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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für die Bestimmung eines Kernabschnitts eines Zuschnitts aus Faserverbundmaterial sowie eine Bestimmungsvorrichtung für die Bestimmung eines Kernabschnitts eines Zuschnitts aus einem Faserverbundmaterial.
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Es ist bekannt, dass insbesondere im Fahrzeugbau, Faserverbundmaterialien eingesetzt werden. Solche Faserverbundmaterialien werden weiterverarbeitet bzw. in einzelnen Zuschnitten im Rahmen der Weiterverarbeitung verwendet. Dabei kommt es vor, dass solche Faserverbundmaterialien exakt ausgerichtet werden müssen, um anschließend einen Weiterverarbeitungsschritt durchzuführen. Ein solcher Weiterverarbeitungsschritt kann zum Beispiel das Zuschneiden eines entsprechenden Zuschnitts aus Faserverbundmaterial sein. Auch kann das Einlegen in ein entsprechendes Presswerkzeug ein Weiterverarbeitungsschritt sein, welcher für einen Zuschnitt aus Faserverbundmaterial erforderlich ist Nicht zuletzt ist auch das Zusammensetzen aus verschiedenen Zuschnitten zu einem Zuschnittverbund im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Weiterverarbeitungsschritt für die einzelnen Zuschnitte.
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Nachteilhaft bei den bekannten Methoden ist es, dass die Zuschnitte hinsichtlich ihrer Orientierung und ihrer Qualität definiert erkannt werden müssen. Insbesondere führt dies dazu, dass ein automatisiertes bildhaftes Erkennen notwendig ist, um den Zuschnitt für den jeweiligen Weiterverarbeitungsschritt exakt zu positionieren, zu orientieren bzw. hinsichtlich seiner Eigenschaften zu definieren. Bei Faserverbundmaterialien ist dies jedoch mit Nachteilen behaftet, da üblicherweise die Ecken und/oder die Kanten des entsprechenden Zuschnitts über einen Hell-Dunkel-Kontrast bildhaft wahrgenommen werden. Bei Faserverbundmaterial sind jedoch genau diese Abschnitte, also die Ecken oder Kanten üblicherweise mit der größten Wahrscheinlichkeit eines Fehlers behaftet, da dort einzelne Fasern von der gewünschten unidirektionalen und/oder parallelen Ausrichtung abweichen und abstehen können. Damit entstehen verschwommene Bereiche, die über die bekannte Hell-Dunkel-Kontrastierung nicht mehr eindeutig und mit hoher Sicherheit wahrgenommen werden können. Damit reduziert sich bei bekannten Lösungen die Wahrnehmungsgeschwindigkeit und auf diese Weise auch die Weiterverarbeitungsgeschwindigkeit. Dies kann soweit führen, dass einzelne Zuschnitte für bestimmte Materialien überhaupt nicht mehr in der erforderlichen Qualität wahrgenommen werden können.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise die Erkennung, insbesondere in automatisierter Ausführung mit hoher Sicherheit zu gewährleisten.
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Voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Bestimmungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Bestimmungsvorrichtung und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient der Bestimmung eines Kernabschnitts eines Zuschnitts aus Faserverbundmaterial und weist hierfür die folgenden Schritte auf:
- – Bildhaftes Erfassen des Zuschnitts in Form eines Zuschnittbildes,
- – Auswerten des Zuschnittbildes bezüglich der Faserausrichtung,
- – Zuweisen von wenigstens einem Kernabschnitt für den Abschnitt des Zuschnitts mit unidirektional und parallel ausgerichteten Fasern.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren basiert also ebenfalls auf dem grundsätzlichen bildhaften Erfassen des Zuschnitts. Dabei wird vorzugsweise der Hauptabschnitt bzw. der Gesamtzuschnitt in Form eines Zuschnittbildes bildhaft erfasst. Mit anderen Worten wird über eine entsprechende Sensorik ein Zuschnittbild erzeugt, welches eine bildhafte Wiedergabe des Zuschnitts darstellt. Dieses Zuschnittbild kann dabei unterschiedlichste technische Ausformungen aufweisen. Zum Beispiel sind Schwarz-Weiß-Bilder, Farbbilder, Infrarotbilder oder Bilder anderer einzelner oder kombinierter Wellenlängen im Sinne der vorliegenden Erfindung für das bildhafte Erfassen denkbar.
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Das Zuschnittbild wird dabei je nach Ausführungsform des Zuschnittbildes selbst und der entsprechenden Auswertlogik ausgewertet bezüglich der Faserausrichtung. So sind im Faserverbundmaterial grundsätzlich die einzelnen Fasern für solche Einsatzformen in einer definierten Ausrichtung vorgesehen. Bevorzugt handelt es sich hierbei um hauptsächlich unidirektional und parallel ausgerichtete Fasern, die die gewünschte Faserausrichtung innerhalb des Faserverbundmaterials darstellen. Das Zuschnittbild wird nun hinsichtlich der Faserausrichtung ausgewertet, wobei einzelne Fasern für sich betrachtet werden können, oder auch ganze Abschnitte oder Bündel mehrerer Fasern gemeinsam betrachtet werden. Am Ende dieses Auswertschrittes steht ein Informationsgehalt, welcher das gesamte Zuschnittbild zumindest abschnittsweise in einzelne Abschnitte mit ähnlichen oder unterschiedlichen Faserausrichtungen unterteilt. Anschließend erfolgt erfindungsgemäß eine Zuweisung, welche auf diesen Auswertungen hinsichtlich der Faserausrichtung beruht. Die Zuweisung ist dabei fokussiert auf einen Abschnitt mit unidirektional und parallel ausgerichteten Fasern, welcher als Kernabschnitt definiert wird.
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Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist unter einem Kernabschnitt eines Zuschnitts der Abschnitt zu verstehen, welcher die höchste Qualitätsstufe bzw. die höchsten Qualitätsanforderungen erreicht. Dieser Kernabschnitt ist also der Abschnitt, welcher für die weiteren Bearbeitungsschritte verwendet werden soll. Handelt es sich beim Weiterverarbeitungsschritt um eine Zuschneidvorrichtung, so wird um diesen Kernabschnitt herum beispielsweise zumindest teilweise ein entsprechender Zuschneideabschnitt abgeschnitten. Auch ist es möglich, dass der Kernabschnitt hinsichtlich seiner Erstreckung in einem Presswerkzeug so positioniert bzw. orientiert wird, dass die entsprechenden Pressflächen innerhalb der Kavität vollständig vom Kernabschnitt und nicht von anderen Abschnitten bedeckt werden.
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Erfindungsgemäß wird also eine höhere Qualifizierung der Positionierung bzw. des Informationsgehalts für den Zuschnitt möglich. Die nachverarbeitenden Schritte sind dementsprechend mit höherer Sicherheit und vor allem höherer Qualität hinsichtlich des Halbzeugs des Zuschnitts aus Faserverbundmaterial durchführbar.
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Im Gegensatz zu den bekannten bildhaften Verfahren wird nun erfindungsgemäß der gesamte Zuschnitt erfasst, so dass unabhängig von möglicherweise ausgefransten Seiten, Kanten oder Ecken des Zuschnitts eine sichere und vor allem automatisierte und schnelle Erkennung und Zuweisung des Kernabschnitts des Zuschnitts erfolgen kann.
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Ein Faserverbundmaterial ist im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Kombination aus einzelnen Fasersträngen und einer entsprechenden Matrix. Dabei kann die Matrix aufgeschmolzenes Matrixmaterial sein, welches sich anschließend komplett mit den Fasern zu einem Faserverbundmaterial verbunden hat. Jedoch ist im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Faserverbundmaterial auch als sogenanntes Prepreg zu verstehen, also ein imprägniertes Faserverbundbauteil, welches erst im anschließenden Weiterverarbeitungsschritt aufgeschmolzen und hinsichtlich einer formschlüssigen bzw. stoffschlüssigen Verbindung mit den Fasern finalisiert wird.
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Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wenigstens ein Zuschneideabschnitt dem Abschnitt des Zuschnitts zugewiesen wird, in welchem die Fasern zueinander Winkel einschließen, welche oberhalb einer definierten Toleranzschwelle liegen. Um sicherzustellen, dass eine gewisse Mindestqualität hinsichtlich der Faserausrichtung eingehalten wird, kann eine solche Toleranzschwelle sozusagen die Abweichung des Winkels zu der unidirektionalen und parallelen Ausrichtung der Fasern definieren bzw. festsetzen. Oberhalb dieser definierten Toleranzschwelle ist ein Abschnitt des Zuschnitts vorgesehen, welcher nicht die notwendigen Qualitätsanforderungen erfüllt und dementsprechend als Ausschuss abgeschnitten werden kann. Dabei handelt es sich also um die technische Eingrenzung bzw. die technische Unterscheidung zwischen den Zuschneideabschnitten mit reduzierter Qualität und den Kernabschnitten des Zuschnitts von ausreichender bzw. maximaler Qualität. Hier ist auch darauf hinzuweisen, dass selbstverständlich auch zwei oder mehr Kernabschnitte grundsätzlich im Sinne der vorliegenden Erfindung denkbar sind.
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Ein weiterer Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren das gesamte Zuschnittbild bezüglich der Faserausrichtung ausgewertet wird und allen Abschnitten des Zuschnitts in Abhängigkeit der Faserausrichtung der Fasern eine Eigenschaft für die Weiterverarbeitung zugewiesen wird. Mit anderen Worten wird eine Landkarte des Zuschnitts bezüglich des Informationsgehalts der Faserausrichtung erstellt. Somit können ein, zwei oder eine beliebige Anzahl von Kernabschnitten erkannt und den Einzelabschnitten des Zuschnitts zugewiesen werden. Auch kann eine beliebige Anzahl von Zuschneideabschnitten mit reduzierter Qualität erkannt und ebenfalls zugewiesen werden. Bevorzugt steht am Ende des Auswertschrittes für ein erfindungsgemäßes Verfahren dementsprechend eine detailgenaue örtliche Information für alle Abschnitte des Zuschnitts zur Verfügung. Damit kann insbesondere bei der nachfolgenden Verwendung eines Zuschnitts für ein Ausschneiden von zwei oder mehr Bauteilen aus diesem Zuschnitt eine angepasste Orientierung der jeweiligen Zuschnittlinien auf dem Zuschnitt erfolgen. Dies führt zu einer weiteren Verbesserung der Sicherheit und zu einer Erhöhung der Qualität der nachfolgenden Bauteile.
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Vorteilhaft ist es ebenfalls, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren dem flächenmäßig größten zusammenhängenden Abschnitt des Zuschnitts mit unidirektional und parallel ausgerichteten Fasern der Kernabschnitt zugewiesen wird. Wie bereits erläutert worden ist, ist es selbstverständlich im Sinne der vorliegenden Erfindung denkbar, dass auch zwei oder mehr Abschnitte des Zuschnitts unidirektional und parallel ausgerichtete Fasern aufweisen, wobei diese Abschnitte dementsprechend alle als Kernabschnitt zugewiesen bzw. definiert werden können. Diese einzelnen Kernabschnitte können von minderwertigen Abschnitten in Form von Zuschneideabschnitten getrennt sein, so dass für die Weiterverarbeitung mit einem einzigen gewünschten Bauteil der flächenmäßig größte zusammenhängende Abschnitt als ein einziger Kernabschnitt gesetzt wird. Damit wird sichergestellt, dass aus jedem Zuschnitt der größte flächenmäßige Abschnitt als Kernabschnitt definiert wird, und dementsprechend der Ausschuss des übrigen flächenmäßigen Bauteils des Zuschnitts minimiert bzw. reduziert wird. Mit anderen Worten bilden die einzelnen Kernabschnitte auf diese Weise Kernabschnittsinseln getrennt von entsprechenden Zuschneideabschnitten.
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Weiter ist es von Vorteil, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren beim Erkennen eines Ausschussabschnitts mit variabel ausgerichteten Fasern innerhalb des Kernabschnitts, insbesondere mit einer relativen Flächengröße bezogen auf die Flächengröße des Kernabschnitts oberhalb eines Schwellwertes, der Zuschnitt als Ausschuss definiert wird. Wie bereits erläutert worden ist, kann insbesondere bei einer Aufnahme einer Landkarte des Zuschnitts bezogen auf die Faserausrichtungen eine Vielzahl von unterschiedlichen Abschnitten unterschieden werden. Ist nun ein Kernabschnitt erkannt worden und befindet sich innerhalb dieses Kernabschnitts ein Abschnitt mit variabel ausgerichteten Fasern, so wird dieser erfindungsgemäß als Ausschussabschnitt bezeichnet. Der große Kernabschnitt, welcher grundsätzlich ausreichend für die Weiterverarbeitung wäre, wird auf diese Weise qualitativ durch den Ausschussabschnitt derart vermindert, dass der gesamte Zuschnitt nicht weiterverwendet werden kann, sondern als Ausschuss definiert wird. Dabei wird bevorzugt die Relation der Größen des Ausschussabschnitts und des Kernabschnitts miteinander verglichen, um sicherzustellen, dass kleine Ausschussabschnitte, die nicht zu mechanischem Fehlverhalten führen könnten, dementsprechend nicht in unerwünschter Weise den Ausschuss erhöhen würden.
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Vorteilhaft ist es ebenfalls, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren der Zuschnitt in einem einzigen Zuschnittbild komplett erfasst wird. Hierfür ist ein entsprechender bildgebender Sensor vorgesehen, welcher in einem einzigen Erfassungsschritt das einzige Zuschnittbild erzeugt. Hinsichtlich der notwendigen Sensorgeschwindigkeit und Erfassungsgeschwindigkeit wird dabei ein großer Vorteil erzielt. Innerhalb eines einzigen Schrittes ist sofort das gesamte Zuschnittbild vorhanden und kann dementsprechend in einem erfindungsgemäßen Verfahren auch komplett ausgewertet werden.
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Alternativ ist es auch denkbar, dass bei einem erfindungsgemäßen Verfahren der Zuschnitt in einzelnen Bildabschnitten bildhaft erfasst wird, welche in einem Zuschnittbild zusammengesetzt werden. Diese Bildabschnitte können also punktweise, flächenweise oder linienweise erfasst werden, so dass entsprechend kostengünstigere kleinere und einfachere Sensorvorrichtungen einsetzbar sind. Dabei kann für eine Reduktion des anschließenden Auswertschrittes bereits für jeden einzelnen Bildabschnitt nach dessen Erfassung eine erste Auswertung erfolgen. Das Zuschnittbild wird also gemeinsam mit einem einzelnen und schrittweisen Auswerten zusammengesetzt, so dass nach dem Erhalt des gesamten Zuschnittbildes bereits die Auswertung vollständig erfolgt ist. Selbstverständlich kann jedoch auch erst das Zusammensetzen der Bildabschnitte zu einem Zuschnittbild erfolgen und anschließend die Auswertung durchgeführt werden.
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Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Bestimmungsvorrichtung für die Bestimmung des Kernabschnitts eines Zuschnitts aus einem Faserverbundmaterial. Eine solche Bestimmungsvorrichtung weist eine Sensorvorrichtung für ein bildhaftes Erfassen des Zuschnitts in Form eines Zuschnittbildes auf. Weiter weist die Bestimmungsvorrichtung eine Kontrolleinheit für die Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens auf. Dementsprechend bringt eine erfindungsgemäße Bestimmungsvorrichtung die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Verfahren erläutert worden sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen schematisch:
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1 eine Ausführungsform einer Bestimmungsvorrichtung,
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2 eine Darstellung eines Zuschnitts in einem Zuschnittbild,
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3 eine weitere Ausführungsform einer Bestimmungsvorrichtung,
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4 eine Möglichkeit der Verteilung der Abschnitte eines Zuschnitts und
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5 eine weitere Möglichkeit der Verteilung der Abschnitte.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bestimmungsvorrichtung 200. Diese ist mit einer Sensorvorrichtung 210 in Form eines bildgebenden Sensors, insbesondere in Form einer Kamera, ausgestattet. Darüber hinaus ist eine Kontrolleinheit 220 vorgesehen, welche Rechenoperationen, Vergleichsoperationen und Speicheroperationen durchführen kann. Die Sensorvorrichtung 210 und die Kontrolleinheit 220 stehen miteinander in Kommunikationsverbindung, so dass entsprechend ein Zuschnittbild 30 übertragen werden kann.
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Liegt nun ein Zuschnitt 10 vor, welcher aus Faserverbundmaterial 100 mit einer Vielzahl von Fasern 110 ausgebildet ist, kann mithilfe der Sensorvorrichtung 210 ein Zuschnittbild 30 dieses Zuschnitts 10 erzeugt werden. Dieses Zuschnittbild 30 wird nun an die Kontrolleinheit 220 übermittelt und dort hinsichtlich der Faserausrichtung 112 ausgewertet. Das Ergebnis dieser Auswertung zeigt zum Beispiel die 2.
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In der 2 ist das Ergebnis des Zuschnittbildes 30 nach der Auswertung dargestellt, so dass hier dem Zuschnitt 10 unterschiedliche Abschnitte zugewiesen worden sind. Der Hauptabschnitt ist als Kernabschnitt 20 mit einer unidirektionalen und parallelen Faserausrichtung 112 der Fasern 110 des Faserverbundmaterials 100 definiert bzw. zugewiesen. Ein kleiner Abschnitt an der oberen Kante weist abstehende Fasern 110 auf, so dass hier die entsprechend variable Faserausrichtung 112 dazu geführt hat, dass hier ein kleiner Abschnitt als Zuschneideabschnitt 40 definiert worden ist. Dieser Zuschneideabschnitt 40 kann anschließend in einem weiterverarbeitenden Schritt abgeschnitten werden.
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3 zeigt eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bestimmungsvorrichtung 200. Hier ist ein einfacher, kostengünstiger und vor allem kleinerer Sensor für die Sensorvorrichtung 210 vorgesehen. Dieser erlaubt es nun, in Bildabschnitten 32, welche hier linienförmig ausgestaltet sind, einzeln aufbauend das Zuschnittbild 30 zu erzeugen. Dabei kann die Auswertung innerhalb der Kontrolleinheit 220 bereits nach Übermittlung jedes einzelnen Bildabschnitts 32 erfolgen oder erst nach dem Zusammensetzen zu einem gesamten Zuschnittbild 30. Im Ergebnis führt diese Bestimmungsvorrichtung zu gleichen Zuweisungen, wie dies bezüglich der 1 und 2 bereits erläutert worden ist.
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4 zeigt die Möglichkeit, das Zuschnittbild 30 komplett auszuwerten und einzelnen Abschnitten komplett entsprechende Eigenschaften für die Weiterverarbeitung zuzuweisen. Hier ist zentral ein Kernabschnitt 20 definiert, welcher von insgesamt fünf Zuschneideabschnitten 40 umgeben wird.
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Befindet sich ein Abschnitt mit variabler Faserausrichtung 112 mittig innerhalb eines Kernabschnitts 20, wie dies die 5 zeigt, so wird dieser Abschnitt als Ausschussabschnitt 50 definiert. Da dieser Kernabschnitt 20 durch den Ausschussabschnitt 50 soweit geschwächt werden könnte, dass er nicht die notwendigen mechanischen Eigenschaften mit sich bringt, handelt es sich hierbei nun definiert für den gesamten Zuschnitt 10 um Ausschuss.
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Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Zuschnitt
- 20
- Kernabschnitt
- 30
- Zuschnittbild
- 32
- Bildabschnitt
- 40
- Zuschneideabschnitt
- 50
- Ausschussabschnitt
- 100
- Faserverbundmaterial
- 110
- Faser
- 112
- Faserausrichtung
- 200
- Bestimmungsvorrichtung
- 210
- Sensorvorrichtung
- 220
- Kontrolleinheit
