DE102009013251A1 - Kunststoff-Metall-Verbundrohr - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kunststoff-Metall-Verbundrohr, insbesondere für die Hausinstallation, mit mindestens einer an der Rohrinnenseite angeordneten ersten Kunststoffschicht (1), die von einer Metallfolie (3) umgeben ist, wobei die Metallfolie (3) eine Perforation aus flächig verteilten Löchern (4) aufweist. Erfindungsgemäß sind die Ränder (8) der Metallfolie (3) durch einen direkten, unter lokaler Aufschmelzung des metallischen Materials gebildeten Stoffschluss verbunden, so dass die Metallfolie ein umfangseitig geschlossenes Metallrohr bildet, wobei der Durchmesser der Löcher kleiner als 1 mm, vorzugsweise kleiner als 0,5 mm, ist. Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung des Kunststoff-Metall-Verbundrohrs.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Kunststoff-Metall-Verbundrohr, insbesondere für die Hausinstallation, mit mindestens einer an der Rohrinnenseite angeordneten ersten Kunststoffschicht, die von einer Metallfolie umgeben ist, wobei die Metallfolie eine Perforation aus flächig verteilten Löchern aufweist. Gegenstand der Erfindung ist des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung des Kunststoff-Metall-Verbundrohres.
  • Ein Kunststoff-Metall-Verbundrohr mit den eingangs beschriebenen Merkmalen ist aus der EP 0 567 667 A1 bekannt. Das bekannte Kunststoff-Metall-Verbundrohr besteht aus einem Innenrohr und einem Außenrohr aus Polypropylen (PP) und einer dazwischen als Verstärkungsschicht eingebetteten Metallfolie. Um die Metallfolie mit dem Innenrohr und dem Außenrohr zu verbinden, weist diese beidseitig eine als Haftvermittler dienende Kunststoffkaschierung und/oder eine aufgeraut Oberfläche auf. Des Weiteren ist die Perforation derart ausgeführt, dass der Haftvermittler bzw. das Material des Innenrohres und des Außenrohres durch die Löcher der Perforation hindurchtreten kann, so dass das Innenrohr und das Außenrohr mit der Metallfolie verschmolzen werden. Durch die Erzeugung der Perforation wird zusätzlich vermieden, dass sich zwischen dem Innenrohr und der Metallfolie Kondenswasser bildet, welches zu einer Korrosion oder Delamination führen kann.
  • Trotz des mehrschichtigen Aufbaues ist die Stabilität des Kunststoff-Metall-Verbundrohres verbesserungsbedürftig. Insbesondere stellt die Perforation bei der bekannten Ausführung eine erhebliche Schwächung der Metallfolie dar, so dass unter hohen Belastungen, insbesondere bei engen Biegungen des Kunststoff-Metall-Verbundrohres die als Verstärkung vorgesehene Metallfolie entlang einer Perforationslinie aufreißen kann. Zusätzlich besteht die Gefahr, dass bei der Erwärmung, die zum Verschmelzen der Metallfolie mit dem Innenrohr und dem Außenrohr vorgesehen ist, Haftvermittler oder Polypropylen des Innenrohres durch die Perforation herausquillt und eine ungleichmäßige Oberflächenstruktur erzeugt, die von einem Benutzer als Mangel wahrgenommen werden kann.
  • Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Kunststoff-Metall-Verbundrohr mit den eingangs beschriebenen Merkmalen anzugeben, welches eine erhöhte Festigkeit aufweist.
  • Gegenstand der Erfindung und Lösung der Aufgabe ist ein Kunststoff-Metall-Verbundrohr, bei dem die Ränder der Metallfolie durch einen direkten, unter lokaler Aufschmelzung des metallischen Materials gebildeten Stoffschlusses verbunden sind, so dass die Metallfolie ein umfangseitig geschlossenes Metallrohr bildet, wobei der Durchmesser der Löcher kleiner als 1 mm, vorzugsweise kleiner als 0,5 mm ist. Durch das Verschweißen der Ränder der Metallfolie wird ein Metallrohr gebildet, welches bereits für sich alleine selbsttragend ist und eine sehr hohe Festigkeit aufweist. Zusätzlich ist vorgesehen, dass die einzelnen Löcher der Perforation einen Durchmesser von weniger als 1 mm, vorzugsweise weniger als 0,5 mm aufweisen. Die Perforation stellt damit im Vergleich zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungen bei einem gleichen Flächenanteil der Löcher in Bezug auf die gesamte Fläche der Metallfolie eine vergleichsweise geringfügige, gleichmäßig verteilte Schwächung dar, so dass durch die Reduzierung des Lochdurchmessers eine weitere, deutliche Erhöhung der Festigkeit erreicht werden kann.
  • Der Erfindung liegt dabei insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass aufgrund der selbsttragenden Eigenschaften des gebildeten, umfangseitig geschlossenen Metallrohres der Durchtritt von Haftvermittler durch die Löcher der Perforation zur Erzielung einer hohen Festigkeit nicht erforderlich ist. Vielmehr sind die Löcher derart bemessen, dass bei einer Erwärmung und/oder Kompaktierung des Kunststoff-Metall-Verbundrohres ein Durchtritt von Polymermaterial verhindert wird, so dass auch die bei dem Stand der Technik zum Teil beobachtete Beulenbildung sicher vermieden werden kann.
  • Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Kunststoff-Metall-Verbundrohres kann auch vermieden werden, dass Flüssigkeit, die aus dem Innern des Kunststoff-Metall-Verbundrohres durch die erste Kunststoffschicht hindurch diffundiert, sich an der Metallfolie absetzt. Bei einem typischen Flächenanteil der Löcher in Bezug auf die gesamte Fläche der Metallfolie zwischen 2% und 20%, vorzugsweise zwischen 5% und 15%, ergibt sich dabei der Vorteil, dass bei Vielzahl kleiner Perforationslöcher, der Abstand zwischen den Löchern gering ist, so dass insgesamt eine gute Entlüftung gewährleistet werden kann. So ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Abstände zwischen benachbarten Löchern der Perforation kleiner ist, als die Dicke der ersten Kunststoffschicht. Dadurch wird erreicht, dass Wasserdampf, der durch die erste Kunststoffschicht hindurch diffundiert, unmittelbar durch die Perforation abgeführt werden kann, ohne an dem Metallrohr zu kondensieren. Besonders bevorzugt ist dabei eine Ausgestaltung, bei der die Dicke der ersten Kunststoffschicht zumindest um einen Faktor 2 größer ist, als die Abstände zwischen benachbarten Löchern.
  • Üblicherweise ist eine zweite Kunststoffschicht als Deckschicht vorgesehen, welche das gebildete Metallrohr umgibt. Sowohl innerhalb als auch außerhalb des Metallrohres kann darüber hinaus auch die Anordnung mehrerer Schichten, insbesondere auch die Anordnung von Barriereschichten vorgesehen sein. Dabei ist jedoch zu beachten, dass Wasserdampf, welcher durch die erste Polymerschicht hindurch diffundiert und die Löcher der Perforation hindurchgetreten ist, das Kunststoff-Metall-Verbundrohr möglichst ungehindert verlassen soll. In der Regel ist es deshalb nicht zweckmäßig in Bezug auf das Metallrohr eine außenliegende Schicht vorzusehen, die eine gute Barriere gegen Wasserdampf darstellt. Aufgrund der Durchlässigkeit gegenüber Wasserdampf und der Barrierewirkung gegenüber Sauerstoff ist als außenliegende Barriere insbesondere eine Schicht aus Ethylen-Vinyl-Alkohol-Copolymer (EVOH) vorteilhaft.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen dem Metallrohr und der ersten Kunststoffschicht sowie vorzugsweise auch zwischen dem Metallrohr und der optional vorgesehenen, außenliegenden zweiten Kunststoffschicht eine Haftvermittlerschicht vorgesehen, welche zur Erhöhung der Verbundfestigkeit dient, wobei die erste Kunststoffschicht und die zweite Kunststoffschicht über die Haftvermittlerschichten mit dem Metallrohr verbunden sind. Wie zuvor beschrieben, ist die Perforation derart ausgebildet, dass der Haftvermittler bei einer Erwärmung nicht oder nur in geringen Anteilen durch die Löcher der Perforation hindurchtreten kann.
  • Als Material für die innenliegende, erste Kunststoffschicht und eine optional vorgesehene außenliegende zweite Kunststoffschicht kann insbesondere Polyethylen vorgesehen sein, welches einerseits vergleichsweise kostengünstig ist und andererseits gute Funktionseigenschaften aufweist. Im Hinblick auf die Beständigkeit wird bevorzugt ein vernetztes Polyethylen (PE-X) oder ein Polyethylen mit erhöhter Temperaturbeständigkeit (PE-RT) eingesetzt. Unter einem Polyethylen mit erhöhter Temperaturbeständigkeit wird dabei ein Polyethylen verstanden, welches vergleichsweise lange Seitenketten aufweist, die eine gewisse Verhakung der einzelnen Polymerketten aneinander bewirken und bei einer mäßigen Erwärmung viskoses Fließen der Polymerketten vermeiden.
  • Die vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehende Metallfolie weist üblicherweise eine Dicke zwischen 100 μm (Mikrometer) und 1.500 μm auf. Für die üblichen Einsatzgebiete ist vorzugsweise eine Dicke zwischen 200 μm und 800 μm vorgesehen. Die hohe Festigkeit des Kunststoff-Metall-Verbundrohres wird insbesondere dadurch erreicht, dass das metallische Material an den Rändern zur Bildung eines Stoffschlusses lokal aufgeschmolzen wird. Durch den Stoffschluss kann ein Aufbrechen der Verbindung sicher vermieden werden. Der Stoffschluss kann durch eine gerade, in Rohrlängsrichtung verlaufende Schweißnaht erreicht werden, die vorzugsweise durch WIG-Schweißen oder Laserschweißen gebildet ist. Das Verfahren des Laserschweißens zeichnet sich dadurch aus, dass aufgrund des hohen, punktuellen Energieeintrages eine vollständige Materialaufschmelzung bei einer gleichzeitig hohen Eindringtiefe erreicht werden kann.
  • Durch die Erzeugung einer Perforation mit einem Durchmesser der Löcher von erfindungsgemäß weniger als 1 mm, vorzugsweise weniger als 0,5 mm kann im Rahmen der Erfindung eine deutliche Erhöhung der Stabilität erreicht werden. Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung betrifft die Ausrichtung der Perforation in Bezug auf die Längsrichtung und die Umfangrichtung des Kunststoff-Metall-Verbundrohres. So kann vorgesehen sein, dass die Verbindungslinien zwischen jeweils am Nächsten benachbarten Löchern der Perforation schräg zur Rohrlängsrichtung angeordnet sind. Aufgrund der schrägen Anordnung kann unabhängig von dem Zuschnitt der Metallfolie sicher vermieden werden, dass genau entlang der Schweißnaht, die gerade in Rohrlängsrichtung verläuft, eine Reihe von benachbarten Perforationslöchern angeordnet ist. Des Weiteren ist es von Nachteil, wenn in Umfangrichtung Perforationslöcher in unmittelbarer Folge angeordnet sind, da in einem solchen Fall bei einer Biegung im Bereich der höchsten Biegebeanspruchung die Gefahr eines Aufreißens entlang der in Umfangrichtung verlaufenden Perforation besteht. Aus diesem Grund sind auch die Verbindungslinien zwischen jeweils benachbarten Löchern der Perforation bezogen auf die Umfangtrichtung schräg angeordnet.
  • Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung des zuvor beschriebenen Kunststoff-Metall-Verbundrohres, wobei eine erste Kunststoffschicht bereitgestellt oder erzeugt wird, wobei in einer Metallfolie eine Perforation aus flächig verteilten Löchern mit jeweils einem Durchmesser von weniger als 1 mm, vorzugsweise weniger als 0,5 mm, erzeugt wird, wobei die Metallfolie derart um die erste Kunststoffschicht gelegt wird, dass die Ränder der Metallfolie aneinander angrenzen oder überlappt angeordnet sind und wobei zur Bildung eines umfangseitig geschlossenen Metallrohres die Ränder der Metallfolie unter lokaler Aufschmelzung des metallischen Materials stoffschlüssig verbunden werden.
  • Vorzugsweise wird zur Bildung des Metallrohres eine Schweißnaht mit einem Laser erzeugt, die gerade oder in Form einer Spirale in Rohrlängsrichtung verläuft. Um eine sichere Verbindung mit der ersten Kunststoffschicht und einer optional vorgesehenen außenliegenden zweiten Kunststoffschicht zu erreichen, wird vorzugsweise ein Haftvermittler eingesetzt. Nach der Bildung des umfangseitig geschlossenen Metallrohres wird dann die Haftvermittlerschicht durch Erwärmung erweicht und/oder expandiert, wobei die innenliegende erste Kunststoffschicht und die optional vorgesehene zweite Kunststoffschicht vollflächig mit dem Metallrohr verklebt wird. Dabei kann verdrängte Luft durch die Perforation hindurchtreten, jedoch ist die Perforation zweckmäßigerweise so auf die Viskosität des Haftvermittlers eingestellt, dass dieser nicht durch die Perforation hindurchtreten kann. Entsprechend kann vermieden werden, dass durch den unkontrollierten Austritt von Haftvermittler durch die Perforation an der Außenfläche des Kunststoff-Metall-Verbundrohres eine ungleichmäßige, wellige Oberfläche entsteht. Um den Haftvermittler aufzuschmelzen kann beispielsweise eine induktive Aufheizung des Metallrohres vorgesehen sein.
  • Während die aus dem Stand der Technik bekannten Perforationen üblicherweise durch Stanzen gebildet werden, kann im Rahmen der Erfindung eine vergleichsweise einfache und kostengünstige Erzeugung mittels eines Nagelwerkzeugs oder einer Nagelwalze vorgesehen sein. Dabei gebildete Aufwerfungen können grundsätzlich nachträglich entfernt werden. Aufgrund der erfindungsgemäßen kleinen Durchmesser ist dies in der Regel aber nicht erforderlich. Vielmehr können die gebildeten Aufwerfungen durch eine Erhöhung der Oberflächenrauhigkeit zu einer Verbesserung der Verbundfestigkeit beitragen. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, die Perforation mit einem Laser zu erzeugen. Die Perforation wird vorzugsweise, wie zuvor beschrieben, derart erzeugt, dass nach der Bildung des Metallrohres die Verbindungslinien zwischen jeweils am nächsten benachbarten Löchern der Perforation schräg in Bezug auf die Schweißnaht und/oder die Rohrlängsrichtung und/oder die Umfangrichtung angeordnet sind.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung erläutert:
  • 1a Die Schichten eines erfindungsgemäßen Kunststoff-Metall-Verbundrohres,
  • 1b ein Schnitt entlang der Linie A-A der 1a,
  • 2 eine für die Bildung eines Metallrohres vorgesehene Metallfolie nach der Erzeugung einer Perforation.
  • Das in 1a und 1b dargestellte Kunststoff-Metall-Verbundrohr umfasst eine an der Rohrinnenseite angeordnete erste Kunststoffschicht 1, die über eine Haftvermittlerschicht 2 mit einer Metallfolie 3 als Verstärkungsschicht verbunden ist. Die Metallfolie 3 ist mit einer Perforation versehen, wobei die einzelnen Löcher 4 jeweils einen Durchmesser von weniger als 1 mm, vorzugsweise weniger als 0,5 mm aufweisen.
  • Die Löcher 4 können beispielsweise durch ein Nagelwerkzeug, eine Nagelwalze oder einen Laser erzeugt sein. Des Weiteren ist die Metallfolie 3 durch eine in Längsrichtung verlaufende und mit einem Laser erzeugte Schweißnaht 5 zu einem umfangseitig geschlossenen, selbsttragenden Metallrohr geformt. Über weitere Haftvermittlerschichten 2', 2'' schließen an das Metallrohr außenseitig eine zweite Kunststoffschicht 6 aus EVOH und eine dritte Kunststoffschicht 7 an. Die erste Kunststoffschicht 1 und die dritte Kunststoffschicht 7 bestehen jeweils aus Polyethylen (PE), vorzugsweise einem vernetzten Polyethylen (PE-X) und oder einem Polyethylen mit erhöhter Temperaturbeständigkeit (PE-RT).
  • Durch die Perforation wird erreicht, dass Wasserdampf, welcher aus dem Innern des Kunststoff-Metall-Verbundrohres durch die erste Kunststoffschicht 1 hindurch diffundiert, durch die Metallfolie 3 sowie durch die zweite Kunststoffschicht 6 und die dritte Kunststoffschicht 7 abgeleitet wird, so dass eine Korrosion der Metallfolie 3 oder eine Delamination im Bereich der Metallfolie 3 vermieden werden können. Das in der zweiten Kunststoffschicht 6 vorgesehene EVOH stellt dabei eine gute Barriere gegen Luftsauerstoff dar, so dass trotz der Perforation der Metallfolie 3 der Eintritt von Luftsauerstoff weitestgehend vermieden werden kann.
  • 2 zeigt die für die Bildung des Metallrohres vorgesehene Metallrohr 3 im ebenen, unverformten Zustand. Einer vergleichenden Betrachtung der 1a und 2 ist zu entnehmen, dass die Perforation, d. h. die Verbindungslinien a, b zwischen jeweils am nächsten benachbarten Löchern 4 der Perforation, schräg zur Rohrlängsrichtung x und zur Umfangrichtung y angeordnet sind. Dadurch wird erreicht, dass an den Rändern 8, an denen die Metallfolie 3 zur Bildung des Metallrohres miteinander verschweißt sind, lediglich vereinzelnd Löcher 4 im Anschnitt vorhanden sind. Ferner besteht die Möglichkeit, in den miteinander zu verschweißenden Randbereichen keine Löcher vorzusehen. Unabhängig von dem Zuschnitt der Metallfolie 3 kann durch die schräge Ausrichtung sicher vermieden werden, dass entlang der Ränder 8 eine Reihe von benachbarten Löchern 4 hintereinander angeordnet ist, was die Bildung der Schweißnaht 5 erschweren und die Festigkeit beeinträchtigen könnte. Zusätzlich ist vorgesehen, dass die Perforation schräg in Bezug auf die Umfangsrichtung y verläuft. Dadurch kann die Gefahr vermieden werden, dass bei einer Biegung des Kunststoff-Metall-Verbundrohres die Metallfolie 3 im Bereich der stärksten Krümmung entlang der Perforation aufbricht. Aufgrund des geringen Durchmessers der Löcher 4 von weniger als 1 mm, vorzugsweise weniger als 0,5 mm kann bei einem typischen Flächenanteil der Löcher von 2% bis 20%, vorzugsweise 5% bis 15% in Bezug auf die gesamte Umfangsfläche eine sehr hohe Festigkeit erreicht werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - EP 0567667 A1 [0002]

Claims (15)

  1. Kunststoff-Metall-Verbundrohr, insbesondere für die Hausinstallation, mit mindestens einer an der Rohrinnenseite angeordneten ersten Kunststoffschicht (1), die von einer Metallfolie (3) umgeben ist, wobei die Metallfolie (3) eine Perforation aus flächig verteilten Löchern (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ränder (8) der Metallfolie (3) durch einen direkten, unter lokaler Aufschmelzung des metallischen Materials gebildeten Stoffschluss verbunden sind, so dass die Metallfolie (3) ein umfangseitig geschlossenes Metallrohr bildet und dass der Durchmesser der Löcher (4) kleiner als 1 mm, vorzugsweise kleiner als 0,5 mm ist.
  2. Kunststoff-Metall-Verbundrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kunststoffschicht (1) aus Polyethylen, vorzugsweise einem vernetztem Polyethylen (PE-X) oder einem Polyethylen mit erhöhter Temperaturbeständigkeit (PE-RT) besteht.
  3. Kunststoff-Metall-Verbundrohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Flächenanteil der Löcher (4) in Bezug auf die Gesamtfläche der Metallfolie zwischen 2% und 20% beträgt.
  4. Kunststoff-Metall-Verbundrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallfolie (3) aus Aluminium besteht und eine Dicke zwischen 100 μm und 1,5 mm aufweist.
  5. Kunststoff-Metall-Verbundrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine zweite Kunststoffschicht (6, 7) als Deckschicht vorgesehen ist, welche das gebildete Metallrohr umgibt.
  6. Kunststoff-Metall-Verbundrohr nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallfolie (3) zwischen zwei Haftvermittlerschichten (2, 2') angeordnet ist.
  7. Kunststoff-Metall-Verbundrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallrohr durch eine gerade, in Rohrlängsrichtung (x) verlaufende, vorzugsweise durch Laserschweißen erzeugte Schweißnaht (5) geschlossen ist.
  8. Kunststoff-Metall-Verbundrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungslinien (a, b) zwischen jeweils am nächsten benachbarten Löchern (4) der Perforation schräg zu der Rohrlängsrichtung (x) angeordnet sind.
  9. Kunststoff-Metall-Verbundrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände zwischen benachbarten Löchern (4) der Perforation kleiner als die Dicke der ersten Kunststoffschicht (1) sind.
  10. Verfahren zur Herstellung eines Kunststoff-Metall-Verbundrohres nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine erste Kunststoffschicht (1) bereitgestellt oder erzeugt wird, wobei in einer Metallfolie (3) eine Perforation aus flächig verteilten Löchern (4) mit jeweils einem Durchmesser von weniger als 1 mm, vorzugsweise weniger als 0,5 mm, erzeugt wird, wobei die Metallfolie (3) derart um die erste Kunststoffschicht (1) gelegt wird, dass die Ränder (8) der Metallfolie (3) aneinander angrenzen oder überlappend angeordnet sind, und wobei zur Bildung eines umfangseitig geschlossenen Metallrohres, die Ränder (8) der Metallfolie (3) unter lokaler Aufschmelzung des metallischen Materials stoffschlüssig verbunden werden.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Metallfolie (3) mit einer geraden oder einer in Form einer Spirale in Rohrlängsrichtung (x) verlaufenden und von einem Laser erzeugten Schweißnaht (5) versehen wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei zwischen der Metallfolie (3) und der innenliegenden ersten Kunststoffschicht (1) eine Haftvermittlerschicht (2) angeordnet wird und wobei nach der Bildung des umfangseitig geschlossenen Metallrohres die Haftvermittlerschicht (2) durch Erwärmung erweicht und/oder expandiert wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei zur indirekten Erwärmung der Haftvermittlerschicht (2) die Metallfolie (3) induktiv aufgeheizt wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei nach der Bildung des Metallrohrs zumindest eine die Folie umgebende zweite Kunststoffschicht (6, 7) als Deckschicht aufgebracht wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die Perforation durch ein Nagelwerkzeug oder eine Nagelwalze erzeugt wird.
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