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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung formgehärteter Bauteile, insbesondere zur Herstellung von Karosseriebauteilen, bei welchem eine Platine aus Stahl in einer Erwärmungsanlage auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur des Stahls erwärmt und in einem Werkzeug anschließend formgehärtet wird und bei welchem die Platine im Anschluss an die Erwärmung in der Erwärmungsanlage und unmittelbar vor dem Formhärten der Platine in dem Werkzeug thermomechanisch umgeformt wird, wobei die thermomechanische Umformung bei einer Temperatur zwischen 900 und 1.100°C und durch ein die Platinendicke reduzierendes Warmwalzen erfolgt.
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Formhärten ist ein Verfahren der Warmumformung von als Platinen vorliegenden Blechen, welches in der Literatur auch als Presshärten bezeichnet wird. Bei dem Verfahren werden zunächst die Platinen aus Stahl, beispielsweise einer Bor-Mangan-Stahl-Legierung, aus einem bestehenden Endlosband (Coil) zugeschnitten. Die Platine kann jede geometrische Form annehmen und weist vorzugsweise bereits die zweidimensionale Grundform des formzuhärtenden Bauteils auf. Anschließend werden die Platinen in einem Ofen oder durch Induktionserwärmung bei etwa 950°C austenitisiert, wodurch sich die Gitterstruktur des Stahls verändert. Die derart erwärmten Platinen werden dann in eine Umformpresse, in die ein spezielles, wassergekühltes Werkzeug eingebaut ist, eingelegt. Während des Schließvorgangs der Presse wird das Material der Platine durch das Werkzeug dreidimensional umgeformt. Nach vollständigem Schließen des Werkzeugs beginnt die Haltezeit, in der die Platine abgeschreckt und die Wärme innerhalb weniger Sekunden abgeleitet wird. Die Haltezeit beträgt für gewöhnlich weniger als 20 Sekunden und ist unter anderem von den Faktoren Bauteiloberfläche, Menge und Art des Materials, Wärmeleitfähigkeit von Zwischenschichten sowie Werkzeug und zu erzielende Bauteilhärte abhängig. Nach Ablauf der Haltezeit wird das Bauteil bei einer Temperatur zwischen 150 und 250°C entnommen. Durch die rasche Abkühlung bildet sich eine martensitische Gefügestruktur im Stahl aus, die für die hohen Festigkeiten verantwortlich ist. Eine Gefügebeeinflussung ist dabei im Wesentlichen nur durch die verschiedenen Umformgrade in der Umformpresse und die sich einstellenden Temperaturgradienten möglich. Um eine Grobkornbildung während der Austenitisierung des Stahls in der Erwärmungsphase im Ofen zu vermeiden, ist es erforderlich, auf mikrolegierte Feinkornstähle zurückzugreifen
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Aufgrund der Zielsetzung, möglichst ressourcenschonend, kostengünstig und umweltfreundlich zu produzieren, fällt in den letzten Jahren dem Formhärten mehr und mehr Bedeutung zu. Der Vorteil dieses Verfahrens ist es, mit einem reduzierten Einsatz an Material und somit einem verringerten Gewicht die gleiche bzw. sogar eine höhere Festigkeit von Formblechteilen zu erreichen als mit konventionellen Umformtechniken.
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In der Praxis wird die Technologie Formhärten/Presshärten im Serienbetrieb zur Herstellung von Karosseriebauteilen für Kraftfahrzeuge eingesetzt. Das Formhärten ermöglicht die Herstellung von höchstfesten Karosseriebauteilen im Leichtbau der Automobilindustrie. Das Formhärten wird in zwei alternativen Verfahren, dem direkten und dem indirekten Verfahren, ausgeführt. Beim direkten Verfahren wird die Platine nach dem Zuschnitt in einem Ofen erwärmt und beim indirekten Verfahren wird die Platine nach dem Zuschnitt in einer Presse vorgeformt und anschließend im Ofen erwärmt.
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Ein Verfahren zur Herstellung formgehärteter Bauteile t ist bereits aus der
DE 10 2005 041 741 A1 bekannt. Bei diesem Verfahren wird zunächst ein als Platine ausgebildetes Halbzeug aus ungehärtetem, warm umformbarem Stahl hergestellt. Die Platine wird anschließend in einer als Ofen ausgebildeten Erwärmungsanlage erwärmt, bevor sie dann abschließend in einem Warmumformwerkzeug formgehärtet wird.
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Die Anforderungen an die Automobilhersteller im Bereich des Leichtbaus sind in den letzten Jahren drastisch gestiegen und werden auch in der nahen Zukunft weiter zunehmen. Um den Anforderungen bezüglich der Senkung des CO2-Ausstoßes und den Forderungen nach der Erhöhung der Crashsicherheit der Fahrzeuge sowie der Erhöhung der Insassensicherheit gerecht zu werden, ist bereits daran gedacht worden, die Karosseriebauteile der Fahrzeuge durch sogenannte ”Tailored Rolled Blanks” herzustellen. Tailored Rolled Blanks sind eigens hergestellte, maßgewalzte Platinen, die in Walzrichtung variierende Blechdicken aufweisen, um die Karosserieteile speziell auf die Anforderungen in Bezug auf eine Gewichtsoptimierung und Crashsicherheit auszulegen. Die Vorteile dieser Tailored Rolled Blanks liegen darin, dass kein Schweißvorgang erforderlich ist und ein homogener Übergang zwischen den Bereichen mit unterschiedlicher Dicke entsteht. Zu den auf den jeweiligen Einsatzzweck angepassten positiven Eigenschaften der Tailored Rolled Blanks zählen die Crashsicherheit und eine Gewichtsreduzierung der hergestellten Bauteile. Nachteilig erweist sich bei diesem Verfahren allerdings die Abhängigkeit von vorgelagerten Produktions- und Lieferprozessen.
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Aus der
DE 10 2008 020 473 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von in der Dicke variierenden, flächigen Blechplatinen, insbesondere zur Fertigung von Bauteilen für Kraftfahrzeuge, bekannt. Hierbei wird zunächst als Ausgangswerkstück eine Blechplatine mit einer variablen Blechdicke vorgefertigt. Anschließend wird die vorgefertigte Blechplatine partiell nachbearbeitet, insbesondere nachgeprägt, sodass die Dicke der Blechplatine, welche bereits eine variable Blechdicke aufweist, lokal geändert wird.
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Weiterhin wird in der
DE 102 46 164 A1 ein Verfahren zur Herstellung von warmgeformten und vergüteten Strukturbauteilen beschrieben. Bei dem Verfahren wird zunächst ein Metallband bereitgestellt, welches durch flexibles Walzen so hergestellt ist, dass über die Länge des Metallbands Bandabschnitte mit unterschiedlicher, den jeweiligen Belastungen des Bauteils angepasster Banddicke erzielt werden. Eine aus dem Metallband entnommene Platine wird anschließend einem Warmformprozess zugeführt und vergütet.
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Die
DE 10 2006 032 617 B4 beschreibt bereits ein Verfahren zur Herstellung eines zum Formhärten geeigneten Blechhalbzeugs, bei dem das Blechhalbzeug auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur erwärmt und dann in einer Warmwalzstraße thermomechanisch umgeformt wird, sodass das Blechhalbzeug eine hohe Kornfeinheit und einen vorgewählten Rekristallisationsgrad aufweist. Im Anschluss an die Herstellung des Blechhalbzeugs schließt sich ein Formhärtungsschritt an. Die thermomechanische Umformung erfolgt durch Warmwalzen.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines formgehärteten Bauteils zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren zur Herstellung eines formgehärteten Bauteils, insbesondere eines Karosseriebauteils, vorgesehen, bei welchem die thermomechanische Umformung mit einem Umformgrad von mindestens 15% erfolgt und bei welchem die Platine durch den Walzvorgang von der Erwärmungsanlage zu dem Werkzeug transportiert wird, in welchem die Platine formgehärtet wird. Während bei den herkömmlich bekannten Verfahren zum Formhärten von Bauteilen durch die lange Anwärmphase im Ofen die Gefahr der Grobkornbildung im Austenitbereich besteht, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch die dem Erwärmungsprozess nachgelagerte thermomechanische Umformung eine Kornfeinung durch Rekristallisation möglich. Die Erzeugung eines feineren, kleineren Korns im Gefüge ist das Ergebnis einer zeitlich gesteuerten Rekristallisation, die in Folge der Umformung des sich während der Erwärmung in der Erwärmungsanlage einstellenden groben Austenitgefüges ausgelöst und durch Halten auf einer Temperatur im homogenen stabilen oder metastabilen Austenitbereich vor der Umwandlung im gesamten Platinenvolumen eingestellt wird. Die erfindungsgemäße zwischengeschaltete thermomechanische Umformung sollte mit einem Mindestumformgrad von minimal 15% durchgeführt werden, damit bei entsprechender Austenitisierungstemperatur von etwa 900 bis 1.100°C, je nach chemischer Zusammensetzung des verwendeten Stahls, die Rekristallisation ausgelöst wird. Das sich durch die thermomechanische Umformung einstellende feinkörnige Austenitgefüge hat im Vergleich zu dem grobkörnigen Austenitgefüge verbesserte Umformeigenschaften, die sich positiv auf den anschließenden Formhärteprozess auswirken. Außerdem können hierdurch in dem beispielsweise als Karosseriebauteil ausgebildeten, formgehärteten Bauteil ein feinkörniges Endgefüge und damit verbesserte Gebrauchseigenschaften eingestellt werden, welche sich durch verbesserte plastische Eigenschaften (z. B. Dehnung und Einschnürung) bei gleicher oder erhöhter Festigkeit des Bauteils gegenüber einem mittels herkömmlicher bekannter Formhärteverfahren ohne zwischengeschaltete thermomechanische Behandlung auszeichnen.
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Durch den zwischengeschalteten Umform- bzw. Walzvorgang wird neben der thermomechanischen Behandlung der Platine gleichzeitig auch der Transport der Platine zu dem als Umformpresse ausgebildeten Werkzeug durchgeführt, in welchem anschließend die Platine formgehärtet wird. Ein zusätzliches Transportband mit einem separaten Antrieb oder Handhabungsrobotern sind nicht erforderlich.
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Ein Umformgrad von mindestens 15% kann besonders effektiv dadurch erreicht werden, dass die thermomechanische Umformung durch ein die Platinendicke reduzierendes Warmwalzen, insbesondere in einem Quarto-Walzwerk, erfolgt. Im Gegensatz zu einem aus zwei Arbeitswalzen bestehenden Walzwerk hat das Quarto-Walzwerk zusätzlich zu den beiden Arbeitwalzen noch zwei zusätzliche Stützwalzen. Diese Stützwalzen ermöglichen zum einen eine Verringerung des Arbeitswalzendurchmessers, zum anderen reduzieren sie das Durchbiegen der Arbeitswalzen aufgrund der hohen Walzkräfte.
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Hierbei erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn die Platine in einem einzigen Stich, insbesondere mit einer Platinendickenreduzierung zwischen 15 und 35%, umgeformt wird. Durch die Umformung der Platine in einem Stich, also in einem einzigen Durchgang durch die Walzen bzw. den Walzspalt, wird ein homogener Umformprozess zur Verfügung gestellt, durch welchen neben einer Reduzierung der Platinendicke eine wesentliche Kornfeinung im austenitischen Gefüge erzeugt werden kann. Durch das Flachwarmwalzen wird eine Reduzierung der Platinendicke von 15 bis 35% erreicht.
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Eine weitere besonders zweckmäßige Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens wird auch dadurch geschaffen, dass während eines Walzvorgangs unterschiedliche Walzkräfte auf die Platine einwirken, durch welche über die Form der Platine zumindest bereichsweise unterschiedliche Platinendicken erzeugt werden. Hierdurch lässt sich die Dicke der Platine und damit auch die Dicke des formgehärteten Bauteils optimal an den jeweiligen Einsatzfall anpassen. Beispielsweise können partielle Bereiche von Karosseriebauteilen welche besonderen Belastungen ausgesetzt sind, dicker ausgebildet sein als die Bereiche, in welchen die Belastungen nicht so hoch sind.
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Als besonders praxisnah hat es sich erwiesen, dass die unterschiedlichen Walzkräfte während des Walzvorgangs dadurch erzeugt werden, dass die Abmessungen eines zwischen zwei Arbeitswalzen angeordneten Walzspalts, durch welchen die Platine geführt wird, während des Walzvorgangs gezielt verändert werden. Durch eine derartige Veränderung des Walzspalts während des Walzens der Platine wird ein flexibler Walzvorgang realisiert, durch welchen sich eine Platine mit lokal unterschiedlichen Blechdicken und homogenen Übergängen zwischen den unterschiedlichen Blechdicken erzeugen lässt.
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Die Erwärmungsanlage kann als Ofen oder elektrisch betriebene Erwärmungsanlage ausgebildet sein. Als besonders praxisgerecht hat es sich erwiesen, dass die Erwärmung der Platine auf die Austenitisierungstemperatur des Stahls in einem Durchlaufofen erfolgt. Hierdurch können die Platinen auf einer Seite in den Ofen eingebracht und auf der gegenüberliegenden Seite aus dem Durchlaufofen entnommen und dem nachfolgenden Verfahrensschritt zugeführt werden. Die Erwärmung erfolgt während des Transports durch den Ofen.
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Eine andere Abwandlung des vorliegenden Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Platine nach dem Warmwalzen und vor dem Formhärten zumindest partiell abgekühlt wird. Im Anschluss an den Walzvorgang und vor der Anordnung der thermomechanisch umgeformten Platine in der Umformpresse, in welcher die Platine formgehärtet wird, kann eine Abkühlstrecke vorgesehen sein, in welcher die Platine mittels einer Luft- oder Gaskühlung gezielt örtlich abgekühlt wird. Die Kühlung kann über die gesamte Breite der Platine oder nur örtlich konzentriert durchgeführt werden.
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In einer anderen besonders zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich durch isothermes Halten der Temperatur während des Formhärtens in dem Werkzeug und/oder durch die gezielte Steuerung der Abkühlgeschwindigkeit martensitisches und/oder bainitisches Gefüge in der Platine ausbildet. Im Anschluss an die thermomechanische Umformung der Platine durch Warmwalzen erfolgt das Formhärten der Platine in einem als Umformpresse ausgebildeten Werkzeug. Während des Formhärtevorgangs wird dann durch Werkzeugkühlung oder isothermes Halten die Abkühlung der Platine unter Beachtung der einzustellenden Festigkeits- und Dehnungseigenschaften des Bauteils so gesteuert, dass sich sowohl ein Martensitgefüge als auch ein Zwischenstufengefüge bzw. Ferrit- und Perlitgefüge in der umgeformten Platine einstellt. Durch unterschiedliche Abkühlbedingungen in unterschiedlichen Bereichen der Platine können sowohl martensitische als auch bainitische Gefüge in einer einzigen Platine erzeugt werden.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in:
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1 eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte zur Herstellung von formgehärteten Bauteilen;
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2 die Platinen in einer Draufsicht und in einer Seitenansicht, jeweils vor und nach dem Walzvorgang;
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3 eine grafische Darstellung der Walzkräfte über die Länge der Platine.
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1 zeigt die einzelnen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von formgehärteten Bauteilen 1 in einer schematischen Darstellung. Hierbei wird zunächst eine Platine 2 aus einem nicht dargestellten Endlosband (Coil) aus Stahl, beispielsweise aus einer Bor-Mangan-Stahl-Legierung, zugeschnitten. Die Platine 2 kann dabei jede geometrische Form annehmen und weist vorzugsweise bereits die zweidimensionale Grundform des herzustellenden Bauteils 1 auf.
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In einem ersten Verfahrensschritt 110 wird die zugeschnittene Platine 2 aus Stahl in einer beispielsweise als Durchlaufofen ausgebildeten Erwärmungsanlage 3 auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur des Stahls, welche je nach Stahlsorte bei etwa 950°C liegt, erwärmt.
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Nach dem Austenitisieren des Stahls in der Erwärmungsanlage 3 wird die erwärmte Platine 2 in einem zweiten Verfahrensschritt 120 thermomechanisch umgeformt, wobei die thermomechanische Umformung bei einer Temperatur zwischen 900 und 1.100°C und mit einem Umformgrad von mindestens 15% erfolgt. Die Umformung im Rahmen dieses zweiten Verfahrensschritts 120 erfolgt durch ein die Platinendicke reduzierendes Warmflachwalzen. Hierzu wird die temperierte Platine 2 durch einen von zwei Arbeitswalzen 4, 5 gebildeten Walzspalt 6 geführt (Richtungspfeil 7) und unter Reduzierung der Platinendicke umgeformt. Dabei wird die Platine 2 in mindestens einem Stich, also in mindestens einem Durchgang, durch den Walzspalt 6 geführt, wobei die Dickenreduzierung der Platine 2 in Abhängigkeit des Walzendurchmessers und der Ausgangsdicke zwischen 15 und 35% beträgt. Durch die erfindungsgemäße thermomechanische Umformung der Platine 2 im Anschluss an die Austenitisierung in der Erwärmungsanlage 3 wird eine Kornfeinung des groben Austenitgefüges durch Rekristallisation erreicht. Durch die natürlich, oder künstlich durch Kühlung, ablaufende Abkühlung zwischen dem Walzvorgang und dem Presswerkzeug wird die Rekristallisation gesteuert und insbesondere das Kornwachstum unterdrückt.
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Im Anschluss an die thermomechanische Umformung der Platine 2 im zweiten Verfahrensschritt 120 kann die Platine 2 in einem dritten Verfahrensschritt 130 auch bereichsweise abgekühlt werden. Hierfür ist eine dem Warmwalzprozess nachgeschaltete Abkühlstrecke vorgesehen, im Bereich derer die Platine 2 beispielsweise durch eine mittels einer Kühleinrichtung 8 erzeugte Luft- oder Gasströmung 9 gezielt abgekühlt werden kann. Das sich einstellende feinkörnige Austenitgefüge hat im Vergleich zu dem grobkörnigen Austenitgefüge verbesserte Umformeigenschaften, die sich positiv auf den anschließenden Formhärteprozess auswirken.
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Im abschließenden vierten Verfahrensschritt 140 wird dann die Platine 2 in ein Werkzeug 10 eingelegt und formgehärtet. Das als Umformpresse ausgebildete Werkzeug 10 zum Formhärten weist hierzu ein die Negativform des herzustellenden Bauteils 1 abbildendes Werkzeugunterteil 11 und ein relativ zum Werkzeugunterteil 11 verfahrbares Werkzeugoberteil 12 auf. Die Verfahrbarkeit des Werkzeugoberteils 12 ist durch den Doppelpfeil 13 dargestellt. Nach vollständigem Schließen des Werkzeugs beginnt die Haltezeit, in der die Platine 2 abgeschreckt und die Wärme innerhalb weniger Sekunden abgeleitet wird. Hierfür weist das Werkzeug 10 eine integrierte Kühlung auf. Die Haltezeit beträgt für gewöhnlich weniger als 20 Sekunden. Anschließend kann das umgeformte und formgehärtete Bauteil 1 aus dem Werkzeug 10 entnommen werden.
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In dem Werkzeug 10 kann durch die Werkzeugkühlung oder das isotherme Halten die Abkühlung unter Beachtung der einzustellenden Festigkeits- und Dehnungseigenschaften im Bauteil 1 so gesteuert werden, dass sich sowohl ein Martensitgefüge als auch ein Bainitgefüge in der umgeformten Platine 2 bzw. dem Bauteil 1 einstellt. Durch unterschiedliche Abkühlbedingungen in unterschiedlichen Bereichen der Platine 2 können sowohl martensitische als auch bainitische Gefüge in einer einzigen Platine 2 erzeugt werden.
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2 zeigt die Platinen 2 vor und nach dem Warmflachwalzen jeweils in einer Draufsicht und in einer Seitenansicht. Durch den Walzvorgang ändern sich neben den Abmessungen der Platine 2 auch die Platinendicke, wobei durch unterschiedliche Walzkräfte über die Länge und/oder Breite unterschiedliche Platinendicken erzeugt werden.
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3 zeigt die über die Länge der Platine einwirkenden Walzkräfte in einer grafischen Darstellung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bauteil
- 2
- Platine
- 3
- Erwärmungsanlage
- 4
- Arbeitswalze
- 5
- Arbeitswalze
- 6
- Walzspalt
- 7
- Richtungspfeil
- 8
- Kühleinrichtung
- 9
- Luft- oder Gasströmung
- 10
- Werkzeug
- 11
- Werkzeugunterteil
- 12
- Werkzeugoberteil
- 13
- Doppelpfeil
- 110
- Erster Verfahrensschritt
- 120
- Zweiter Verfahrensschritt
- 130
- Dritter Verfahrensschritt
- 140
- Vierter Verfahrensschritt
