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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, das Magnesium aufweist. Insbesondere handelt es sich bei dem Bauteil um ein Bauteil, das im gefertigten Zustand ein Karosserieteil beispielsweise ein Innenteil eines Fahrzeugs, vorzugsweise ein Innenblech- bzw. Innenrahmenteil einer Heck- oder Frontklappe, bildet.
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Bauteile aus Leichtmetallen sind insbesondere aus der Automobilindustrie und anderen Industriezweigen bekannt, wobei der Fokus immer mehr darauf gesetzt wird, die besagten Bauteile als Leichtbau zu realisieren. Großes Potenzial haben hierbei großflächige Bauteile, da bereits eine geringe Wandstärkenreduktion eine große Auswirkung auf das Gesamtgewicht hat. Besonders Magnesium ist durch seine geringe Dichte ausgesprochen gut für großflächige Bauteile geeignet. Es ist hierbei eine Herausforderung, die Balance zu finden zwischen der einerseits im Leichtbau gewünschten Reduktion des Gewichts und anderseits die Anforderungen an die Steifigkeit des Bauteils zu erfüllen. Hierbei spielt die Gestaltung des Bauteils zur Erhöhung der Steifigkeiten eine zentrale Rolle.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem auf zuverlässige und einfache Weise Bauteile mit einer belastungsgerechten Auslegung realisiert werden können. Insbesondere ist es besonders wünschenswert, solche Verfahren für Bauteile, die Magnesium umfassen, zur Verfügung zu stellen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Magnesium aufweisenden Bauteils, wobei ein Magnesiumhalbzeug in einem ersten Verfahrensschritt bereitgestellt wird, wobei das Magnesiumhalbzeug in einem zweiten Verfahrensschritt zumindest teilweise auf eine Umformungstemperatur von mehr als 240°C erhitzt wird und in einem dritten Verfahrensschritt das Magnesiumhalbzeug zu einem Bauteil geformt wird, wobei während oder nach der Formgebung mindestens ein Bereich des Magnesiumhalbzeugs partiell massiv umgeformt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, durch das Erhitzen des Magnesiumhalbzeugs dessen Formänderungsvermögen derart zu verbessern, dass der Freiheitsgrad der Bauteilgestaltung gegenüber dem Stand der Technik, bei dem lediglich eine Warmumformung eines Magnesiumblechs zu einem Bauteil mit konstanter Dicke umgesetzt wird, erhöht werden kann. Durch das Erhitzen des Magnesiumhalbzeugs bei Temperaturen von mehr als 240°C, vorzugsweise mehr als 300°C kann ein Magnesiumwerkstoff in einen fließfähigen Zustand überführt werden, wodurch der Gestaltungsfreiheit eines komplex zu formenden Bauteils keine Grenzen gesetzt sind. Das Bauteil kann hierbei
- – durch eine plastische Verformung, vorzugsweise in Form von Ausbuchtungen oder Einbuchtungen gegenüber einem generellen Verlauf eines konventionell geformten Bauteils, und/oder
- – eine Variation in der Dicke des Bauteils ausgebildet sein. Vorzugsweise handelt es sich bei dem im ersten Verfahrensschritt zur Verfügung gestellten Magnesiumhalbzeug um ein ebenes Blech. Insbesondere ist es vorstellbar, dass das Magnesiumhalbzeug im ersten Verfahrensschritt eine maßgeschneiderte Platine, d. h. ein tailored blank und/oder ein patchwork blank, ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass das Magnesiumhalbzeug im dritten Verfahrensschritt durch einen auf das Magnesiumhalbzeug wirkenden Pressdruck zumindest teilweise in einen Zustand reduzierter Viskosität überführt wird. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Umformungstemperatur derart eingestellt wird, dass das Magnesiumhalbzeug zumindest teilweise in einen teigigen bzw. thixotropen Zustand übergeht. Im teigigen bzw. thixotropen Zustand lassen sich Bereiche des Magnesiumhalbzeugs in diesem Zustand nahezu mühelos in eine beliebige Form überführen. Insbesondere lässt sich in vorteilhafter Weise zur Verbesserung der Steifigkeit an bestimmten Stellen gezielt die Dicke des Bauteils erhöhen bzw. erniedrigen. Durch die Variation der Dicke des Bauteils können Bereiche durch höhere Wandstärken und/oder Ausprägungen von beispielsweise Rippen, Einbuchtungen und/oder Ausbuchtungen lokal und global versteift werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass ein global und lokal versteiftes Bauteil zeitgleich, vorzugsweise in einem gemeinsamen Presswerkzeug, beispielsweise während des Tiefziehens, massiv umgeformt wird. Dadurch kann die Anzahl der Arbeitsschritte und damit die Produktionsdauer reduziert werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass nach der Formgebung des Bauteils eine lokale Aufdickung im Bauteil, vorzugsweise in einem bereits umgeformten Bereich des Bauteils, realisiert wird. Dadurch können Bereiche am bereits umgeformten Bauteil massiv geformt werden, wodurch auf komplexe Geometrien des Umformwerkzeuges verzichtet werden kann und die Massivumformung außerhalb des Umformwerkzeuges prozesssicher erfolgen kann. Bei Bedarf kann eine erneute Erwärmung des massiv zu formenden Bereiches erforderlich sein, um den fließfähigen Zustand des Werkstoffes in den entsprechenden Bereichen zu erhalten.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass am Bauteil eine rippenförmige Struktur ausgebildet wird. Durch die rippenförmige Struktur wird die Steifigkeit des Bauteils in vorteilhafter Weise weiter erhöht. Es ist dabei denkbar, dass die rippenförmige Struktur entlang einer Vorzugsrichtung ausgerichtet ist, um beispielsweise entlang dieser Vorzugsrichtung eine erhöhte Steifigkeit des Bauteils zu erzielen.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass im zweiten Verfahrensschritt die Umformungstemperatur zwischen 240 °C und 400 °C, bevorzugt auf mehr als 400 °C, eingestellt wird. Bei Umformungstemperaturen zwischen vorzugsweise 300 °C und 400 °C werden in vorteilhafter Weise in einer hexagonalen Gitterstruktur des Magnesiums neben den Gleitsystemen in der Basisebene zusätzlich pyramidale Gleitsysteme erster und zweiter Ordnung aktiviert, wodurch das Formänderungsvermögen für dieses Temperaturintervall sprunghaft ansteigt. Für Umformungstemperaturen oberhalb von 400 °C nimmt Magnesium in vorteilhafter Weise seinen thixotropen Zustand an. Es ist weiterhin denkbar, dass im zweiten Verfahrensschritt ein Umformungstemperaturverlauf, d. h. eine zeitliche Variation der Umformungstemperatur, vollzogen wird, wobei sowohl das Magnesiumhalbzeug geformt als auch partiell massiv umgeformt – nacheinander und jeweils an die optimale Umgebungstemperatur (während des Umformungstemperaturverlaufs) angepasst – realisiert werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass das Bauteil im zweiten Verfahrensschritt durch ein heizbares Werkzeug erhitzt wird. Vorzugsweise ist das Werkzeug an das zu fertigende Bauteil angepasst. Weiterhin ist es vorstellbar, dass das heizbare Werkzeug zusätzlich das Presswerkzeug zur Realisierung einer Massivumformung umfasst. Dadurch kann in vorteilhafter Weise auf einen möglichen Transport (während dem das Bauteil zumindest teilweise auskühlen könnte) zwischen dem zweiten und dem dritten Verfahrensschritt verzichtet werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es für eine Konstruktion vorgesehen, dass ein gefertigtes Bauteil bereitstellt, welches zumindest teilweise mit einem weiteren Bauteil in Kontakt gebracht wird und bei dem das gefertigten Bauteil und das weitere Bauteil gefügt bzw. miteinander zusammengefügt werden. Insbesondere können das gefertigte Bauteil und das weitere Bauteil kraft-, form- und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden sein. Dadurch kann ein Bauteil, das gezielt an bestimmten Stellen- je nach Bedarf – aufgedickt werden, wodurch in vorteilhafter Weise die Steifigkeit der Konstruktion erhöht werden kann. Dabei ist es vorstellbar, dass das gefertigte Bauteil und das weitere Bauteil dasselbe Material, vorzugsweise Magnesium, aufweisen.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass das weitere Bauteil relativ zum gefertigten Bauteil oder vice versa fixiert wird. Eine solche Vorfixierung verhindert in vorteilhafter Weise das Verrutschen des weiteren Bauteils gegenüber dem gefertigten Bauteil, wodurch das Zusammenfügen nicht nur vereinfacht wird sondern auch akkurater erfolgen kann. Das Zusammenfügen erfolgt vorzugsweise durch Schweißen, Löten, Kleben, Clinchen oder Bördeln oder deren Kombination.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass das weitere bzw. mehrere Bauteile lokal im Bereich eines Scharniers oder einer Schlossverstärkung angeordnet werden. In solchen Bereichen sind in der Regel die Beanspruchungen bzw. Belastungen des gefertigten Bauteils bzw. der Konstruktion am größten. Durch das gezielte Aufdicken dieser Bereich wird die Stabilität bzw. die Betriebsfestigkeit in solchen Bereichen in vorteilhafter Weise weiter verbessert, die potenziell eine Bruchstelle bilden.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass aus dem gefertigten Bauteil und dem weiteren Bauteilen ein Karosserieteil für ein Fahrzeug, vorzugsweise eine klappbare Frontklappe oder Heckklappe, gefertigt wird. Gerade für Karosserieteile von Fahrzeugen ist die höhere komplexe Gestaltung des Bauteils bzw. des Karosserieteils von Vorteil in Hinblick auf die Sicherheit des Passagiers bzw. eines anderen Verkehrsteilnehmers, wie beispielsweise eines Fußgängers. Durch die Leichtbauweise wird die Grundlage für ein energiesparendes Fahrzeug bereitgestellt.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Werkzeug zum Umformen eines Magnesiumhalbzeugs, wobei das Werkzeug derart ausgestaltet ist, dass
- – durch das Werkzeug Wärme auf das Magnesiumhalbzeug und/oder ein weiteres Bauteil übertragbar ist und
- – ein auf das Magnesiumgalbzeug und/oder das weitere Bauteil wirkender Pressdruck zumindest teilweise einstellbar ist. Dadurch lässt sich in vorteilhafter Weise zunächst das Bauteil auf eine Umformungstemperatur erhitzen und anschließend in die gewünschte Form bringen. Insbesondere ist es vorgesehen, dass das Magnesiumhalbzeug und/oder das weitere Bauteil mittels des Pressdrucks partiell massiv umgeformt werden. Dabei kann das Bauteil sowohl globaler als auch lokaler Natur sein, wobei die Gestalt des Bauteils im Wesentlichen Verformungen, wie beispielsweise Einbuchtungen oder Ausbuchtungen gegenüber dem generellen Verlauf eines konventionell geformten Bauteils und im Wesentlichen Variationen in der Dicke und/oder Ausprägungen von beispielsweise Rippen umfassen.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen, sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den wesentlichen Erfindungsgedanken nicht einschränken
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Kurze Beschreibung der Figuren
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1 zeigt schematisch ein Teil eines Karosserieteils eines Fahrzeugs hergestellt mit einem ersten beispielhaften Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung.
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2a und 2b zeigen schematisch ein erstes und eine zweites beispielhaftes Bauteil, das Magnesium aufweist, gemäß der vorliegenden Erfindung.
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3 zeigt schematisch ein Teil eines Karosserieteils eines Fahrzeugs hergestellt mit einem zweiten beispielhaften Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
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In 1 ist ein Teil eines Karosserieteils eines Fahrzeugs, beispielsweise ein Innenblech einer Frontklappe dargestellt, wobei das Innenblech mit einem ersten beispielhaften Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde und im zusammengebauten Zustand mit einem Außenblech über Scharniere am Rest der Karosserie des Fahrzeugs beispielsweise durch Schrauben angebunden und klappbar ist. Neben einem möglichst geringen Eigengewicht ist es hierbei wünschenswert, dass das zur Verfügung gestellte Innenblech eine den Sicherheitsanforderungen genügende Gestaltung aufweist. Vorzugsweise wird das Karosserieteil dabei aus einem aus Magnesium bestehenden Bauteil/Innenblech 1 gefertigt. Als Leichtmetall mit einer geringen Dichte ist Magnesium besonders gut geeignet zur Herstellung von großflächigen Karosserieteilen. Es ist dabei vorgesehen, dass das zu erzeugende Bauteil/Innenblech 1 als Halbzeug, beispielsweise als Formplatine in einem ersten Verfahrensschritt zur Verfügung gestellt wird.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Bauteil/Innenblech 1 mit einem rahmenartig, umlaufenden Profil 100 auszustatten, durch das die Steifigkeit des Bauteils/Innenblechs 1 gefördert wird. Insbesondere handelt es sich bei dem Bauteil/Innenblech 1 um ein Blech, dessen Blechdicke im rahmenartig, umlaufenden Profil 100 lokal variabel ausgebildet sein kann. Insbesondere hat das Blech im Bereich des Profils 100 in einem ersten Bereich eine erste Dicke 4 und in einem zweiten Bereich eine zweite Dicke 5. Vorzugsweise sind die im ersten Verfahrensschritt bereitgestellten Magnesiumhalbzeuge tailored blanks oder patchwork blanks, die in einem vorgelagerten Verfahrensschritt hergestellt werden. Zur Ausbildung des rahmenartig, umlaufenden Profils 100 ist es vorgesehen, dass das Magnesiumhalbzeug in einem zweiten Verfahrensschritt auf eine Umformungstemperatur erhitzt wird, wobei die Umformungstemperatur für eine Magnesium umfassendes Bauteil zwischen 240° C und 400 °C liegt. Im Bereich zwischen vorzugsweise 300 °C und 400 °C steigt ein Formänderungsvermögen von Magnesium sprunghaft an, wodurch das Umformen in vorteilhafter Weiser vereinfacht wird. Weiterhin ist es vorgesehen, dass das erhitzte Magnesiumhalbzeug in einem dritten Verfahrensschritt neben der Formgebung derart partiell massiv umgeformt wird, dass durch die Massivumformung die gewünschten Dickenunterschiede im Bereich des Profils 100 realisiert werden. Beispielsweise wird der Bereich des rahmenartig, umlaufenden Profils 100 im dritten Verfahrensschritt durch Tiefziehen erzeugt, wobei durch das Tiefziehen beispielsweise kegelstumpfförmige Ausbuchtungen 10 im Bauteil/Innenblech 1 realisiert werden. Entlang eines A-A Schnitts ergibt sich im Profil 100 des Bauteils/Innenblechs 1 eine Ausbuchtung 10.
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In den 2a und 2b sind jeweils ein Querschnitt eines rahmenartig, umlaufenden Profils 100 eines ersten und eines zweiten beispielhaften Profils 100 des fertiggestellten Bauteils/Innenblechs 1 dargestellt, wobei das entsprechende rahmenartig, umlaufende Profil 100 mit einem zweiten bzw. dritten beispielhaften Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt wurde. Es ist hierbei vorgesehen, dass für ein Magnesium umfassendes Bauteil die Umformungstemperatur auf mehr als 400 °C festgelegt wird. Insbesondere wird durch die festgelegte Umformungstemperatur das Magnesiumhalbzeug in einen thixotropen Zustand überführt. In einem solchen Zustand kann durch einen Pressdruck die Viskosität des Werkstoffes zumindest teilweise reduziert werden. Als Resultat ist eine partielle Massivumformung möglich, mit der die Dicke des Bauteils/Innenblechs 1 lokal modifizierbar ist. 2a zeigt drei Aufdickungen 20, die durch eine solche Formung entstanden sind. Sie bilden eine rippenförmige Struktur 21 im Bereich der Ausbuchtung 10, die durch Tiefziehen hervorgerufen wird. Hierbei bildet die Ausbuchtung im Wesentlichen ein rahmenartig, umlaufendes Profil 100, das mit Aufdickungen 20, die partiell massiv umgeformt wurden, im Bodenbereich 21 der Ausbuchtung 10 versehen ist. In 2b verstärkt eine Aufdickung 20, die partiell massiv umgeformt wurde, den Boden der Ausbuchtung 10, wobei das rahmenartig, umlaufende Profil 100 in einem ersten Bereich eine erste Dicke 4 und in einem zweiten Bereich eine zweite Dicke 5 aufweist.
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In 3 ist ein Teil eines Karosserieteils, beispielsweise ein Innenblech einer Frontklappe dargestellt, das mit einem weiteren beispielhaften Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde. In der oberen Hälfte der 3 ist hier das Bauteil/Innenblech in einer perspektivischen Ansicht gezeigt, wobei ein Ausschnitt des Bauteils/Innenblechs auf der rechten Seite vergrößert illustriert ist. Es ist gemäß dem weiteren beispielhaften Verfahren vorgesehen, dass ein weiteres Bauteil 2 im ersten Verfahrensschritt bereitgestellt wird. Vorzugsweise wird das weitere Bauteil 2 am Magnesiumhalbzeug zur Vorfixierung befestigt. Dabei ist es vorstellbar, dass das weitere Bauteil 2 am Magnesiumhalbzeug angeschweißt wird, z. B. als patchwork blank der Formgebung bereitgestellt wird. Insbesondere wird das weitere Bauteil 2 im Bereich des Scharniers 30, über das das gefertigte Karosserieteil am Rest der Karosserie klappbar befestigt wird, am Bauteil/Innenblech 1 angeordnet. Weiterhin ist es vorgesehen, dass durch das Festlegen der Umformungstemperatur im zweiten Verfahrensschritt und des Pressdrucks im dritten Verfahrensschritt das weitere Bauteil 2 und das Magnesiumhalbzeug zusammengefügt werden, d. h. stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Insbesondere wird dieses Verfahren zur lokalen Aufdickung des Bauteils/Innenblechs 1 an Stellen angewendet, die erhöhten Belastungen ausgesetzt sind. Beispiele für solche Stellen sind Bereich in der Umgebung der Scharniere 30, einer Schlossverstärkung oder generell in Anbindungsbereichen zur schraubbaren Aufnahme von weiteren nicht dargestellten Bauteilen. Auf der linken Seite der unteren Hälfte der 3 ist eine beispielhafte Verteilung von drei weiteren Bauteile 2 auf dem Magnesiumhalbzeug dargestellt, wobei die weiteren Bauteile 2 jeweils zur Vorfixierung über einen Schweißpunkt 31 mit dem Magnesiumhalbzeug verbunden sind. Ein derartiges patchwork blank wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu einem Bauteil/Innenblech 1 aus Magnesium hergestellt.
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Nicht dargestellt ist, dass das erfindungsgemäß hergestellte Bauteil/Innenblech mit einem weiteren Bauteil zur Herstellung einer Front- und/oder Heckklappe verbunden wird. Das weitere Bauteil kann ein Außen(haut)teil aus besonders bevorzugt Stahl, vorzugsweise verzinktem Stahl oder aus Aluminium sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bauteil
- 2
- weiteres Bauteil
- 3
- Draufsicht auf das Bauteil
- 4
- erste Dicke
- 5
- zweite Dicke
- 10
- Ausbuchtung
- 20
- Aufdickung
- 21
- rippenförmige Struktur
- 30
- Scharnier
- 31
- Schweißpunkt
- 100
- Profil
- 110
- Ausschnitt aus Bauteil
