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Die Erfindung betrifft ein aus Feinblech hergestelltes Tiefziehbauteil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Tiefziehbauteils sowie ein Strukturierungswerkzeug zur Anwendung in diesem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7
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Generell betrifft die Erfindung das Versehen eines aus Feinblech hergestellten Tiefziehbauteils mit einer Strukturierung. Als Strukturierung werden hierbei relativ geringe, örtlich begrenzte Abweichungen des Tiefziehbauteils von einer durch das Tiefziehen vorgegebenen Sollform verstanden, die z. B. in Form von Noppen, Sicken oder ähnlichen Vertiefungen ausgeführt sind. Als Strukturierung sei insbesondere eine Gestaltabweichung 2. Ordnung gemäß DIN 4760 verstanden. Das Vorsehen solcher Strukturierungen an Tiefziehbauteilen aus Feinblech ist grundsätzlich bekannt, z. B. bei der Herstellung von Fahrzeugbauteilen zur Bauteilverstärkung und um den jeweiligen Leichtbauanforderungen in der Fahrzeugindustrie gerecht zu werden. Das Vorsehen solcher Strukturierungen hat neben einer Gewichtsreduktion noch den Vorteil einer damit einhergehenden Ressourcenschonung bei gleichzeitiger Erhöhung der passiven Sicherheit. So hat z. B. ein 1 mm dickes Blechbauteil, das nicht strukturiert ist, dieselben Festigkeitseigenschaften wie ein 0,8 mm dickes Blech, das strukturiert ist. Solche Strukturierungen werden auch zu Verstärkungszwecken verwendet, z. B. zur Aussteifung von Beulfeldern oder zur Verstärkung von konstruktiv bedingten schwächeren Bereichen wie Öffnungen. Durch Strukturierungen von Bauteilen kann eine gezielte Beeinflussung des Crash-Verhaltens, wie z. B. das Knick- und Faltungsverhalten, geleistet werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Möglichkeiten anzugeben, mit denen der durch Strukturierung eines aus Feinblech hergestellten Tiefziehbauteils erzielte Verstärkungs- und Stabilisierungseffekt gegenüber bisher bekannten Vorgehensweisen möglichst kostengünstig deutlich verbessert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1, 4 und 7 angegebene Erfindung gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.
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Gemäß Anspruch 1 sind einer oder mehrere bestimmte Bereiche eines aus Feinblech hergestellten Tiefziehbauteils mit einer Strukturierung versehen, die durch ein Massivumformverfahren hergestellt sind. Hierbei sind die übrigen Bereiche des Tiefziehbauteils, d. h. die nicht mit einer Strukturierung versehenen Bereiche, in dem Zustand belassen, der sich nach dem Tiefziehen eingestellt hat. Im Unterschied zum Stand der Technik, gemäß dem Strukturierungen durch einfaches Eindrücken eines Strukturierungswerkzeugs in das Blech erfolgte, was lediglich eine zweidimensionale Umformung ergab, wird erfindungsgemäß das Herstellen einer Strukturierung durch ein Massivumformverfahren vorgeschlagen. Unter Massivumformung versteht man die Umformung von Rohteilen, die im Gegensatz zur klassischen zweidimensionalen Blechumformung in allen drei Raumrichtungen erfolgt und in allen drei Raumrichtungen ähnliche Abmessungen aufweist, z. B. gemäß DIN 8582. Der so genannte Umformgrad ist bei Massivumformverfahren charakteristischerweise im Vergleich zu zweidimensionalen Blechumformverfahren vergleichsweise groß. Vorteilhaft betragt der Umformgrad φ des Massivumformverfahrens wenigstens 2.
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Durch Herstellen der Strukturierung mittels Massivumformung erfolgt neben der durch die Änderung der Geometrie bedingten Versteifung eine zusätzliche Versteifung in Folge einer Erhöhung des Flächenträgheitsmoments.
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Durch das Erzeugen der Strukturierung durch Massivumformung werden Versetzungsbewegungen in dem Material hervorgerufen, die zu überproportionalen Werkstoffverfestigungen führen, was auch darin begründet ist, dass bei einer Massivumformung im Vergleich zu anderen Blechumformverfahren überproportionale Umformgrade ? auftreten. Je nach Werkstoff können noch weitere festigkeitssteigernde Effekte durch die Massivumformung hervorgerufen werden.
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Ein Feinblech ist gemäß DIN EN 10048 ein Blech mit einer Stärke von weniger als 3 mm.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass durch Erzeugen der Strukturierung durch ein Massivumformverfahren eine deutliche Verbesserung des Verstärkungseffekts durch die Strukturierung im Vergleich zu herkömmlichen zweidimensionalen Blechumformverfahren erzielt werden kann. Wie Untersuchungen der Erfinder gezeigt haben, kann mit der Erfindung bei Verwendung im Wesentlichen gleich bleibender Fertigungstechnologie eine bis zu zehnprozentige Verbesserung des Verstärkungseffekts der Strukturierung erzielt werden.
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Das auf diese Weise hergestellte und mit der Strukturierung versehene Tiefziehbauteil kann beispielsweise ein Karosserieteil für ein Kraftfahrzeug sein. Vorteilhaft kann die Strukturierung beim Tiefziehen des Feinblechs oder nach dem Tiefziehen erfolgen. Die Erfindung kann grundsatzlich mit Feinblechen unterschiedlichster Materialien vorteilhaft realisiert werden, wie z. B. Aluminium, Chrom-Nickel-Stähle oder Edelstähle.
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Gemäß der Erfindung sind nur einzelne Bereiche des Tiefziehbauteils mit der Strukturierung versehen und die übrigen Bereiche im Zustand nach dem Tiefziehen belassen. Dies hat den Vorteil, dass gezielt das Knick- und Faltungsverhalten des Tiefziehbauteils beeinflusst werden kann, so dass beispielsweise ein gewünschtes Crashverhalten erreicht wird.
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Durch die Erfinder durchgeführte Crashversuche mit strukturierten Demonstratoren, bestehend aus zwei Z-Profilhälften aus dem Werkstoff EN 1.4301, zeigen hierbei eine überproportionale Verbesserung der Crashperformance im Vergleich zu herkömmlich strukturierten Bauteilen hinsichtlich Faltungsverhalten, Deformationsweg und Energieabsorption.
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Das Tiefziehbauteil kann neben den durch Massivumformung mit der Strukturierung versehenen Bereichen und den belassenen Bereichen auch konventionell, d. h. ohne Massivumformung, hergestellte strukturierte Bereiche aufweisen, z. B. mit Sicken oder Noppen, die je nach Anwendungsfall vorgesehen werden. Dies hat den Vorteil, dass bei einer Vielzahl von Bauteilen die Bauteileigenschaften bei Beibehaltung der äußeren Ankonstruktion deutlich verbessert werden können.
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Gemäß einer vortellhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Massivumformverfahren das Fließpressen. Beim Fließpressen wird das umzuformende Material mit derart hohem Druck beaufschlagt, dass es in eine gewünschte Form fließt. Die Anwendung des Fließpressens hat den Vorteil, dass zwischen einer Hochdruckzone, in der beim Massivumformen der höchste Druck auf das Tiefziehbauteil ausgeübt wird, und den umgebenden, nicht der Massivumformung unterworfenen Bereichen eine Übergangszone entsteht, der den hochverfestigten Bereich in der Hochdruckzone mit den umgebenden Bereichen mit der ursprünglichen Blechdicke verbindet. Durch die Übergangszone werden vorteilhaft Kerbwirkungen vermieden. Insbesondere die Kombination einer fließgepressten Hochdruckzone, einer Übergangszone und einer Ursprungszone, in der das Tiefziehbauteil in dem Zustand belassen ist, der sich nach dem Tiefziehen eingestellt hat, führt zu einer erheblichen Verbesserung der Bauteileigenschaften.
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Gemäß der Erfindung besteht das Feinblech aus einem metastabilem austenitischem Stahlmaterial, insbesondere aus Edelstahl oder einem Restaustenitstahl. Dies hat den Vorteil, dass durch das Einbringen der Strukturierung mittels Massivumformung ein zusätzlicher Verstärkungseffekt des Tiefziehbauteils erzielt werden kann, der daraus resultiert, dass infolge der durch die Massivumformung hervorgerufenen lokalen Verformung des Blechmaterials eine Umwandlung von Austenit in α'-Martensit erfolgt. Die in α'-Martensit umgewandelten Bereiche zeigen eine zusätzlich erhöhte Festigkeit gegenüber Bereichen, in denen keine Umwandlung erfolgt ist. Weitere Vorteile sind neben einer ausgezeichneten Oberflächenqualität die gute Umformbarkeit des Blechmaterials, die hervorragende Crash-Performance aufgrund der hohen Duktilität des Materials sowie eine hohe Korrosionsbeständigkeit und eine damit einhergehende Reduzierung von Wartungs- bzw. Reparaturkosten. Ein geeignetes Stahlblechmaterial ist z. B. ein Edelstahl wie der EN 1.4301.
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Gemäß der Erfindung weist das Tiefziehbauteil in den strukturierten Bereichen eine Materialstärke im Bereich von 30% bis 70% des ursprünglichen Feinblechs auf. Untersuchungen haben ergeben, dass in diesem Bereich das beste Verhältnis zwischen Verstärkungseffekt durch die Strukturierung und der mit der Materialstärkenverringerung infolge der Strukturierung einhergehenden überproportionalen Verfestigung erzielt werden kann. Vorteilhaft wird die verbleibende Materialstärke in den strukturierten Bereichen je nach verwendetem Blechmaterial festgelegt. So wird vorteilhaft bei Material mit geringerer Eigenfestigkeit, wie z. B. Aluminium, die verbleibende Materialstärke eher im Bereich von 70% gewählt, während bei hochfesten Edelstahlmaterialien auch eine geringere verbleibende Materialstärke zu optimalen Ergebnissen führt.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Strukturierung in Form einer Mehrzahl von Noppen, Sicken oder ähnlichen Vertiefungen gebildet.
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Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines Tiefziehbauteils der zuvor beschriebenen Art weist folgende Schritte auf:
- a) Tiefziehen eines aus einem metastabilen austenitischen Material bestehenden Feinblechs in einer Tiefziehmaschine,
- b) Strukturieren von einem oder mehreren Bereichen des hierdurch entstandenen Tiefziehbauteils durch ein Massivumformverfahren und Belassen der übrigen Bereiche des Tiefziehbauteils.
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Hierdurch kann ein Tiefziehbauteil mit den eingangs genannten Vorteilen auf einfache und kostengünstige Weise hergestellt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird das Tiefziehbauteil zumindest in den mit der Strukturierung versehenen Bereichen beim Herstellen der Strukturierung gekühlt. Hierdurch kann die beim Massivumformprozess entstehende Umformwärme kompensiert werden. So kann beispielsweise das Umformwerkzeug, das für die Massivumformung verwendet wird, mit einer Kühleinrichtung versehen sein. Die Kühlung hat den Vorteil, dass der Umwandlungsprozess von Austenit in Martensit weiter gefördert wird. Es wurde nämlich festgestellt, dass bei zu großem Wärmeeinfluss, etwa ab 80°C, die Martensitbildung verschlechtert bzw. unterdrückt wird. Vorteilhaft erfolgt daher bei dem Verfahren zur Herstellung des Tiefziehbauteils eine Kühlung zumindest in den mit der Strukturierung versehenen Bereichen beim Herstellen der Strukturierung. Die Kühlung kann beispielsweise auf Raumtemperatur durchgeführt werden. Weitere Verbesserungen können erreicht werden, wenn die Kühlung auf minus 5°C oder darunter erfolgt. Noch weitere Verbesserungen können beispielsweise bei einer Kühlung auf minus 20°C oder darunter erzielt werden. Hierdurch kann die Martensitbildung weiter gefördert werden, was wiederum den Verstärkungseffekt durch die Strukturierung verbessert. Ein vorteilhaftes Strukturierungswerkzeug zur Anwendung in einem der zuvor genannten Verfahren zur Herstellung eines Tiefziehbauteils der zuvor beschriebenen Art ist im Anspruch 8 angegeben.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Strukturierungswerkzeugs ist vorgesehen, dass dessen Oberwerkzeug und/oder Unterwerkzeug in dem an ein Strukturierungselement angrenzenden Bereich wenigstens eine Reservoirzone aufweist, in welche das bei der Massivumformung von dem Strukturierungselement beaufschlagte Material des Feinblechs pressbar ist. Mittels der Reservoirzone können vorteilhaft die oben genannten Übergangszonen hergestellt werden. Durch entsprechende Formgebung der Reservoirzone ist eine gewünschte Formgebung der Strukturierung erzielbar, z. B. eine mehr oder weniger starke Wölbung einer Noppe oder Sicke.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weisen die einander zugewandten Stirnflächen der Erhebungen und/oder der zugeordneten Vertiefungen in dem Strukturierungswerkzeug im Bereich der Hochdruckzone wenigstens eine Schräge auf. Durch die Schräge kann eine Art Keil an den Stirnflächen gebildet werden, was den Vorteil hat, dass die erforderlichen Kräfte beim Einsatz des Strukturierungswerkzeugs in dem Massivumformschritt verringert werden können. Insbesondere können die Kräfte damit in Größenordnungen abgesenkt werden, die mit üblichen in der Industrie verfügbaren Maschinen erzeugt werden können, so dass das Strukturierungswerkzeug besonders serienfertigungsfreundlich ausgebildet ist. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist das Strukturierungswerkzeug wenigstens eine Kühleinrichtung auf, z. B. in Form von Kühlflüssigkeitsdurchgängen, durch die ein Kühlfluid wie z. B. Stickstoff oder Kohlendioxid-Gas geleitet wird, oder in Form von Peltier-Elementen oder Ranquee-Hilsch-Rohren.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen
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1 den grundsätzlichen Ablauf beim Herstellen eines Tiefziehbauteils und
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2 beispielhafte Ausführungsformen von Strukturierungen eines Tiefziehbauteils und
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3 Detailansichten möglicher Strukturierungen und
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4 eine zweidimensionale Blechumformung gemäß dem Stand der Technik und
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5 die Herstellung einer Strukturierung mittels einer Massivumformung.
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In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet.
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Die 1 zeigt den an sich bekannten Vorgang bei der Herstellung eines Tiefziehbauteils aus Feinblech. Ein aus Feinblech bestehender Rohling 2, z. B. in Form eines ebenen plattenförmigen Blechs, wird in eine Tiefziehmaschine eingelegt. Die Tiefziehmaschine weist eine Ziehmatrize 4 und einen darüber angeordneten Ziehstempel 3 auf. Der Ziehstempel 3 ist umgeben von einem Niederhalter 5. Der Rohling 2 wird zunächst auf die Ziehmatrize 4 aufgelegt und mit dem Niederhalter 5 fixiert. Sodann wird der Ziehstempel 3 mit einer Kraft FO gegen den Rohling 2 gedrückt. Der Ziehstempel 3 zieht das Material des Rohlings 2 in die Ziehmatrize 4, die dabei eine Gegenkraft FU ausübt, hinein. Hierdurch entsteht das in 1 unten abgebildete Tiefziehbauteil 1.
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Die 2 zeigt zwei Beispiele für mit einer Strukturierung 6 versehene Tiefziehbauteile 1. Im links dargestellten Beispiel weist das Tiefziehbauteil 1 ein einzelnes Strukturierungselement der Strukturierung 6 auf. Im rechts dargestellten Bauteil weist das Tiefziehbauteil 1 zwei Gruppen von Mehrfach-Strukturierungselementen der Strukturierung 6 auf, z. B. in Form einer Mehrzahl von Noppen, Sicken oder anderen ähnlichen Vertiefungen.
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Die 3 zeigt zwei grundsätzliche Prinzipien für die Ausbildung der Strukturierung 6. Im links dargestellten Beispiel weist die Strukturierung 6 eine zur Unterseite des Tiefziehbauteils hin ausgebuchtete Vertiefung 30 auf. Im rechts dargestellten Beispiel weist die Strukturierung 6 eine nach oben hin ausgebuchtete Vertiefung 31 auf. Die Strukturierung 6 kann auch aus einer Kombination der dargestellten Vertiefungen 30, 31 bestehen.
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Die 4 zeigt die Herstellung einer Strukturierung gemäß dem Stand der Technik. Hierbei werden Vertiefungen z. B. durch Streckziehen erzeugt. Charakteristisch für die Umformtechniken nach dem Stand der Technik ist, dass eine zweidimensionale Umformung erfolgt, d. h. die Blechdicke bleibt im Wesentlichen erhalten. Es liegen somit nur geringe Umformgrade vor. In der 4 ist das Tiefziehbauteil 1 ausschnittsweise dargestellt, und zwar zwischen einem Oberwerkzeug 40 und einem Unterwerkzeug 41 eines Streckziehwerkzeugs. Wie erkennbar ist, weist das Tiefziehbauteil 1 im Bereich einer Vertiefung 42 die gleiche Materialstärke A auf wie in den benachbarten, nicht durch Streckziehen verformten Bereichen des Tiefziehbauteils 1.
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Die 5 zeigt dagegen die Herstellung der Strukturierung 6 mittels Fließpressen. Das wie in 4 ausschnittsweise dargestellte Tiefziehbauteil 1 befindet sich zwischen einem Oberwerkzeug 50 und einem Unterwerkzeug 51 eines Strukturierungswerkzeugs, das als Fließpresswerkzeug ausgebildet ist. Die 5 zeigt dabei den Endzustand nach Durchführen des Fließpressens, in dem als Strukturierung eine Vertiefung 52 erzeugt wurde. Im dargestellten Beispiel weist das Oberwerkzeug 50 eine als Stempel wirkende Erhebung 56 auf. Das Unterwerkzeug 51 weist eine als Matrize wirkende Vertiefung 57 auf. Zwischen der Erhebung 56 und der Vertiefung 57 wird zwischen den einander gegenüber liegenden Stirnflächen der Erhebung und der Vertiefung eine Hochdruckzone 54 gebildet, in der das Material des Tiefziehbauteils 1 beim Fließpressen mit dem beim Fließpressvorgang auftretenden maximalen Druck beaufschlagt wird. Durch diese Druckbeaufschlagung in der Hochdruckzone 54 fließt das Material aus der Hochdruckzone 54 in benachbarte Zonen, die als Reservoirzonen 53 ausgebildet sind. Die Reservoirzonen 53 sind derart ausgebildet, dass der Abstand zwischen dem Oberwerkzeug 50 und dem Unterwerkzeug 51 zumindest stellenweise größer ist als die ursprüngliche Materialstärke A, so dass das Material aus der Hochdruckzone 54 ausreichend Raum hat, diese zu verlassen und in die Reservoirzonen 53 zu fließen. Wie erkennbar ist, weist das Tiefziehbauteil 1 nach dem Fließpressvorgang in der Hochdruckzone 54 eine Materialdicke B auf, die geringer ist als die ursprüngliche Materialstärke A des Feinblechs. In der Reservoirzone 53 weist das Tiefziehbauteil eine Materialstärke C auf, die größer ist als die ursprüngliche Materialstärke A des Feinblechs.
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Selbstverständlich ist es möglich, die Erhebung 56 auch in dem Unterwerkzeug 51 und die Vertiefung 57 stattdessen in dem Oberwerkzeug 50 vorzusehen.
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Die beim Fließpressvorgang aufzubringenden Kräfte liegen z. B. bei 75 kN pro Hochdruckzone oder darüber.
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In der 5 ist zusätzlich ein oval umrandeter Bereich der Hochdruckzone 54 in Form einer Ausschnittsvergrößerung 55 vergrößert dargestellt. Anhand der Ausschnittsvergrößerung 55 wird eine vorteilhafte Weiterbildung des Strukturierungswerkzeugs dargestellt, bei dem die Erhebung 56 mit einer schrägen Stirnfläche versehen ist. Die Stirnfläche der Erhebung 56 weist eine Schräge 58 mit einem Winkel α auf. Zusätzlich ist die Vertiefung 57 im Bereich der Hochdruckzone 54 mit einer schrägen Stirnfläche versehen. Diese Schräge 58 weist einen Winkel β auf. Hierdurch werden konusförmige Stirnflächen der Erhebung 56 bzw. der Vertiefung 57 gebildet. Die Winkel α, β weisen vorteilhaft den gleichen Wert auf, z. B. 7 Grad.
