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Die Erfindung betrifft eine Schablone zur Bearbeitung von Großbauteilen im Flugzeugbau mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
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Großbauteile im Flugzeugbau sind z.B. der Flugzeugrumpf, die Tragflächen oder die Leitwerke, welche bei der Herstellung des Flugzeuges vorgefertigt und zusammengesetzt werden. Die Großbauteile selbst werden aufgrund ihrer Größe aus vorgefertigten Segmenten zusammengesetzt. Nachfolgend sollen unter dem Begriff „Großbauteile“ sowohl die fertig zusammengesetzten Großbauteile des Flugzeugs selbst, als auch die Segmente verstanden werden, aus denen die Großbauteile zusammengesetzt sind. Dabei werden als Segmente jegliche Einzelteile von Beginn des Fertigungsvorganges unabhängig von ihrer Größe verstanden.
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Aufgrund der hohen Anforderungen an die Materialeigenschaften werden in modernen Flugzeugen Verbundwerkstoffe verwendet, welche hinsichtlich der speziellen Anforderungen optimierte Eigenschaften aufweisen.
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Verbundwerkstoffe, insbesondere kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK; engl. CFRP), werden zunehmend im Flugzeugbau eingesetzt. Im CFK sind die Kohlenstofffasern in einem mehrschichtigen Aufbau in einer Kunststoffmatrix eingebettet und bilden ein entsprechendes Laminat.
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Ein weiteres Beispiel eines Verbundwerkstoffs ist z.B. glasfaserverstärktes Aluminium (GLARE). GLARE ist ein Verbundwerkstoff, der aus vielen sehr dünnen, nur wenige Zehntel Millimeter dicken Schichten besteht. Diese Schichten bestehen abwechselnd aus Aluminium und Glasfaserlaminat (glasfaserverstärkter Kunststoff GFK) und sind mittels einer Klebeverbindung miteinander verbunden. Der durch das Verkleben der Schichten entstandene Verbundwerkstoff hat eine gegenüber dem herkömmlichen Aluminium etwa zehn Prozent geringere Dichte. Außerdem hat sich GLARE im Hinblick auf seine Ermüdungs-, Feuer- und Beschädigungsfestigkeit als vorteilhaft erwiesen. Ein weiterer Vorteil von GLARE gegenüber herkömmlichem Aluminium ist darin zu sehen, dass die Rissausbreitungsgeschwindigkeit mit zunehmender Risslänge abnimmt, da die Risse durch die Glasfaserschichten „überbrückt“ werden.
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Alternativ wird im Flugzeug auch ein Verbundwerkstoff aus Titan und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) verwendet, wobei Titan den Vorteil aufweist, dass es im Vergleich zu dem Aluminium eine höhere Zugfestigkeit und Bruchzähigkeit aufweist. Allerdings ergibt sich aus diesem Vorteil auch der Nachteil, dass es schwerer zu zerspanen, also zu verarbeiten ist als Aluminium.
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Da die Großbauteile und die Segmente für sich sehr große Einheiten sind, welche sehr teuer sind, ist es aus wirtschaftlichen Gründen sinnvoll, diese bei kleinen Beschädigungen lokal zu reparieren und anschließend weiterzuverwenden.
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Dazu wird die beschädigte Stelle aus dem Großbauteil oder Segment mittels eines Fräsers herausgeschnitten, wobei insbesondere darauf geachtet werden muss, dass sich die einzelnen Schichten nicht voneinander lösen oder sich beim Bohren und Fräsen Späne zwischen die Schichten aus Aluminium und Glasfaserlaminat oder die Schichten aus Titan und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff drücken.
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Nach dem Heraustrennen des beschädigten Abschnitts wird das Großbauteil oder Segment durch Einsetzen eines formidentischen Teils in den Ausschnitt wieder zu einer durchgehenden Oberfläche vervollständigt.
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Das Ausschneiden des beschädigten Abschnitts erfolgt manuell mit einem Schnellläufer und einem Fräsbohrer, wobei die Kontur des ausgeschnittenen Ausschnitts mit einer sehr hohen Genauigkeit der des anschließend einzusetzenden Austauschausschnitts entsprechen muss.
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Alternativ wäre auch eine Bearbeitung nach dem sogenannten „chain drilling“ denkbar, bei dem der Ausschnitt durch eine Reihe von aneinander angrenzenden Löchern hergestellt wird, welche einzeln hergestellt werden und ineinander übergehen.
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Aus der
DE 10 2007 009 641 A1 ist eine Vorrichtung zum Führen eines Fräswerkzeuges an einem zu bearbeitenden Werkstück eines Flugzeuges, wie z.B. einer Flugzeugrumpfschale, bekannt, welche eine genaue Führung des Fräswerkzeuges ermöglicht. Die Vorrichtung umfasst einen Rahmen mit einem Werkzeughalter zur Halterung des Fräswerkzeuges, welcher über Saugfüße an der Oberfläche des Werkstückes gehalten ist, und eine Schablone mit einer Randseite mit einem definierten Verlauf, an der während des Bearbeitungsvorganges ein mit dem Werkzeughalter verbundener Abtastzapfen geführt ist. Die Bewegung des Werkzeughalters wird dadurch während der Vorschubbewegung durch den Verlauf des Randes der Schablone vorgegeben. Die Schablone selbst ermöglicht damit eine Werkzeugführung nach einem vorgegebenen Verlauf, so dass der Ausschnitt mit einer hohen Formgenauigkeit herausgefräst wird. Die Vorrichtung selbst ist aufgrund der Werkzeugführung und der Befestigung an dem Werkstück verhältnismäßig aufwendig und teuer.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine kostengünstige Vorrichtung zur Bearbeitung von Großbauteilen im Flugzeugbau zu schaffen, welche möglichst einfach zu handhaben und zu befestigen sein soll.
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Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß eine Schablone mit den Merkmalen von Anspruch 1 vorgeschlagen. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind den Unteransprüchen, den Figuren und der zugehörigen Beschreibung zu entnehmen.
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Gemäß der Erfindung wird zur Lösung der Aufgabe eine Schablone zur Bearbeitung von Großbauteilen im Flugzeugbau, mit einer Randseite mit einem definierten Verlauf zur Führung eines Werkzeuges, vorgeschlagen, welche eine zur gegenüberliegenden Anordnung zu der Außenkontur des Großbauteils vorgesehene erste Fläche aufweist, und durch einen zwischen der ersten Fläche und der Außenkontur des Großbauteiles wirkenden Unterdruck an dem Großbauteil fixierbar ist.
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Durch die vorgeschlagene Lösung kann die Schablone selbst ohne jegliche weitere Vorrichtungen an der Außenkontur fixiert werden, ohne dass dazu eine Vorbereitung oder spezielle Bearbeitung der Außenkontur des Großbauteils erforderlich ist. Ferner kann die Schablone nach dem Heraustrennen des Abschnittes bzw. nach dem Ausführen der abschnittsweisen Trennfuge durch Erhöhen des zwischen der ersten Fläche und der Außenkontur wirkenden Unterdruckes bis zum Umgebungsdruck sehr einfach wieder gelöst werden, ohne dass anschließend Spuren der Befestigung erkennbar sind. Insbesondere bedarf die Schablone durch die vorgeschlagene Art der Befestigung mittels Unterdruck keinerlei Abstützung auf der rückwärtigen Fläche der Außenkontur. Eine Möglichkeit, den Unterdruck zwischen der Außenkontur und der ersten Fläche zu erzeugen, kann z.B. darin gesehen werden, dass zwischen den Flächen eine derart hohe Strömungsgeschwindigkeit erzeugt wird, dass der statische Druck in der Strömung so weit sinkt, dass die Schablone an die Außenkontur angesaugt wird. Alternativ kann der Unterdruck auch dadurch erzeugt werden, indem ein gedichteter Hohlraum zwischen der ersten Fläche und der Außenkontur geschaffen wird, aus dem die Luft mittels einer Vakuumpumpe abgesaugt wird.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass die erste Fläche eine an die Außenkontur des Großbauteils angepasste oder anpassbare Formgebung aufweist. Dabei sind z.B. gekrümmte oder abgesetzte Verläufe denkbar, welche durch die Form der Außenkontur vorgegeben sind. Die Schablone kann dadurch mit einem im Wesentlichen konstanten Abstand zu dem Großbauteil angeordnet werden. Dadurch weist der Druckraum ebenfalls eine zumindest nahezu identische Dicke auf, und es ergibt sich eine gleichmäßige Flächenpressung mit einer besonders guten Führung des Werkzeuges. Ferner kann die Schablone möglichst dicht an dem Großbauteil angeordnet werden, so dass der Druckraum möglichst klein und das abzusaugende Luftvolumen zur Schaffung des erforderlichen Unterdrucks entsprechend gering ist. Die erste Fläche kann dabei z.B. parallel zu der Außenkontur des Großbauteils ausgebildet sein.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass die Schablone zumindest im Bereich der ersten Fläche elastisch ausgebildet ist. Durch die vorgeschlagene Ausbildung der Schablone kann sich die Schablone selbst auch an einen gekrümmten Verlauf der Außenkontur des Großbauteils anpassen. Dies kann entweder dadurch erfolgen, indem die Schablone insgesamt elastisch ausgebildet ist und dadurch in sich gekrümmt werden kann, oder indem nur die erste Fläche elastisch ausgebildet ist, so dass die Schablone im Bereich der ersten Fläche unter Ausnutzung ihrer Elastizität an eine gekrümmte Außenkontur angelegt werden kann. Dabei muss nicht die gesamte erste Fläche elastisch ausgebildet sein, es reicht aus, dass an der ersten Fläche z.B. einzelne elastische Erhebungen vorgesehen sind. Ferner können dadurch kleine Unebenheiten ausgeglichen werden, was insbesondere bei der Verwendung eines Vakuums zur Erzeugung des Unterdrucks sinnvoll ist. Außerdem können durch die elastische Ausbildung der Schablone geringfügige Bewegungen der Schablone zu der Außenkontur des Großbauteils und zu dem anliegenden Werkzeug ermöglicht werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Schablone im Bereich der ersten Fläche rutschfest gegenüber der Außenkontur des Großbauteils ausgebildet ist. Durch die rutschfeste Ausbildung der Schablone kann das Werkzeug auch unter Ausübung einer Querkraft an dem Rand der Schablone entlang geführt werden, ohne dass die Schablone dabei verrutscht. Die rutschfeste Ausbildung kann z.B. durch die Verwendung von speziell rutschfesten Materialien, wie z.B. Elastomeren, oder auch durch eine Profilierung der ersten Fläche, z.B. mit Spitzen oder dergleichen, und einer dadurch bedingten erhöhten Flächenpressung erreicht werden.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass in der ersten Fläche wenigstens eine Nut vorgesehen ist, in der eine über die erste Fläche vorstehende elastische Einlage angeordnet ist. Durch die vorgeschlagene Einlage kann ein Abstand zwischen der ersten Fläche und der Außenkontur geschaffen werden, so dass sich die erste Fläche der Schablone und die Außenkontur zumindest vor der Erzeugung des Unterdrucks nicht berühren. Da die Einlage elastisch ist, kann dabei neben der Schaffung des Abstandes gleichzeitig eine begrenzte Beweglichkeit der Schablone zu der Außenkontur geschaffen werden, so dass z.B. kleine Schwingungen während der Bearbeitung des Großbauteils ausgeglichen werden können. Sofern die Einlage dabei aus einem Elastomer mit einer hohen Haftung ausgebildet ist, kann durch die Einlage gleichzeitig eine rutschfeste Anlage der Schablone an dem Großbauteil verwirklicht werden.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass die Nut in einem äußeren Randabschnitt der ersten Fläche mit einem im Wesentlichen konstanten Abstand zu dem Rand der ersten Fläche verläuft, und die Einlage mit einem konstanten Maß über die erste Fläche vorsteht. Durch die vorgeschlagene Weiterentwicklung stützt sich die Schablone mit einer sehr hohen Stabilität und gleichmäßig über die Einlage an der Außenkontur des Großbauteils ab, so dass sie während des Bearbeitungsvorganges des Großbauteils nicht verkippen kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die elastische Einlage in Form eines umlaufenden geschlossenen Ringes ausgebildet ist und in der Anlage an der Außenkontur des Großbauteils einen Druckraum zwischen der ersten Fläche und der Außenkontur dichtend abschließt. Der geschaffene Druckraum kann z.B. zur Erzeugung des Unterdrucks genutzt werden, indem aus diesem die Luft abgesaugt wird. Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass der Druckraum durch die in der Nut verlaufende Dichtung abgeschlossen wird, da sich die Schablone hierdurch unter Verringerung des Abstandes zwischen der ersten Fläche und der Außenkontur an das Großbauteil anpressen kann, so dass die Schablone anschließend sehr dicht, mit einer sehr hohen Lagegenauigkeit und einer großen Haltekraft an der Außenkontur des Großbauteils festgelegt ist.
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Ferner kann an der Schablone ein Druckluftanschluss zur Erzeugung des Unterdrucks an der ersten Fläche vorgesehen sein, so dass die Schablone unmittelbar mit dem Unterdruck beaufschlagt werden kann. Die Schablone kann dadurch bei einer entsprechenden Ausbildung der Druckmittelleitungen und Kanäle in der Schablone ohne zusätzliche Druckmittelleitungen oder sonstige Vorrichtungen mit dem Unterdruck beaufschlagt werden, wobei es in diesem Fall besonders effektiv ist, wenn der Druckluftanschluss strömungstechnisch an den oben beschriebenen Druckraum angeschlossen ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigen:
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1: eine Schablone in Sicht auf die erste Fläche, und
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2: eine Schablone in der Anlage an einem Großbauteil während des Bearbeitungsvorganges, und
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3: einen Ausschnitt der Schablone entlang der Schnittrichtung A-A aus der 2.
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In der 1 ist eine erfindungsgemäß ausgebildete Schablone 1 in Sicht auf die erste Fläche 4 zu erkennen, welche bei der Bearbeitung eines in der 2 zu erkennenden Großbauteils 5 der Außenkontur 12 des Großbauteils 5 gegenüberliegt, wie auch in der 3 zu erkennen ist. In der ersten Fläche 4 ist eine in dem äußeren Randabschnitt verlaufende durchgehende Nut 3 vorgesehen. Die Nut 3 verläuft dabei mit einem im Wesentlichen konstanten Abstand zu dem Rand der Schablone 1, d.h. die Nut 3 weist im Bereich der geraden Randabschnitte 14 und 15 der Schablone 1 einen konstanten Abstand zu dem Rand 13 auf, während der Abstand im Bereich der Ecken und Radien der Schablone 1 von dem konstanten Abstand abweichen kann, wie z.B. im Bereich des Radius 7 zu erkennen ist. Ferner ist im Bereich der ersten Fläche 4 ein Druckluftanschluss 2 in Form einer Bohrung mit einem Innengewinde vorgesehen.
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In der 2 ist die Schablone 1 in Sicht von oben in der Anlage an einem Großbauteil 5, wie z.B. einem Segment eines Flugzeugrumpfes, zu erkennen. Das Großbauteil 5 weist ein Netz aus regelmäßig angeordneten Linien 8 auf, durch welches eine genaue Ausrichtung der Schablone 1 gegenüber dem Großbauteil 5 möglich ist. Die Schablone 1 ist so ausgerichtet, dass die Randseite 13, welche einen definierten Verlauf aufweist, in einer vorbestimmten Ausrichtung zu dem Großbauteil 5 angeordnet ist. Die Randseite 13 ist durch zwei gerade und senkrecht zueinander ausgerichtete Randabschnitte 14 und 15 gebildet, welche über den Radius 7 ineinander übergehen. Ferner ist in den nicht zu erkennenden Druckluftanschluss 2 ein Anschlussteil 9 einer Druckluftleitung eingeschraubt.
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Zur Bearbeitung des Großbauteils 5 wird ein Fräser 6 entlang der Randseite 13 geführt, wodurch ein dem Verlauf der Randseite 13 entsprechender Ausschnitt in das Großbauteil 5 gefräst wird. Nachdem der Ausschnitt entlang der Randseite 13 gefräst ist, wird die Schablone 1 einmal oder mehrfach umgesetzt, bis der Ausschnitt in dem Großbauteil 5 schließlich zu einem geschlossenen Ring vervollständigt ist, und ein vollständiges Teil mit einer vorbestimmten Außengeometrie aus dem Großbauteil herausgetrennt ist. Dabei ist insbesondere der Radius 7 und der gerade Verlauf der Randabschnitte 14 und 15 von besonderer Bedeutung, welche durch die Schablone 1 vorgegeben sind, damit das anschließend einzusetzenden Teil den Ausschnitt vollständig und lückenlos ausfüllt. Die Längen der Ränder des herauszutrennenden Teils können dabei beliebig gewählt werden, indem die Bearbeitung nicht entlang der vollständigen Länge der Randabschnitte 14 und 15 erfolgt. Die Linien 8 können dabei als Maßhilfen dienen. Als eine mögliche Bearbeitungsform zum Heraustrennen des Ausschnitts wurde hier das Fräsen beschrieben, es sind aber auch andere Bearbeitungsverfahren, wie z.B. Sägen oder Laserschneiden denkbar. Wichtig ist nur, dass der Ausschnitt während der Bearbeitung unter Ausführung einer Längsbewegung des Werkzeuges entlang des Randes 13 aus dem Großbauteil 5 heraustrennbar ist.
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In der 3 ist die Schablone 1 entlang der Schnittrichtung A-A durch den Druckluftanschluss 2 zu erkennen. In der Nut 3 ist eine elastische Einlage 10 vorgesehen, welche über die erste Fläche 4 vorsteht. Da die Nut 3 und die Einlage 10 an dem Randabschnitt der ersten Fläche 4 vollständig umlaufen, begrenzt die Einlage 10 einen Druckraum 11 zwischen der ersten Fläche 4 und der gegenüberliegenden Außenkontur 12 des Großbauteils 5. Die Einlage 10 ist hier strangförmig aus einem Elastomer gebildet und wirkt als Dichtung zur Abdichtung des Druckraumes 11 gegenüber der Umgebung. In den Druckluftanschluss 2 ist ein Anschlussteil 9 einer Druckluftleitung eingeschraubt, durch welche die Luft in dem Druckraum 11 abgesaugt werden kann. Aufgrund des sich dadurch bildenden Unterdrucks in dem Druckraum 11 wird die Schablone 1 an die Außenkontur 12 des Großbauteils 5 herangesaugt und an diesem fixiert. Da die Einlage 10 elastisch ausgebildet ist, wirkt sie dabei als Dichtung und ermöglicht gleichzeitig eine Anpressbewegung der Schablone 1 an das Großbauteil 5, wodurch das Volumen des Druckraums 11 verringert wird. Die Nut 3 und die darin angeordnete Einlage 10 verlaufen in dem äußeren Randabschnitt der ersten Fläche 4, so dass die Schablone 1 zumindest während des Ansaugvorganges über zwei in einem möglichst großen Abstand zueinander verlaufende Abstützlinien an dem Großbauteil 5 anliegt und dadurch nicht verkippen kann. Ferner wird dadurch ein Druckraum 11 mit einer möglichst großen Fläche geschaffen, durch welche eine entsprechend hohe Haltekraft der Schablone 1 bewirkt wird. Ferner können durch die elastische Einlage 10 geringfügige Unebenheiten der Außenkontur 12 ausgeglichen werden. Ein weiterer Vorteil der elastischen Einlage 10 ist darin zu sehen, dass die Schablone durch die erhöhte Flächenpressung im Bereich der Einlage 10 rutschfest an dem Großbauteil 5 festgelegt ist, wobei die Rutschfestigkeit durch die Verwendung von z.B. speziell rutschfestem Elastomer weiter verbessert werden kann.
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Die Schablone 1 kann z.B. durch die Verwendung von Hart PVC in sich flexibel ausgebildet werden, so dass sie sich auch an eine gekrümmte Außenkontur 12 anlegen lässt. Diese Eigenschaft kann alternativ oder zusätzlich dadurch ermöglicht werden, indem die Einlage 10 entsprechend weit über die erste Fläche 4 vorsteht und eine entsprechende Elastizität aufweist, so dass die Krümmung der Außenkontur 12 durch ein ungleichförmiges Zusammendrücken der Einlage 10 ausgeglichen werden kann.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung im Vergleich zu der im Stand der Technik bekannten Lösung ist darin zu sehen, dass die Schablone 1, welche den Bearbeitungsverlauf vorgibt, unmittelbar und mit sehr einfachen Mitteln an dem Großbauteil 5 fixierbar ist. Dabei ist keinerlei Vorbereitung des Großbauteils 5 erforderlich und es bedarf insbesondere keiner Abstützung der Vorrichtung auf der rückwärtigen Seite des Großbauteils 5. Damit ist eine Reparatur des Großbauteils 5 oder des Segmentes auch am Flugzeug mit verhältnismäßig geringem Aufwand möglich.
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Dabei können selbstverständlich neben den in der Einleitung beschriebenen Großbauteilen aus Verbundwerkstoffen auch Großbauteile aus Aluminium bearbeitet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007009641 A1 [0012]
