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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines pressgehärteten Blechformteils, welches unterschiedliche Festigkeitsbereiche aufweisen soll, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Presshärtewerkzeug zur Herstellung pressgehärteter Blechformteile, die unterschiedliche Festigkeitsbereiche aufweisen sollen, gemäß dem Oberbegriff des nebengeordneten Patentanspruchs.
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Beim Presshärten, auch als Formhärten bezeichnet, wird ein zuvor auf Austenitisierungstemperatur erwärmtes Stahlblechmaterial in einem gekühlten Formwerkzeug, dem so genannten Presshärtewerkzeug, geformt und dabei gleichzeitig abgekühlt, wodurch sich Austenit in Martensit umwandelt und eine Härtung bzw. Festigkeitssteigerung eintritt. Dabei sind z. B. Materialfestigkeiten von bis zu 1600 MPa (Zerreißfestigkeit) und mehr erreichbar. Pressgehärtete Blechformteile finden insbesondere im Automobilbau Anwendung, bspw. als Karosserie-Strukturbauteile oder als Fahrwerkbauteile.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahrensweise für das Presshärten bekannt, wie bspw. das indirekte Presshärten mit einer Vorformung des Blechmaterials und das direkte Presshärten ohne Vorformen des Blechmaterials. Diesbezüglich wird bspw. auf die einleitenden Erläuterungen in der Patentschrift
DE 10 2011 053 939 A1 hingewiesen.
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Ferner sind aus dem Stand der Technik verschiedene Verfahrensweisen bekannt, um pressgehärtete Blechformteile herzustellen, die unterschiedliche Festigkeitsbereiche bzw. -zonen aufweisen. Solche pressgehärteten Blechformteile werden zuweilen auch als partiell pressgehärtete Blechformteile bezeichnet, womit gemeint ist, dass die erzeugte Presshärtung inhomogen ist. Pressgehärtete Blechformteile mit unterschiedlichen Festigkeitsbereichen können z. B. durch eine unterschiedliche Erwärmung des Blechmaterials (vor dem Presshärten im Presshärtewerkzeug), durch eine unterschiedliche Abkühlung des erwärmten Blechmaterials im Presshärtewerkzeug und/oder durch eine bereichsweise Wärmebehandlung nach dem Presshärten hergestellt werden. Diesbezüglich wird stellvertretend auf die Patentschriften
DE 10 2009 023 195 A1 ,
DE 10 2013 110 299 A1 ,
DE 10 2012 012 518 A1 ,
DE 10 2011 101 991 B3 ,
US 2012/0180910 A1 und
DE 10 2009 056 728 A1 hingewiesen.
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Die
DE 10 2009 038 896 A1 beschreibt ein Verfahren, bei welchem ein Bauteil mittels eines Warmumformprozesses aus einer Platine umgeformt wird. Gleichzeitig mit dem Warmumformprozess wird in einem Fügebereich ein Prägevorgang durchgeführt, mit dem die Dicke des Bauteils, das vorzugsweise aus einem hochfesten und presshärtbaren Stahl besteht, lokal derart reduziert wird, dass das Stanzen oder Lasern eines Vorloches wirtschaftlich durchgeführt werden kann.
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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine neue Verfahrensweise zur Herstellung pressgehärteter Blechformteile mit unterschiedlichen Festigkeitsbereichen anzugeben.
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Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den im Patentanspruch 1 genannten Merkmalen. Mit einem nebengeordneten Patentanspruch erstreckt sich die Erfindung auch auf ein Presshärtewerkzeug, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände sowohl aus den abhängigen Patentansprüchen als auch aus den nachfolgenden Erläuterungen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein auf Austenitisierungstemperatur erwärmtes Stahlblechmaterial in einem Presshärtwerkzeug geformt und dabei so rasch abgekühlt, dass sich in dem geformten Stahlblechmaterial aufgrund von Martensitbildung eine hohe Materialfestigkeit einstellt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Stahlblechmaterial im Presshärtewerkzeug, und zwar bevor dessen Abkühlung abgeschlossen ist, in wenigstens einem definierten Bereich mithilfe wenigstens eines Prägestempels vorgeprägt wird, um in diesem Bereich eine gezielte Dickenformänderung zu erzeugen bzw. herbeizuführen, durch welche im Weiteren in diesem Bereich die Martensitbildung vermieden oder zumindest verringert wird und sich (in Bezug auf die hohe Materialfestigkeit) eine verringerte bzw. niedrigere Materialfestigkeit einstellt.
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Großflächigere Bereiche können mithilfe mehrerer entsprechend im Presshärtewerkzeug angeordneter Prägestempel vorgeprägt werden.
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Im Ergebnis erhält man so ein pressgehärtetes Blechformteilteil, dass aus einem hochfesten Stahlblechmaterial gebildet ist und wenigstens einen Bereich aufweist, in dem das Stahlblechmaterial, insbesondere trotz gleicher oder annähernd gleicher Abkühlgeschwindigkeit beim Presshärten, eine deutlich geringere Festigkeit aufweist. Unter einer hohen Materialfestigkeit wird bevorzugt eine Festigkeit (Zerreißfestigkeit) von wenigstens 1200 MPa verstanden. Unter einer verringerten oder niedrigeren Materialfestigkeit wird bevorzugt eine Festigkeit von nicht mehr als 1000 MPa und insbesondere von nicht mehr als 800 MPa verstanden.
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Das hergestellte pressgehärtete Blechformteil weist also Bereiche bzw. Zonen mit unterschiedlichen Festigkeiten auf, die in nur einem Arbeitsschritt erzeugt wurden (d. h. ein weiterer Arbeits- bzw. Prozessschritt ist nicht erforderlich). Der Bereich bzw. die Bereiche mit hoher Materialfestigkeit weisen für gewöhnlich auch eine hohe Härte, jedoch nur eine relativ geringe Duktilität auf. Der Bereich bzw. die Bereiche mit niedrigerer Materialfestigkeit weisen für gewöhnlich auch eine niedrigere Härte, dafür jedoch eine höhere Duktilität auf. Die Erfindung ermöglicht also die Herstellung bzw. Erzeugung pressgehärteter Blechformteile mit wenigstens einem entfestigten bzw. lokal duktilen Bereich. Bei dem pressgehärteten Blechformteil handelt es sich vorzugsweise um ein Fahrzeugbauteil und insbesondere um ein Karosserie-Strukturbauteil oder um ein Fahrwerkbauteil. Bei einem Bereich mit niedrigerer Materialfestigkeit handelt es sich bspw. um einen Fügeflansch oder um einen Bauteilbereich, der sich im Crashfall gezielt verformen soll.
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Unter einer raschen Abkühlung wird eine Abkühlung mit einer hohen Abkühlgeschwindigkeit bzw. Abkühlrate verstanden, die zumindest der kritischen Abkühlgeschwindigkeit bzw. der kritischen Härtegeschwindigkeit (ca. 27 K/s) entspricht, so dass sich das im erwärmten bzw. erhitzen Stahlblechmaterial gebildete austenitische Gefüge in martensitisiches Gefüge umwandeln kann. Typischerweise erfolgt die rasche Abkühlung mit einer Abkühlgeschwindigkeit von mehr als 100 K/s (> 100 K/s).
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Die Erfindung betrifft sowohl ein direktes als auch ein indirektes Presshärten. Bei dem verwendeten Stahlblechmaterial kann es sich auch um Tailored Blanks handeln. Ferner kann das verwendete Stahlblechmaterial eine Beschichtung und insbesondere eine metallische Korrosionsschutzbeschichtung aufweisen. Bevorzugt ist eine homogene Erwärmung bzw. Erhitzung des Stahlblechmaterials vorgesehen, wobei durchaus auch eine inhomogene Erwärmung möglich ist.
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Die Erfindung macht sich einen bereits bekannten Effekt zunutze. Die beim Vorprägen in einem betreffenden Bereich gezielt herbeigeführte Dickenformänderung, die auch als Ausdünnung oder Blechverdünnung bezeichnet werden kann, geht mit einer plastischen Dehnung des Stahlmaterials einher, die das Phasenumwandlungsbestreben des Austenits dorthin verändert, dass, zumindest teilweise, eine vorzeitige Umwandlung in Ferrit erfolgt, der auch als deformations-induzierter Ferrit (DIF) bezeichnet wird. (Der DIF-Effekt wird bislang nicht für die Herstellung pressgehärteter Blechformteile genutzt.) Ein ferritisches Gefüge ist gegenüber einem martensitischen Gefüge duktiler, weicher und weniger fest. Idealerweise stellt sich in dem betreffenden vorgeprägten Blechformteilbereich nach der Abkühlung ein Mischgefüge ein, das martensitische und ferritische und gegebenenfalls auch noch bainitische Gefügebestandteile umfasst und daher eine niedrigere Materialfestigkeit und eine höhere Duktilität als ein im Wesentlichen martensitisches Gefüge aufweist.
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Das Vorprägen des Stahlblechmaterials im Presshärtewerkzeug erfolgt bevor das vorausgehend auf Austenitisierungstemperatur (typischerweise > 900 °C) erwärmte Stahlblechmaterial in dem betreffenden Bereich auf 700 °C abgekühlt ist. Insbesondere erfolgt das Vorprägen bei einer Temperatur zwischen 850° und 700 °C. Versuche haben ergeben, dass in den genannten Temperaturbereichen sehr gute Ergebnisse erzielbar sind.
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Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass beim Vorprägen des Stahlblechmaterials im Presshärtewerkzeug in dem betreffenden Bereich eine Dickenformänderung mit einem Umformgrad Phi (φ = logarithmische Formänderung) kleiner -0,1 (φ < -0,1) und insbesondere kleiner -0,2 (φ < -0,2) herbeigeführt wird (womit betragsmäßig ein Umformgrad größer 0,1 bzw. größer 0,2 gemeint ist). Besonders bevorzugt liegt der Umformgrad φ der beim Vorprägen erzeugten Dickenformänderung in einem Wertebereich von -0,07 bis -0,3 (d. h. -0,07 ≥ φ ≥ - 0,3). Auch hier haben Versuche ergeben, dass damit sehr gute Ergebnisse erzielbar sind.
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Im Presshärtewerkzeug kann eine Umformung des Stahlblechmaterials erfolgen (direktes Presshärten), wobei das Vorprägen dann bevorzugt vor dem Umformen und/oder während dem Umformen erfolgt. Demnach erfolgt das Vorprägen bevor die Umformung des Stahlblechmaterials im Presshärtewerkzeug abgeschlossen ist. Das Vorprägen kann zu einem möglichst frühen Zeitpunkt erfolgen, solange noch keine oder zumindest keine nennenswerte Abkühlung und/oder Umformung stattgefunden hat, bspw. sobald das erwärmte Stahlblechmaterial, idealerweise in Gestalt einer ebenen Platine, in das Presshärtewerkzeug eingelegt ist und sich die Werkzeugteile des Presshärtewerkzeugs im Zuge einer Schließbewegung berühren (oder gegebenenfalls auch kurz davor).
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Im Bereich der Vorprägung bzw. Ausdünnung kann das Stahlblechmaterial im Presshärtewerkzeug gezielt mit einer niedrigeren Abkühlgeschwindigkeit abgekühlt werden. Bevorzugt erfolgt eine solche gegenüber den nicht vorgeprägten Bereichen verlangsamte Abkühlung erst nach dem Vorprägen. Unter einer niedrigeren Abkühlgeschwindigkeit wird insbesondere eine Abkühlrate von nicht mehr als 100 K/s (≤ 100 K/s) verstanden. Durch die lokal verringerte Abkühlgeschwindigkeit können sich in dem betreffenden vorgeprägten Blechformteilteilbereich auch noch perlitische Gefügebestandteile ausbilden. Daraus ergeben sich unterschiedliche Vorteile. Eine lokal verringerte Abkühlgeschwindigkeit kann werkzeugseitig bewerkstelligt werden, bspw. durch eine separate Kühlung und/oder Beheizung des Prägestempels, wie nachfolgend noch näher erläutert.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der für das Vorprägen verwendete Prägestempel beim Vorprägen nur kurzzeitig Kontakt mit dem Stahlblechmaterial hat, wodurch (insbesondere ohne sonstige Maßnahmen) eine übermäßige Abkühlung des Stahlblechmaterials im vorzuprägenden Bereich verhindert werden kann. Bevorzugt liegt die Kontakt- bzw. Berührungszeit zwischen dem Prägestempel bzw. dessen Wirkfläche und dem erwärmten Stahlblechmaterial unter 0,5 Sekunden (< 0,5 s). Dies kann durch eine dynamische Stempelbewegung, ähnlich einem Hammerschlag mit Vor- und Rückwärtsbewegung, bewerkstelligt werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Presshärtewerkzeug handelt es sich um ein pressengebundenes Werkzeug mit einem Werkzeugunterteil und einem hierzu relativbeweglichen Werkzeugoberteil (wobei auch eine kinematische Umkehr möglich ist). Zwischen Werkzeugunterteil und Werkzeugoberteil ist in bekannter Weise ein erwärmtes bzw. erhitztes Stahlblechmaterial anordenbar, das durch Absenken des Werkzeugoberteils geformt und pressgehärtet werden kann. Das Presshärtewerkzeug weist ferner eine Kühleinrichtung, wie bspw. mit Kühlfluid durchströmbare Kühlkanäle, auf. Erfindungsgemäß ist im Werkzeugunterteil und/oder im Werkzeugoberteil wenigstens ein Prägestempel angeordnet, mit dem das erwärmte Stahlblechmaterial entsprechend den vorausgehenden Erläuterungen in einem definierten Bereich zur Herbeiführung einer gezielten Dickenformänderung vorgeprägt werden kann bzw. vorprägbar ist, bevor das Stahlblechmaterials auf 700 °C abgekühlt ist.
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Bevorzugt weist der Prägestempel eine direkt mit dem Stahlblechmaterial in Berührung kommende Wirkfläche auf. Die Wirkfläche des Prägestempels bildet dabei einen Teil der Werkzeugwirkfläche. Besonders bevorzugt ist der Prägestempel mit einer Kühleinrichtung und/oder mit einer Heizeinrichtung ausgestattet, die eine aktive Kühlung und/oder Beheizung der Prägestempel-Wirkfläche ermöglicht.
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Das Presshärtwerkzeug kann ferner wenigstens einen Aktuator (d. h. ein Antriebselement) für die autarke (d. h. nicht an die Schließbewegung gekoppelte) Betätigung des Prägestempels aufweisen. Ein solcher Aktuator ist insbesondere ein elektrischer Antrieb oder ein hydraulischer Antrieb (bspw. ein Hydraulikzylinder). Als Aktuator kann aber bspw. auch eine Federeinrichtung (bspw. mit wenigstens einer steuerbaren Gasdruckfeder) verwendet werden. Der Prägestempel kann direkt oder indirekt mittels Übersetzungsmechanismus mit dem Aktuator verbunden sein. Dessen ungeachtet ist auch eine an die Schließbewegung gekoppelte Betätigung des Prägestempels möglich (bspw. durch mechanische Kopplung mittels Schieber).
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Zum Presshärtewerkzeug gehört eine Steuereinrichtung, die dazu ausgebildet ist, den Presshärtevorgang im Presshärtewerkzeug steuern oder sogar regeln zu können. Mit dieser Steuereinrichtung kann bevorzugt auch eine Steuerung oder Regelung des den Prägestempel antreibenden Aktuators, wobei es sich insbesondere um eine wegabhängige bzw. weggebundene Steuerung oder Regelung handelt, und/oder der Kühl-/Heizeinrichtung im Prägestempel erfolgen.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und in nicht einschränkender Weise mit Bezug auf die Figuren näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch unabhängig von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung entsprechend weiterbilden.
- 1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht ein erfindungsgemäßes Presshärtewerkzeug.
- 2 veranschaulicht in einem Diagramm einen erfindungsgemäßen Verfahrensablauf zur Herstellung eines pressgehärteten Blechformteils mit unterschiedlichen Festigkeitsbereichen.
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Das in 1 gezeigte Presshärtewerkzeug 100 weist ein Werkzeugoberteil 110 und ein Werkzeugunterteil 120 auf, wobei die Werkzeugteile 110/120 jeweils mit Kühlkanälen 130 ausgebildet sind. Zwischen den Werkzeugteilen 110/120 befindet sich ein Stahlblechmaterial 200, das zu einem Blechformteil umgeformt wurde. (Die Darstellung zeigt das Ende des Umformvorgangs, wobei sich das Werkzeugoberteil 110 in seinem unteren Totpunkt befindet). Gleichzeitig mit der Umformung wurde das im erhitzen Zustand in das Presshärtewerkzeug 100 eingelegte Stahlblechmaterial 200 rasch abgekühlt, wodurch es aufgrund von Martensitbildung zu einer so genannten Presshärtung gekommen ist.
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Im Werkzeugoberteil 110 sind mehrere relativbewegliche Prägestempel 140 angeordnet, die jeweils über wenigstens einen Aktuator 150, bspw. einen Hydraulikzylinder, aktiv angetrieben werden. Mithilfe dieser Prägestempel 140 wird das erhitzte Stahlblechmaterial 200 nach dem Einlegen in das Presshärtewerkzeug 100 in definierten Bereichen vorgeprägt, um in diesen Bereichen lokal eine gezielte Dickenformänderung bzw. Ausdünnung herbeizuführen, bevor die Abkühlung des Stahlblechmaterials 200 abgeschlossen ist. Bei diesem Vorprägen wird eine Dickenformänderung herbeigeführt, deren Umformgrad (Phi) wenigstens -0,1 beträgt. Durch das Vorprägen wird im Weiteren eine Martensitbildung in diesen vorgeprägten bzw. ausgedünnten Bereichen verhindert oder zumindest reduziert, wodurch sich im Vergleich zu den benachbarten martensitischen Bereichen eine niedrigere Materialfestigkeit und eine höhere Duktilität einstellt. Bei diesen vorgeprägten Blechformteilbereichen handelt es sich bspw. um Fügeflansche oder Crashenergieabsorptionszonen.
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2 zeigt schematisch einen möglichen Temperatur-Zeit-Verlauf für die erfindungsgemäße Herstellung eines pressgehärteten Blechformteils mit unterschiedlichen Festigkeitsbereichen mithilfe des in 1 gezeigten Werkzeugs. Der Zeitablauf ist nur schematisch dargestellt.
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Zunächst wird das Stahlblechmaterial 200 (bspw. ein 22MnB5-Werkstoff), insbesondere in Gestalt einer Platine, in einem Ofen oder dergleichen auf Austenitisierungstemperatur (> AC3) erwärmt [Phase A] und dann auf diesem hohen Temperaturniveau gehalten [Phase B], damit sich Austenit bilden kann. Die Erwärmungs- und Haltetemperatur beträgt bspw. 930 °C. Die erhitze Platine wird dann zum Presshärtewerkzeug 100 transportiert, wobei in der Regel eine freie Abkühlung erfolgt [Phase C]. Die Einlegetemperatur beträgt bspw. ca. 800 °C oder mehr. Nachdem das Presshärtewerkzeug 100 im Zuge einer Schließbewegung durch Absenken des Werkzeugoberteils 110 geschlossen ist (oder gegebenenfalls auch kurz davor), erfolgt das Vorprägen mit Hilfe der Prägestempel 140. Dieses Vorprägen ist in 2 mit dem Punkt V dargestellt und findet bei einer Temperatur oberhalb von 700 °C statt (Warmprägen). Anschließend wird die Platine umgeformt oder fertig geformt und dabei rasch abgekühlt (> 100 K/s), bis die Entnahmetemperatur (bspw. ca. 200 °C) erreicht ist, wobei eine Presshärtung erfolgt [Phase D].
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Strichliniert ist eine optional mögliche Abkühlung mit lokal verringerter Abkühlgeschwindigkeit (< 100 K/s) in den vorgeprägten Bereichen dargestellt, so dass sich dort andere Gefügeanteile einstellen können, wie obenstehend erläutert. Unter anderem hierfür können die Prägestempel 140 mit separaten Kühl- und/oder Heizeinrichtungen ausgebildet sein.
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Ein auf diese Weise in wenigen Arbeitsschritten und somit in verhältnismäßig kurzer Prozesszeit hergestelltes pressgehärtetes Blechformteil ist verzugsfrei und weist Bereiche bzw. Abschnitte mit unterschiedlichen Festigkeiten bzw. Duktilitäten auf. Ferner sind die Herstellkosten vergleichsweise gering.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Presshärtewerkzeug
- 110
- Werkzeugoberteil
- 120
- Werkzeugunterteil
- 130
- Kühlkanäle
- 140
- Prägestempel
- 150
- Aktuatoren
- 200
- Stahlblechmaterial
- A
- Erwärmungsphase
- B
- Haltephase
- C
- Transportphase
- D
- Umform-/Abkühlphase
- T
- Temperatur
- V
- Vorprägen
- t
- Zeit
