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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur quantitativen Beurteilung von Oberflächendefekten sowie ein Mittel zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
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Insbesondere bei tiefgezogenen Fahrzeugkarosserieteilen aus Metall kann es nach dem Entformen zu einer elastischen Rückdeformation, dem sogenannten Aufsprung kommen. Solche Aufsprunge können zu lokal abweichenden Krummungen in Form von storenden Einfallstellen, Ausbeulungen und dergleichen fuhren.
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Bisher werden solche Oberflachendefekte durch Experten haptisch und in sogenannten Grunlichträumen optisch qualitativ beurteilt. Hierzu muss nachteilig zunachst ein entsprechendes Bauteil hergestellt werden. Zudem kann die qualitative Beurteilung schwanken und bietet kein objektives Maß. Beides erschwert einen Vergleich unterschiedlicher Materialien, Gestaltungen und/oder Formprozesse miteinander.
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Seit langem sind mechanische Ersatzmodelle, insbesondere Finite-Elemente-Modelle wie etwa PamStamp, bekannt, die elastische und/oder plastische Verformungen sowie Spannungen in ur- oder umgeformten virtuellen Bauteilen simulieren.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Beurteilung von optischen und/oder haptischen Oberflachendefekten von Bauteilen zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 9 gelost. Vorteilhafte Ausfuhrungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Verfugung gestellt. Nach einem anderen Aspekt wird ein Mittel zur Verfugung gestellt, welches zur Durchführung eines solchen Verfahrens eingerichtet ist. Dabei kann ein Mittel im Sinne der vorliegenden Erfindung gleichermaßen soft- und/oder hardwaretechnisch ausgebildet sein, insbesondere als Programm, Programmmodul und/oder Computerprogrammprodukt, insbesondere Speichermedium, mit einem solchen Programm(modul). Die nachfolgenden Ausfuhrungen beziehen sich gleichermaßen auf beide Aspekte der Erfindung.
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Die vorliegende Erfindung schlagt eine quantitative Beurteilung von Oberflachendefekten vor. Dies ermöglicht im Gegensatz zu einer qualitativen Beurteilung durch Experten eine objektivere und differenzierte Bewertung und insbesondere einen Vergleich von Oberflachendefekten. Als Oberflachendefekt wird vorliegend insbesondere eine lokale, d. h. örtlich begrenzte, und/oder kleine Abweichung einer Oberflächenkrümmung von einer vorgegebenen Kontur, insbesondere eine Einfallstelle bzw. Delle und eine Ausstulpung bzw. Beule bezeichnet.
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Solche Oberflachendefekte konnen insbesondere beim Ur- oder Umformen von Bauteilen auftreten. Fahrzeugteile, insbesondere Karosserie- oder Innenraumverkleidungsteile werden haufig aus Metall druck- und/oder zugumgeformt, insbesondere gepresst, gestanzt, gedruckt oder tiefgezogen, oder aus Kunststoff ur- oder umgeformt, insbesondere thermogeformt. Dabei wird auch eine trennende Bearbeitung wie ein Stanzen vorliegend zur kompakteren Darstellung als Umformen bezeichnet.
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Nach einer bevorzugten Ausführung wird ein mechanisches Ersatzmodell des zu beurteilenden Bauteils, insbesondere ein Finite-Elemente-Modell, ausgewertet, wobei das Modell gleichermaßen erstmals erstellt oder ein bestehendes Modell verwendet werden kann, was verallgemeinernd einheitlich als Verarbeiten des Modells bezeichnet wird. Ein mechanisches Ersatzmodell kann insbesondere eine Relation zwischen Verformungen, insbesondere Verschiebungen, und Kraften bzw. Spannungen beschreiben, etwa unter Verknüpfung über ein Materialgesetz. Bei einem Finite-Elemente-Modell kann das Bauteil virtuell in einzelne Elemente zerlegt werden. Uber Gleichgewichtsbedingungen an den Elementgrenzen sowie Rand- und Anfangsbedingungen konnen dann mit Ansatzfunktionen partielle Differentialgleichungen numerisch gelost werden. Vorzugsweise bildet das mechanische Ersatzmodell virtuell das zu beurteilende Bauteil als Ganzes, in einer bevorzugten Weiterbildung nur Teilbereiche, die vorab als potentielle Defektbereiche ermittelt wurden, vor, bei und/oder nach dem Ur- bzw. Umformprozess ab.
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Basierend auf dem mechanischen Ersatzmodell wird eine zwei- oder dreidimensionale Verteilung einer Deformationsgroße ermittelt. Unter einer Verteilung wird vorliegend insbesondere eine raumliche Zuordnung von Werten der Deformationsgröße zu Positionen auf dem virtuellen Bauteil, insbesondere dessen Nominal- oder simulierter Form, verstanden, etwa eine Spannungsverteilung langs einer Schnittachse oder eine plastische, bleibende Verschiebung und/oder ein elastischer Auf- bzw. Rucksprung nach dem Entformen des Bauteils uber seiner Grundflache. Wird einem eindimensionalen Positionswert, etwa einer Position längs einer Schnittachse, eine Deformationsgröße zugeordnet, wird dies vorliegend als zweidimensionale Verteilung bezeichnet, wird einem zwei- oder dreidimensionalen Positionswert, etwa einer zweidimensionalen Position auf einem Grundriss oder einer dreidimensionalen Position auf einer Bauteilkontur, eine Deformationsgroße zugeordnet, wird dies vorliegend als dreidimensionale Verteilung bezeichnet. Während eine zweidimensionale Verteilung numerisch leichter handhabbar ist, kann eine dreidimensionale Verteilung eine genauere und umfassendere Beurteilung ermoglichen.
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In einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die Deformationsgröße eine erste und/oder hohere Ortsableitung einer plastischen und/oder elastischen Deformation, insbesondere eines Aufsprungs. Eine Ortsableitung kann, insbesondere mit einem Finite-Elemente-Modell, durch einen diskreten Differenzenquotienten ermittelt werden. Bezeichnet beispielsweise u(s) eine elastische oder plastische Verschiebung an einem Ort s (u, s ∊
so können Δu/Δs, Δ(Δu/Δs)/Δs etc. mit diskreten Δ eine erste, zweite bzw. höhere Ortsableitung der Verschiebung, insbesondere des Aufsprungs definieren. Im Gegensatz zur Betrachtung der Deformation selber kann die in der Weiterbildung vorgeschlagene Betrachtung einer Ableitung das Auffinden von Randern eines Defektbereichs erleichtern, da sich dort die Ableitungen signifikanter andern als die Deformation selber. In einer bevorzugten Weiterbildung wird die Deformation und/oder eine Ableitung vor der, insbesondere numerischen, Bildung der (gegebenenfalls hoheren) Ableitung(en) geglattet, beispielsweise durch eine Filterung, eine Fast-Fourier-Transformation, eine Interpolation mit Spline- oder anderen Funktionen oder dergleichen. Dies reduziert zum Einen den Effekt der numerischen Diskretisierung und kann zum Anderen die Differenzierung selber erleichtern.
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In einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die Deformationsgröße eine zweite Hauptspannung. Als zweite Hauptspannung wird vorliegend insbesondere die minimale Zug-/Druckspannung σmin des ebenen oder raumlichen Spannungszustandes nach den Gesetzen der Elasto-Statik bezeichnet. Bei einem tiefgezogenen Bauteil stellt die erste Hauptspannung in der Regel eine Zugspannung infolge des Umformprozesses dar. Ein positiver Wert der zweiten Hauptspannung, d. h. eine Zugspannung, deutet auf eine Verformung entgegen der Bauteilkrummung, d. h. eine mogliche Einfallstelle, hin, ein negativer Wert, d. h. eine Druckspannung, auf eine Verformung mit der Bauteilkrummung, d. h. eine mogliche Ausbeulung.
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In einer bevorzugten Weiterbildung werden zunächst anhand der zweiten Hauptspannungen potentielle Defektbereiche identifiziert und in diesen Bereichen dann Ableitungen des geglätteten elastischen Aufsprungs ermittelt, um die Ränder der Defektbereiche zu ermitteln.
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Allgemein wird die Deformationsgroße mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen und auf Basis dieses Vergleichs ein Rand eines Defektbereichs ermittelt. Insbesondere kann eine Ableitung eines Aufsprungs, die betragsmaßig großer als 0,005 ist, eine Ableitung einer solchen Ableitung, d. h. eine zweite Ableitung des Aufsprungs, die betragsmäßig größer als 10 ist, bzw. eine zweite Hauptspannung, die betragsmaßig großer als 2 N/mm2 ist, einen Ubergang zwischen einem fehlerfreien bzw. noch tolerierbaren Oberflachenbereich und einem Defektbereich anzeigen.
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In einer bevorzugten Ausfuhrung wird basierend auf demselben oder einem weiteren mechanischen Ersatzmodell eine weitere, insbesondere maximale oder mittlere, Deformationsgröße des Defektbereichs ermittelt. Insbesondere kann nun eine Verteilung einer Verschiebung, einer Tiefe gegenüber der Nominalkonfiguration, eines Aufsprungs oder dergleichen innerhalb eines durch den ermittelten Rand begrenzten Gebietes ermittelt werden. Dann kann vorzugsweise ein Maximal- oder Mittelwert dieser Verteilung ermittelt werden und eine weitere Deformationsgroße bilden, die der Beurteilung zugrundegelegt wird. In der bevorzugten Ausfuhrung wird also zweistufig zunächst anhand einer Deformationsgroße ein Defektbereich bestimmt und dann in einem zweiten Schritt ein Maximal- oder Mittelwert dieser oder einer anderen Deformationsgröße, die verallgemeinernd jeweils als weitere Deformationsgroße bezeichnet wird, als Maß zur Beurteilung des Oberflachendefektes ermittelt.
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Diese weitere Deformationsgroße kann nun quantitativ bewertet werden. Eine solche quantitative Deformationsgroße kann insbesondere fur verschiedene Werte wenigstens eines Materialparameters desselben Bauteils, etwa eine Streckgrenze, Zugfestigkeit, eines Elastizitätsmoduls oder dergleichen, fur verschiedene Geometrien des Bauteils, zum Beispiel Krummungen, Radien und dergleichen, und/oder fur verschiedene Formgebungsprozessparameter, etwa Press- oder Tiefziehdruck, -geschwindigkeit, -temperatur oder dergleichen jeweils bestimmt werden. Dann kann diejenige Konfiguration gewählt werden, bei der die weiteren Deformationsgroße(n) am besten sind. Beispielsweise kann die Konfiguration von Material-, Geometrie- und/oder Formgebungsparameter gewahlt werden, fur die die wenigsten Defektbereiche, die kleinsten Defektbereiche, die kleinsten weiteren Deformationsgroßen oder dergleichen ermittelt wurden. Als kleinste weitere Deformationsgroße für alle Bereiche kann beispielsweise ein Maximal- oder Mittelwert der jeweiligen Maximal- oder Mittelwerte der einzelnen Bereiche ermittelt werden. Die oben genannten Kriterien wie Defektbereichsgroße, -anzahl und/oder weitere Deformationsgröße können beispielsweise in einem gewichteten Gutekriterium zusammengefasst werden.
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Die weitere Deformationsgroße kann klassifiziert, d. h. einer bestimmten Klasse von Defekten, etwa in Form eines Fehlerkollektivs, zugeordnet werden. Insbesondere hierzu kann es vorteilhaft sein, die weitere Deformationsgröße empirisch zu kalibrieren. Hierzu kann eine Reihe echter Oberflachendefekte empirisch von Experten bewertet, beispielsweise klassifiziert werden. Fur dieselben Defekte kann nach einer bevorzugten Ausführung anhand eines mechanischen Ersatzmodells wie vorstehend beschrieben virtuell bzw. simuliert eine weitere Deformationsgroße ermittelt werden. Diese weiteren Deformationsgroßen konnen den Bewertungen der Experten zugeordnet und so empirisch kalibriert werden. Bewerten die Experten beispielsweise drei unterschiedliche Defekte mit „1”, „2” und „3”, denen die weiteren Deformationsgroßen „9”, „21” und „37” zugeordnet werden, kann die weitere Deformationsgröße durch 10 dividiert auf eine natürliche Zahl gerundet und so kalibriert werden.
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Eine solche empirische Kalibrierung, aber auch eine andere Kalibrierung, beispielsweise eine logarithmische, exponentielle, lineare oder andere Skalierung, die dann einer optischen und/oder haptischen Bewertung des entsprechenden Defektes zugrundegelegt wird, hangt in einer bevorzugten Weiterbildung von einer Krümmung des Bauteils im Bereich des Defektes ab. So kann beispielsweise bei zunehmender Krümmung eine zunehmende Tiefe einer Einfallstelle oder Ausbeulung zugelassen werden, ohne dass diese unzulassig optisch oder haptisch auffallt. Durch eine entsprechende, von der Krummung abhangige Kalibrierung bzw. Skalierung der weiteren Deformationsgröße kann die weitere Deformationsgroße also in ihrer tatsachlichen optischen bzw. haptischen Wirkung bzw. Wahrnehmung bewertet werden.
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Allgemein ist in einer bevorzugten Ausfuhrung daher vorgesehen, die weitere Deformationsgroße zu kalibrieren, um die kalibrierte Größe quantitativ zu bewerten, wobei die Kalibrierung von einer Krummung des Bauteils abhängt. Dabei wird unter einer Kalibrierung insbesondere irgendeine Abbildung, Zuordnung, Relation oder Funktion verstanden, die Ausgangswerten der weiteren Deformationsgröße Zielwerte zuordnet. Diese Zuordnung hangt von der Nominalkrümmung des Bauteils im Bereich der weiteren Deformationsgroße ab. So kann beispielsweise ein Aufsprung von 0,5 mm in einem ebenen Bauteilbereich auf den Wert 50 kalibriert werden, ein Aufsprung von 0,75 mm in einem stark gekrummten Bereich hingegen auf den Wert 7,5. Werden diese kalibrierten weiteren Deformationsgroßen 50 und 7,5 nun quantitativ bewertet, ergibt sich, dass der Defekt mit einem Aufsprung von 0,5 mm als störender oder schlechter eingestuft wird als der an sich großere Aufsprung von 0,75 mm.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteranspruchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausfuhrungen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
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1 den Aufsprung langs einer Schnittachse fur zwei unterschiedliche Materialien;
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2 die erste Ortsableitung der geglätteten Aufsprünge der 1;
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3 die zweite Ortsableitung der geglatteten Aufsprünge der 1, d. h. die Ortsableitung der ersten Ortsableitung der 2; und
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4 eine Verteilung der zweiten Hauptspannung über dem Grundriss eines Bauteils.
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In 1 ist der Aufsprung u(s) langs einer Schnittachse gezeigt, wie er aus einem Finite-Elemente-Modell fur eine tiefgezogene Turhaut aus Blech ermittelt wurde. Als Aufsprung wird in fachüblicher Weise die elastische Rückfederung nach dem Entformen bezeichnet. Er bildet eine weitere Deformationsgroße im Sinne der vorliegenden Erfindung.
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Die zweidimensionale Verteilung u(s) wurde mit einem mechanischen Ersatzmodell ermittelt, das die Verformung des virtuellen Bauteils beim Umformprozess beschreibt. In einer bevorzugten Weiterbildung wird anstelle einer solchen zweidimensionalen Verteilung eine dreidimensionale Verteilung des Aufsprungs uber der Bauteilgrund- oder Nominaloberfläche verarbeitet, so dass neben dem Aufwand, einen oder mehrere Schnitte geeignet zu wahlen, auch die Gefahr entfallt, aufgrund einer ungunstigen Schnittwahl weniger signifikante Aufsprungwerte zu erhalten. Die Wahl eines zweidimensionalen Ausfuhrungsbeispiels soll dessen Darstellung vereinfachen.
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In den Figuren sind jeweils Werte für zwei unterschiedliche Materialien dargestellt.
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Man erkennt, dass insbesondere in den in 1 umrandeten Bereichen der Wert des Aufsprungs sich stark andert. Hier bildet sich im realen Bauteil mit großer Wahrscheinlichkeit ein optisch sicht- und/oder haptisch fühlbarer lokaler Oberflachendefekt in Form einer Einfallstelle oder Ausbeulung, unabhangig davon, in welchem der beiden Materialien das Bauteil ausgefuhrt wird.
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Insbesondere numerisch ist jedoch diese Stelle schwer zu identifizieren. Daher wird die in 1 gezeigte Verteilung zweimal numerisch differenziert. 2, 3 zeigen die dabei erhaltene erste bzw. zweite Ortsableitung Δu/Δs bzw. Δ(Δu/Δs)/Δs. Vor der Differenzierung wurde die Verteilung u(s) der 1 numerisch geglättet, um die nur numerisch durch das Finite-Elemente-Modell bedingten Schwankungen des Aufsprungs zu kompensieren. Im Ausfuhrungsbeispiel bildet die zweite Ortsableitung (vgl. 3) eine Deformationsgröße im Sinne der vorliegenden Erfindung.
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Man erkennt insbesondere in 3, dass unabhängig vom Material die Stellen, an denen sich der Aufsprung signifikant andert und den Rand eines Defektbereichs anzeigt, gut anhand der auftretenden lokalen Extrema identifizierbar sind. Die durch Rechtecke hervorgehobenen Bereiche der 3 entsprechen den umrandeten Bereichen der 1.
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Nach einer bevorzugten Ausführung wird die Deformationsgroße Δ(Δu/Δs)/Δs mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen und ein Rand eines Defektbereichs auf Basis dieses Vergleichs ermittelt (vgl. die Rechtecke in 3), d. h. dort, wo die lokalen Extrema einen vorgegebenen Grenzwert ubersteigen. Mit anderen Worten werden die in 3 durch Rechtecke angedeuteten Bereichsrander dort festgelegt, wo lokale Maxima der zweiten Ortsableitung Δ(Δu/Δs)/Δs jeweils, gegebenenfalls betragsmaßig, einen vorgegebenen Grenzwert uberschreiten.
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Dann wird basierend auf demselben mechanischen Ersatzmodell das Maximum der weiteren Deformationsgroße u(s) des so berandeten Defektbereichs ermittelt. Man erkennt in 1, dass die maximale Tiefe bei beiden Materialien unterschiedlich ist. Diese Werte werden mit einer vorab empirisch ermittelten Skala kalibriert, d. h. bewertet, und dann miteinander verglichen. Auf diese Weise kann das bessere der beiden Materialien fur das Bauteil ausgewahlt werden, so dass dieses bei objektiver, quantitativer Beurteilung die geringeren Oberflachendefekte aufweist.
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4 zeigt die Verteilung der zweiten Hauptspannung uber dem Grundriss des Bauteils, wie sie sich aus dem Finite-Elemente-Modell ergibt. Die Schnittachse der 1 entspricht dem oberen horizontalen Rand der 4. Unterschiedliche Werte fur die zweite Hauptspannung, die ebenfalls eine Deformationsgröße im Sinne der vorliegenden Erfindung darstellt, sind in 4 durch unterschiedliche Helligkeiten wiedergegeben. Die in 1 umrandeten Bereiche sich in 4 durch Striche eingezeichnet, auf die Pfeile deuten, und die die Ränder der Defektbereiche bilden. Man erkennt, dass in diesen Defektbereichen die Werte der zweiten Hauptspannung vorgegebene Grenzwerte betragsmaßig jeweils überschreiten. Man erkennt in 4 außerdem weitere potentielle Defektbereiche, deren Rander ebenfalls durch Striche angedeutet sind, auf die jedoch keine Pfeile zeigen. Hieraus wird der Vorteil deutlich, eine dreidimensionale Verteilung zu verarbeiten, da dann potentielle Defektbereiche nicht durch eine ungünstige Wahl von Schnittachsen unbemerkt bleiben.
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In einer bevorzugten Weiterbildung ist daher allgemein vorgesehen, zunachst anhand einer dreidimensionalen Verteilung der zweiten Hauptspannungen potentielle Defektbereiche zu identifizieren, anschließend deren Rander anhand von Ortsableitungen des Aufsprungs zu ermitteln und dann innerhalb der Rander eine Deformationsgroße, beispielsweise eine maximale Tiefe, als Maß zur Beurteilung des Defekts zu ermitteln. Dabei kann auch die Ermittlung der Rander anhand einer dreidimensionalen Verteilung der Ortsableitungen erfolgen, wobei bevorzugt nur Bereiche durch das mechanische Ersatzmodell abgebildet werden, die zuvor auf Basis der zweiten Hauptspannungen als potentielle Defektbereiche identifiziert wurden. In einer anderen bevorzugten Weiterbildung werden Schnittachsen, längs derer zweidimensionale Verteilungen der Ortsableitungen ermittelt werden, so gelegt, dass sie die Bereiche schneiden, die zuvor auf Basis der zweiten Hauptspannungen als potentielle Defektbereiche identifiziert wurden.
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Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erlautert wurden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen moglich ist. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausfuhrungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschranken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden fur die Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben, wobei diverse Anderungen, insbesondere in Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden konnen, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen aquivalenten Merkmalskombinationen ergibt.
