt. Konstruktionen
mit geringem Gewicht sind normalerweise mehrschichtige Verbundwerkstoffe,
die akustisch ebenso arbeiten, wenn nicht sogar besser, wie bzw.
als Sperrerzeugnisse, bei normalerweise niedrigeren Kosten und einem
Bruchteil des Gewichts. Eine Gewichtsverringerung wird kritischer
in der Kraftfahrzeugindustrie, da seit kurzem die Kraftstoffkosten
explodiert sind, und weitere sogenannte CAFÉ-Beschränkungen (also Vorschriften
für einen
geringeren Kraftstoffverbrauch) in weitem Ausmaß angenommen werden.
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Zahlreiche
Schallverringerungsbauteile nach dem Stand der Technik setzen Konfigurationen
ein, die aus einer Sperrschicht in der Nähe einer Entkopplungsschicht
bestehen. Bei diesen Konfigurationen sperrt die Sperrschicht Schall
durch Reflexion ab, wogegen die Entkopplungsschichten eine gewisse Dissipationsfunktion
(Schalldämpfungsfunktion)
zur Verfügung
stellen. Weiterhin liegt bei zahlreichen dieser Sperrentkopplungskonfigurationen
nach dem Stand der Technik das Fahrzeugsperrgewicht im Bereich von
minimal 2,4 kg/m2 (0,5 Pound pro Quadratfuß) bis zu
einem Mittelwert von etwa 7,3 kg/m2 (1,50 Pound
pro Quadratfuß).
Dies führt
dazu, dass eine typische Armaturenbrettisolierung Sperrgewichte
im Bereich von 4,5 bis 13,6 kg (10 bis 30 Pound) aufweist. Einige
Schalldämpfungsbauteile
mit geringem Gewicht nach dem Stand der Technik beruhen auf einer
Mehrschichtkonstruktion thermoplastischer Schichten, bei denen eine
oder mehrere zusätzliche Schichten
vorgesehen sind, normalerweise bezeichnet als Luftfluss-Steuerschichten,
deren Aufgabe darin besteht, den gesamte Luftfluss über den
Verbundwerkstoff einzustellen. Diese Funktion ist deswegen kritisch,
da der Luftflusswiderstand oder Luftflusswiderstandswerte mit der
NVH-Leistung des Materials korreliert sind, beispielsweise einem
Einfügungs- oder Übertragungsverlust,
einer normalen oder statistischen Schalldämpfung, sowie mit einer für das Fahrzeug
spezifischen Eigenschaft, beispielsweise der Schalldämpfung.
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Im
US-Patent Nr. 6,145,617 wird
der Einsatz einer dünnen,
steifen Kappenschicht beschrieben, die aus einer komprimierten,
mit Harz getränkten Baumwollfaser
und einer Entkopplungsschicht besteht. Bei einer anderen Konstruktion
nach dem Stand der Technik werden eine Kappenschicht und eine vertikal überlagerte
Non-Woven-Entkopplungsschicht zusammen mit einer undurchlässigen Filmschicht
eingesetzt. Bei dieser letztgenannten Konfiguration wird die Luftfluss-Steuerschicht
zwischen der Kappenschicht und einer vertikal überlagerten Entkopplungsschicht
angeordnet, und erwärmt,
um die beiden Schichten aneinander zu befestigen. Obwohl diese Konfiguration
nach dem Stand der Technik relativ gut arbeitet, sind ein geringeres
Gewicht und Kosteneinsparungen immer noch äußerst wünschenswert.
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Daher
besteht ein Bedürfnis
nach verbesserten Kraftfahrzeuggeräuschbekämpfungsbauteilen mit geringem
Gewicht, welche wirksam den Geräuschpegel
in dem Fahrzeug-Fahrgastraum verringern.
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Die
vorliegende Erfindung löst
eines oder mehrere Probleme des Stands der Technik durch Bereitstellung
eines Schallisolierbauteils. Das Schallisolierbauteil weist ein
geringes Gewicht auf, während hervorragende
Schallisoliereigenschaften bei Einsätzen bei Kraftfahrzeugen zur
Verfügung
gestellt werden. Das Schallisolierbauteil weist eine Entkopplungsschicht
auf, die unterhalb einer Kappenschicht angeordnet ist, die einen
thermoplastischen, zellenförmigen
Schaum aufweist. Weiterhin weist die Kappenschicht eine ausreichende
Steifigkeit auf, um eine vorbestimmte Form aufrechtzuerhalten, und
weist Luftflusswiderstandswerte auf, die ein vorbestimmtes Ausmaß eines
Luftflusses durch das Schallisolierbauteil ermöglichen.
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Bei
einer Variation der vorliegenden Erfindung wird ein Hybrid-Schallisolierbauteil
zur Verfügung
gestellt. Das Schallisolierbauteil gemäß dieser Ausführungsform
weist eine Kappenschicht und eine Entkopplungsschicht auf, wobei
dazwischen eine Luftfluss-Steuerschicht angeordnet ist. Die Luftfluss-Steuerschicht
ermöglicht
eine zusätzliche
Einstellung des Luftflusswiderstandes des Schallisolierbauteils.
Sie stellt an sich zusätzliche
Schallübertragungsverlusteigenschaften
zur Verfügung,
wodurch ein stärkerer
Ausgleich zwischen Absorptions- und Transmissionsverlusten erzielt
wird.
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Es
wird ferner ein Verfahren zur Herstellung der voranstehend geschilderten
Schallisolierbauteile zur Verfügung
gestellt. Das Verfahren umfasst einen Schritt, bei welchem eine
dünne Schicht
aus einem thermoplastischen, zellenförmigen Schaum mit einer dünnen Schicht
eines Schalldämpfungsmaterials verformt
wird, um das Schallisolierbauteil auszubilden.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand von Figuren näher erläutert. Der Schutzbereich wird durch
den Inhalt der Patentansprüche
festgelegt. Es zeigt:
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1 einen
schematischen Querschnitt einer ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
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2 einen
schematischen Querschnitt einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, welche eine Luftfluss-Steuerschicht aufweist;
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3A eine
schematische Darstellung einer Einrichtung, die zum Ausformen der
Schallisolierbauteile gemäß der Erfindung
verwendet wird, wobei dünne
Bauteilplatten während
des Ausformens erwärmt
werden; und
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3B eine
schematische Darstellung einer Einrichtung, die zur Ausbildung der
Schallisolierbauteile gemäß der Erfindung
verwendet wird, wobei dünne
Bauteilplatten vor dem Ausformen erwärmt werden.
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In 1 ist
eine Ausführungsform
des Schallisolierbauteils gemäß der vorliegenden
Erfindung dargestellt. Das Schallisolierbauteil 10 weist
eine Kappenschicht 12 und eine Entkopplungsschicht 14 auf.
Die Entkopplungsschicht 14 ist zwischen dem Fahrzeug-Metallblech 16 und
der Kappenschicht 12. angeordnet. Bei einer Abänderung
weist das Schallisolierbauteil 10 einen Luftflusswiderstand
von etwa 400 Pas/m2 (MKS Rayls) bis 4500
Pas/m2 (MKS Rayls) auf. Bei einer anderen
Ausführungsform
weist das Schallisolierbauteil 10 einen Luftflusswiderstand
von 500 Pas/m2 (MKS Rayls) bis 3000 Pas/m2 (MKS Rayls) auf. Bei noch einer anderen
Abänderung
weist das Schallisolierbauteil 10 einen Luftflusswiderstand
von etwa 1200 Pas/m2 (MKS Rayls) bis 1800
Pas/m2 (MKS Rayls) auf. Bei noch einer anderen
Abänderung
weist das Schallisolierbauteil 10 einen Luftflusswiderstand
auf, der größer ist
als 2500 Pas/m2 (MKS Rayls). Bei einer Abänderung
dieser letztgenannten Variante weist das Schallisolierbauteil 10 einen
Luftflusswiderstand von 3000 Pas/m2 (MKS
Rayls) bis 4500 Pas/m2 (MKS Rayls) auf.
Das Schallisolierbauteil 10 kann im Prinzip jede Dicke
aufweisen, die mit dem gewünschten
Schallisoliereinsatz verträglich
ist. Typischerweise ändert
sich die Dicke des Schallisolierbauteils 10 zwischen 0,3
cm (0,12 Zoll) und 5,1 cm (2,0 Zoll).
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Die
Kappenschicht 12 weist einen thermoplastischen, zellenförmigen Schaum
auf, der eine ausreichende Luftflusswiderstandsfähigkeit aufweist, um ein vorbestimmtes
Ausmaß eines
Luftflusses durch das Isolierbauteil 10 zu ermöglichen.
Bei einer Variante der vorliegenden Ausführungsform weist die Kappenschicht 12 einen Luftflusswiderstand
von 300 Pas/m2 (MKS Rayls) bis 4500 Pas/m2 (MKS Rayls) auf. Bei einer anderen Variante
weist die Kappenschicht 12 einen Luftflusswiderstand von
500 Pas/m2 (MKS Rayls) bis 2500 Pas/m2 (MKS Rayls) auf. Bei noch einer anderen
Variante weist die Kappenschicht 12 einen Luftflusswiderstand
auf, der größer ist
als 2500 Pas/m2 (MKS Rayls). Bei einer Verfeinerung
der letztgenannten Variante weist die Kappenschicht 12 einen
Luftflusswiderstand von 3000 Pas/m2 (MKS Rayls)
bis 4500 Pas/m2 (MKS Rayls) auf. Typischerweise
weist die Kappenschicht 12 eine Dicke von 0,102 cm (0,04
Zoll) bis 1,3 cm (0,5 Zoll) nach dem Ausformen auf. Bei einer nützlichen
Variante wirkt sich die Kappenschicht so aus, dass sie sowohl einfallende
Schallwellen absorbiert als auch reflektiert. Bei einigen Varianten
ist das Ausmaß der
Absorption von Schall größer als
das Ausmaß der
Reflexion von Schall. Bei anderen Varianten ist das Ausmaß der Reflexion
von Schall größer als
das Ausmaß der
Absorption von Schall.
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Bei
einer anderen Variante der vorliegenden Ausführungsform weist die Kappenschicht 12 eine ausreichende
Steifigkeit auf, um eine vorbestimmte Form aufrechtzuerhalten. Die
Fähigkeit,
eine vorbestimmte Form aufrechtzuerhalten, ermöglicht es dem Schallisolierbauteil 10,
sich an die Form eines Fahrzeugbauteils 16 anzupassen,
das eine flache oder gekrümmte
Oberfläche 18 aufweisen
kann. Typischerweise weist die Kappenschicht 12 einen Schermodul
von 0,1 MPa bis 1,5 MPa auf.
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Geeignete
thermoplastische, zellenförmige Schäume, aus
welchen die Kappenschicht 12 hergestellt wird, umfassen
offenzellige Schäume.
Spezielle Beispiele für
Materialien, aus denen die thermoplastischen, zellenförmigen Schäume hergestellt
werden, umfassen, sind jedoch nicht hierauf beschränkt, Schäume, die
aus der Gruppe ausgewählt
sind, die aus Polyurethan (PUR) besteht, aus expandiertem Polystyrol
(EPS), aus expandiertem Polypropylen (EPP), aus expandiertem Polyethylen
(EPE), und aus Kombinationen hieraus. Bei einer Variante weist der
thermoplastische, zellenförmige
Schaum eine Volumendichte im Bereich von 16 kg/m3 bis
64 kg/m3 (1,0 bis 4,0 Pounds/Feet3) auf.
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Das
Schallisolierbauteil 10 weist in vorteilhafter Weise ein
geringeres Gewicht als mehrere der entsprechenden Schallisolierkonstruktionen
nach dem Stand der Technik auf. Zu diesem Zweck weist bei einer
Variante die Kappenschicht 12 eine Oberflächendichte
auf, die kleiner oder gleich 0,881 kg/m2 (0,055
Pounds/Feet2) ist. Bei einer Variante weist
die Kappenschicht 12 eine Oberflächendichte auf, die im Bereich
von 0,48 kg/m2 bis 0,881 kg/m2 (0,03 Pounds/Feet2) bis 0,055 Pounds/Feet3 liegt.
Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass dann, wenn die Kappenschicht 12 die
Entkopplungsschicht 14 berührt, die thermoplastische Eigenschaft
der Kappenschicht 12 unterstützt wird, so dass diese Schichten miteinander
verbunden werden. Die Adhäsion
wird während
des Erwärmungsprozesses
erzielt, bei welchem das Schallisolierbauteil 10 ausgebildet
wird (vgl. die nachstehenden Ausführungen).
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Die
Entkopplungsschicht
14 weist ein Schallabsorptionsmaterial
auf. Geeignete Materialien zur Ausbildung der Entkopplungsschicht
14 umfassen die
Materialien nach dem Stand der Technik, die zur Ausbildung von Entkopplungsschichten
verwendet werden. Beispiele für
derartige Materialien umfassen jene Materialien, die im
US-Patent Nr. 6,145,617 für die poröse, elastische
Schicht beschrieben werden. Bei einer Variante weist die Entkopplungsschicht
14 einen
formbaren, thermoplastischen Schaum auf. Der formbare, thermoplastische
Schaum kann beispielsweise eine Dichte von 16 kg/m
3 bis
56 kg/m
3 (1,0 bis 3,5 Pounds/Feet
3) aufweisen. Bei einer anderen Variante
besteht die Entkopplungsschicht
14 aus einem thermoplastischen
Fasermaterial. Spezielle Materialien, aus denen die Entkopplungsschicht
14 bestehen
kann, können
umfassen, wobei sie nicht darauf beschränkt sind, dünne Polyurethanschichten oder
ausgeformte Schäume,
PET, PET/Baumwollmischungen, Polypropylen, Polypropylen/PET-Fasermischungen,
Non-Woven, vertikal überdeckend
ausgebildetes PET oder PET-Baumwollmischungen, und Kombinationen
hieraus. Typischerweise weist die Entkopplungsschicht
14 eine
Dicke von etwa 0,20 cm bis etwa 3,81 cm (0,08 Zoll bis etwa 1,5
Zoll) (nach dem Ausformen) auf. Die Entkopplungsschicht
14 weist
typischerweise eine Oberflächendichte
von etwa 1,28 kg/m
2 bis etwa 4,81 kg/m
2 (0,08 Pounds/Feet
2 bis
etwa 0,3 Pounds/Feet
2) und einen Luftflusswiderstand
von etwa 100 MPa (MKS Rayls) bis etwa 500 MPa (MKS Rayls) auf.
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Wie
in 1 gezeigt, wird das Schallisolierbauteil 10 in
vorteilhafter Weise zur Bereitstellung einer Schallisolierung in
einem Automobil eingesetzt. Daher befindet sich bei einer Variante
der vorliegenden Ausführungsform
das Schallisolierbauteil 10 in der Nähe eines Fahrzeugbauteils 16.
Bei dieser Variante ist die Entkopplungsschicht 14 in der
Nähe einer flachen
oder gekrümmten
Oberfläche 18 angeordnet. 1 zeigt
das Schallisolierbauteil 10, das als ein Armaturenbrettisolator
verwendet wird, jedoch umfassen Beispiele für andere Einsätze des
Bauteils 10 die Schallisolierung von Radkästen, geviertelten
Innenausstattungsfeldern, Bauteile für die Seite der Brennkraftmaschine,
der Fahrzeugbodengruppe, des Kofferraums, sowie Tür- und Seitenabdeckungen.
Das Schallisolierbauteil 10 ist besonders nützlich für Armaturenbrettisolatoranwendungen.
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Gemäß 2 wird
eine andere Ausführungsform
der vorliegenden Ausführungsform
zur Verfügung
gestellt. Ein Hybrid-Schallisolierbauteil 30 weist eine
Luftfluss-Steuerschicht 32 auf,
die zwischen der Entkopplungsschicht 14 und der Kappenschicht 12 angeordnet
ist. Die Einzelheiten in Bezug auf geeignete Materialien und physikalische
Vorgaben der Kappenschicht 12 und der Entkopplungsschicht 14 sind
ebenso wie jene, die voranstehend anhand der Beschreibung von 1 erläutert wurden.
Die Luftfluss-Steuerschicht 32 ist besonders nützlich dazu,
eine weitere Abstimmung des Luftflusswiderstands des Hybrid-Schallisolierbauteils 30 zu
ermöglichen,
und daher der NVH-Eigenschaften des Materials. Bei einer Variante
der vorliegenden Ausführungsform
weist die Luftfluss-Steuerschicht 32 einen Luftflusswiderstand
von 300 MPa (MKS Rayls) bis 4500 MPa (MKS Rayls) auf. Bei einer
anderen Variante weist die Luftfluss-Steuerschicht 32 einen
Luftflusswiderstand von mehr als 4500 MPa (MKS Rayls) auf. Bei dieser
letztgenannten Variante dient die Luftfluss-Steuerschicht 32 als eine Sperre, die
hauptsächlich
auftreffende Schallwellen reflektiert. Geeignete Materialien, aus
welchen die Luftfluss-Steuerschicht 32 hergestellt wird,
umfassen thermoplastische Polymere wie Polyethylen und Polypropylen,
und Kombinationen hieraus. 2 zeigt das
Schallisolierbauteil 30, das als ein Armaturenbrettisolator
verwendet wird, jedoch umfassen Beispiele für andere Anwendungen des Bauteils 30 die Schallisolierung
von Radkästen,
geviertelten Innenausstattungsfeldern, Bauteile für die Seite
der Brennkraftmaschine, der Fahrzeugbodengruppe, und des Kofferraums,
sowie Tür-
und Seitenabdeckungen. Das Schallisolierbauteil 30 ist
besonders nützlich
für Anwendungen
als Hybrid-Armaturenbrettisolator.
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Des
Weiteren wird ein Verfahren zur Ausbildung des voranstehend geschilderten
Schallisolierbauteils zur Verfügung
gestellt. In den 3A und 3B sind
Varianten der vorliegenden Ausführungsform
schematisch dargestellt. 3A zeigt schematisch
eine erste Variante, bei welcher während des Ausformens eine Erwärmung erfolgt,
während 3B schematisch
zeigt, dass eine Erwärmung
vor dem Ausformen erfolgt. Die Verfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform
umfassen jeweils unabhängig
einen Schritt, in welchem eine dünne
Schicht 50 aus einem thermoplastischen, zellenförmigen Schaum
auf eine dünne
Schicht 52 eines Schalldämpfungsmaterials aufgebracht
wird, um das Schallisolierbauteil 10 auszubilden. Die dünne Schicht 50 aus
thermoplastischem, zellenförmigem Schaum
bildet die Kappenschicht 12, während die dünne Schicht 52 aus
Schalldämpfungsmaterial
die Entkopplungsschicht 14 bildet, wie dies im Zusammenhang
mit den Beschreibungen der 1 und 2 erläutert wurde.
Wie in 3A dargestellt, werden die dünnen Schichten 50, 52 von
Rollen 56, 58 in ein erwärmtes Formwerkzeug 80 eingebracht, das
in einer Formpresse 60 angebracht ist. Die erwärmte Form 80 bringt
Wärme auf
die dünnen Schichten 50, 52 auf,
um die dünnen
Schichten in die endgültige
Form des ausgeformten Schallisolierbauteils 10 auszuformen.
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Bei
einer anderen Variante wird das Formwerkzeug 80 elektrisch
oder mit warmem Öl
erwärmt. Dann,
nach dem Entfernen vom Formwerkzeug 80, werden die Teile
abgekühlt
und in Form gebracht.
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Bei
einer Variante werden die dünnen Schichten 50, 52 etwa
30 bis 60 Sekunden lang in dem erwärmten Formwerkzeug 80 gelassen.
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Wie
in 3B gezeigt, werden die dünnen Schichten 50, 52 von
Rollen 56, 58 in einen Ofen 64 verbracht,
in welchem Wärme
auf die dünnen
Schichten 50, 52 einwirkt. Der Ofen 64 kann
eine herkömmliche
Ofenerwärmungstechnik
(beispielsweise Infrarot, Konvektion, oder Kontakterwärmung) einsetzen, um
die Erwärmung
zu erzielen. Die erwärmten
dünnen
Schichten 50, 52 werden dann einem wassergekühlten Formwerkzeug 90 zugeführt, das
sich in einer Formpresse 66 befindet, um das ausgeformte
Schallisolierbauteil 10 mit der vorbestimmten, endgültigen Form
auszuformen. Wiederum werden nach Entfernen von dem Formwerkzeug 90 die
Teile in die endgültige
Form gebracht. Wenn eine Luftfluss-Steuerschicht eingesetzt wird,
wie bei der im Zusammenhang mit 2 geschilderten
Ausführungsform,
wird die dünne
Schicht 70, die von der Rolle 72 geliefert wird,
zwischen den dünnen
Schichten 50, 52 vor der Erwärmung angeordnet. Bei jeder
dieser Varianten weist die dünne
Schicht 50 typischerweise eine Dicke zwischen 0,20 cm (0,08
Zoll) und 1,3 cm (0,5 Zoll) vor dem Ausformen auf, was dazu führt, dass
die Kappenschicht 12 eine Dicke von 0,10 cm (0,04 Zoll)
bis 1,3 cm (0,5 Zoll) nach dem Ausformen aufweist. Entsprechend
weist die Entkopplungsschicht 14 typischerweise eine Dicke
von bis zu etwa 5,1 cm (2,0 Zoll) vor dem Ausformen auf, was zu
einer Dicke von etwa 2,0 cm (0,8 Zoll) bis 3,8 cm (1,5 Zoll) nach
dem Ausformen führt.