DE102017109537A1 - Sensorring eines Bohrkopfes - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug (1), insbesondere einen Bohrkopf (1), das ein Lagerelement (6) mit einem Lagerinnenelement (7) und einem Lageraußenelement (8), sowie mit mindestens einem Wälzkörper (9), angeordnet zwischen dem Lagerinnen-(7) und Lageraußenelement (8), und mindestens ein Sensorelement (10) zum Erfassen von technischen Parametern des Lagerelements (6) aufweist. Dabei ist das mindestens eine Sensorelement (10) an dem Lagerelement (6), insbesondere am Lagerinnenelement (7), angeordnet, wobei das mindestens eine Sensorelement (10) ein Energy-Harvesting-Modul (11) zur Energiegewinnung und -versorgung des mindestens einen Sensorelements (10) umfasst. Ferner betrifft die Erfindung ein System (20) zur Werkzeugabfrage.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Werkzeug, insbesondere einen Bohrkopf, mit einem Lagerelement, das ein Lagerinnenelement und ein Lageraußenelement sowie dazwischen angeordnete Wälzkörper umfasst, und mit mindestens einem Sensorelement zum Erfassen von technischen Parametern des Lagerelements.
  • Herkömmliche Bohrköpfe bzw. Werkzeuge in z. B. Werkzeugmaschinen sind aufgrund Raummangels durch die Verwendung zu klein dimensionierter Lager störanfällig. Derartige Werkzeuge und somit die gesamte Werkzeugmaschine können daher unvorhersehbar ausfallen.
  • Um eine dauerhafte Einsatzbereitschaft einer Werkzeugmaschine garantieren zu können, wird das Werkzeug bzw. der Bohrkopf mit der zwei- bis dreifachen Anzahl vorgehalten. Dies bindet unnötig Kapital.
  • Aus dem Stand der Technik sind z. B. Sensorringe bekannt, die über ein Kabel mit einer Auswerteeinheit verbindbar sind. Dieses Kabel wird aus dem Werkzeug herausgeführt und mit einer Steuerung bzw. der Auswerteeinheit verbunden. Da sich das Werkzeug im Einsatz jedoch frei im Bearbeitungsraum der Maschine bewegt, ist es unmöglich, während der Bearbeitung eines Werkstückes Kabel durch den Maschinenraum zu führen.
  • Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Werkzeug, insbesondere einen Bohrkopf, anzugeben, welches kostengünstig herstellbar ist sowie Parameter z. B. eines Lagers des Werkzeuges während der Fertigung eines Werkstückes zur Verfügung stellen kann, um einen Ausfall der Werkzeugmaschine bzw. des Werkzeuges bzw. des Bohrkopfes vorherzubestimmen, wodurch Stehzeiten der Werkzeugmaschine verhinderbar sind.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Erfindungsgemäß umfasst die vorliegende Erfindung ein Werkzeug, insbesondere einen Bohrkopf, das bzw. der ein Lagerelement mit einem Lagerinnenelement und einem Lageraußenelement, sowie mit mindestens einem Wälzkörper, angeordnet zwischen dem Lagerinnen- und Lageraußenelement, aufweist.
  • Ferner weist das Werkzeug bzw. der Bohrkopf mindestens ein Sensorelement zum Erfassen von technischen Parametern des Lagerelements auf. Auf diese Weise ist der Ausfall eines Werkzeuges bzw. Bohrkopfes vorherbestimmbar.
  • Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn das mindestens eine Sensorelement an dem Lagerelement, insbesondere am Lagerinnenelement, angeordnet ist. Somit können Parameter des Lagerelements mithilfe des Sensorelements erfasst werden.
  • Auch ist es von Vorteil, wenn das mindestens eine Sensorelement ein Energy-Harvesting-Modul zur Energiegewinnung und -versorgung des mindestens einen Sensorelements umfasst.
  • Günstigerweise umfasst das Energy-Harvesting-Modul einen piezoelektrischen Kristall zur Erzeugung elektrischer Spannungen durch Krafteinwirkung.
  • Ergänzend oder alternativ (und/oder) ist es von Vorteil, wenn das Energy-Harvesting-Modul einen thermoelektrischen Generator und/oder einen pyroelektrischen Kristall zur Gewinnung elektrischer Energie aus Temperaturunterschieden aufweist.
  • Ergänzend oder alternativ (und/oder) ist es bevorzugt, dass das Energy-Harvesting-Modul eine Antenne zum Auffangen von Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung umfasst.
  • Ergänzend oder alternativ (und/oder) umfasst das Energy-Harvesting-Modul vorzugsweise ein Photovoltaikelement zur Erzeugung elektrischer Energie aus Umgebungsbeleuchtung.
  • Ferner weist das Energy-Harvesting-Modul ergänzend oder alternativ (und/oder) bevorzugterweise eine Mechanik mit oder ohne Induktion auf.
  • Des Weiteren ist es günstig, wenn das mindestens eine Sensorelement ein Sensormodul, insbesondere einen Sensorring, umfasst.
  • Das Sensormodul ist vorzugsweise ausgebildet, Erschütterungen des Lagerelements und/oder die Temperatur des Lagerelements und/oder den Schmierstoffvorrat des Lagerelements zu detektieren.
  • Ferner ist es möglich, dass das mindestens eine Sensorelement das Lagerinnenelement, vorzugsweise unmittelbar, kontaktiert. Somit können Parameter des Lagerelements genau erfasst werden.
  • Bevorzugterweise umfasst das mindestens eine Sensorelement ein Sendemodul zum drahtlosen Versenden von technischen Parametern des Lagerelements, wobei das Energy-Harvesting-Modul das Sendemodul mit Energie versorgt.
  • Günstigerweise weist das Sendemodul eine Antenne auf, die vorzugsweise an der äußeren Mantelfläche eines Gehäuses des Werkzeuges bzw. Bohrkopfes angeordnet ist.
  • Auch ist es günstig, wenn das Werkzeug bzw. der Bohrkopf ein Gehäuse umfasst. Dieses kann z. B. ein Lagerelement in seinem Inneren vor Verschmutzungen schützen.
  • Günstigerweise kann das Gehäuse als Sendemodul, insbesondere als Antenne, ausgebildet werden. In diesem Falle kann mit einem sog. generativen Metall-PulverAuftragsverfahren bzw. MPA-Fertigungsverfahren eine Schicht aus z. B. Reinkupfer auf das Gehäuse des Werkzeuges bzw. Bohrkopfes aufgetragen werden. Auf diese Weise kann das Gehäuse zum Sender bzw. Sendemodul ausgebildet werden.
  • Bevorzugterweise ist das Lagerelement innerhalb des Gehäuses angeordnet, wobei vorzugsweise das mindestens eine Sensorelement innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Folglich kann das mindestens eine Sensorelement vor Schmutz bzw. Verunreinigungen geschützt werden.
  • Ferner ist es bevorzugt, dass das Lageraußenelement an dem Gehäuse angeordnet ist.
  • Auch kann vorgesehen sein, dass das Gehäuse eine Aussparung, insbesondere eine Bohrung, zum Einbringen und Positionieren des Energy-Harvesting-Moduls innerhalb des Gehäuses umfasst.
  • Vorzugsweise grenzt die Aussparung an das Sensormodul an, sodass das Energy-Harvesting-Modul mit dem Sensormodul verbindbar ist.
  • Vorteilhafterweise ist die Aussparung mithilfe einer Mediensperre abdichtbar, um das Lagerelement vor äußeren Verschmutzungen zu schützen.
  • Dabei ist es günstig, wenn die Mediensperre ein Silikon umfasst. Auch ist es günstig, wenn die Mediensperre ein Plastik-Fermit oder einen ähnlichen Dichtwerkstoff umfasst.
  • Ferner ist es bevorzugt, dass das Energy-Harvesting-Modul und das Sensormodul relativ zueinander bewegbar sind.
  • Alternativ (oder) ist es von Vorteil, dass das Energy-Harvesting-Modul und das Sensormodul derart miteinander verbunden sind, dass eine relative Bewegung der beiden zueinander unterbindbar ist.
  • Mithilfe der beiden vorgenannten Merkmale ist es möglich, die weiter oben genannten Varianten von Energy-Harvesting-Modulen entsprechend zu realisieren.
  • Ferner ist es günstig, dass das Werkzeug bzw. der Bohrkopf ferner einen Antrieb, einen Abtrieb, insbesondere in Form einer Bohreraufnahme ausgebildet, und eine angetriebene Welle umfasst.
  • Vorzugsweise ist der Antrieb in Form einer Schaftaufnahme ausgebildet und günstigerweise mit der angetriebenen Welle verbunden.
  • Auch ist es günstig, wenn der Abtrieb mit dem Antrieb über die angetriebene Welle verbunden ist.
  • Bevorzugterweise ist das Lagerinnenelement an der angetriebenen Welle angeordnet. Somit kann die angetriebene Welle gelagert werden.
  • Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst vorzugsweise ein System zur Werkzeugabfrage bzw. Bohrkopfabfrage mit einer Datenempfangseinheit, günstigerweise ausgebildet als sog. Schaeffler-Hardwarebox.
  • Ferner weist das System vorteilhafterweise ein Werkzeug bzw. einen Bohrkopf mit Merkmalen auf, die oberhalb in dieser Beschreibung erläutert werden und die einzeln oder in Kombination auch hier für das Werkzeug in einem System zur Werkzeugabfrage eingesetzt werden können bzw. zur Anwendung kommen können.
  • Vorzugsweise ist die Datenempfangseinheit gegenüber mindestens einem Sensorelement des Werkzeuges bzw. einem Sendemodul des mindestens einen Sensorelements des Werkzeuges, insbesondere gegenüber einer Antenne, angeordnet bzw. anbringbar.
  • Dabei nimmt die Datenempfangseinheit günstigerweise übertragene Daten des Sendemoduls bzw. des mindestens einen Sensorelements auf und bildet vorzugsweise eine kommunikative Schnittstelle zu einer Maschinensteuerung und/oder zu einem Netzwerk, insbesondere zum Internet.
  • Die Datenempfangseinheit ist bevorzugterweise in einem Maschinenraum angeordnet.
  • Ferner ist die Datenempfangseinheit günstigerweise derart positioniert, insbesondere in einem Maschinenraum positioniert, dass Störgrößen zwischen Sendemodul und Datenempfangseinheit vermieden werden können. Somit kann ein gleichbleibender Sendefluss gewährleistet werden. Auch können somit Daten bzw. technische Parameter des Lagerelements in Echtzeit und vorzugsweise permanent überwacht und/oder über ein Netzwerk gestreamt werden.
  • Nachfolgend wird der oben dargestellte Erfindungsgedanke ergänzend mit anderen Worten ausgedrückt.
  • Dieser Gedanke betrifft vorzugsweise - vereinfacht dargestellt - ein Werkzeug bzw. einen Bohrkopf mit einem Energy-Harvesting-Modul und vorzugsweise einem Sendemodul.
  • Anders ausgedrückt, wird günstigerweise Antriebsenergie über eine Schaftaufnahme an die Antriebswelle des Werkzeuges bzw. des Bohrkopfes übertragen.
  • Auf der Antriebswelle lagert vorzugsweise ein Innenring eines Lagers. Hinter dem Innenring befindet sich bevorzugterweise ein Sensorring.
  • Der Sensorring ermittelt vorzugsweise Erschütterungen, Temperatur des Lagers und/oder eventuell den Schmierstoffvorrat.
  • Am Ende des Sensorringes befindet sich bevorzugterweise ein Durchbruch eines Schachtes oder ein Durchbruch einer Bohrung. Hier besteht die Möglichkeit das Energy-Harvesting-Modul und/oder das Sendemodul einzuschieben.
  • Eine Sendeantenne bzw. eine Antenne bildet hierbei vorzugsweise nach außen hin einen Abschluss. Nun kann im inneren Bereich des Energy-Harvesting-Moduls mit Silikon eine Mediensperre eingebracht werden, welche zum Schutz der empfindlichen Getriebeteile bzw. der Lager des Werkzeuges notwendig ist.
  • Die Antenne schließt günstigerweise bündig mit der Außenwand des Werkzeuges bzw. Bohrkopfes ab oder steht wenige zehntel Millimeter über die Außenwand bzw. äußere Mantelfläche hervor.
  • Verschmutzung sowie Medien zur Schmierung können durch die Silikonsperre nicht ins Innere des Werkzeuges gelangen.
  • Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt schematisch:
    • 1 ein erfindungsgemäßes Werkzeug bzw. einen Bohrkopf mit einem Teilschnitt.
  • 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Werkzeug 1 bzw. einen Bohrkopf 1 mit einem Teilschnitt.
  • Genauer dargestellt zeigt 1 ein Werkzeug bzw. einen Bohrkopf 1, der ein Lagerelement 6 mit einem Lagerinnenelement 7 und einem Lageraußenelement 8 sowie mit Wälzkörpern 9 umfasst, wobei die Wälzkörper 9 zwischen dem Lagerinnen- 7 und Lageraußenelement 8 angeordnet sind.
  • Des Weiteren hat der Bohrkopf 1 ein Gehäuse 13, in welchem das Lagerelement 6 angeordnet ist.
  • Das Lageraußenelement 8 ist dabei am Gehäuse 13 angeordnet. Das Lagerinnenelement 7 hingegen ist an einer angetriebenen Welle 4 angeordnet.
  • Ferner umfasst der Bohrkopf 1 ein Sensorelement 10 zum Erfassen von technischen Parametern des Lagerelements 6. Das Sensorelement 10 ist innerhalb des Gehäuses 13 angeordnet.
  • Genauer dargestellt, ist das Sensorelement 10 unmittelbar am Lagerinnenelement 7 angeordnet, sodass sich diese berühren bzw. kontaktieren.
  • Ferner umfasst das Sensorelement 10 ein Energy-Harvesting-Modul 11 (nur angedeutet dargestellt) zur Energiegewinnung und -versorgung des Sensorelements 10.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist das Energy-Harvesting-Modul 11 einen piezoelektrischen Kristall zur Erzeugung elektrischer Spannungen durch Krafteinwirkung auf.
  • Es sind jedoch auch andere Möglichkeiten der Energiegewinnung durch das Energy-Harvesting-Modul 11 möglich. So kann dieses z. B. auch einen thermoelektrischen Generator und/oder einen pyroelektrischen Kristall zur Gewinnung elektrischer Energie aus Temperaturunterschieden aufweisen.
  • Ferner ist es auch möglich, dass das Energy-Harvesting-Modul 11 eine Antenne zum Auffangen von Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung, und/oder ein Photovoltaikelement zur Erzeugung elektrischer Energie aus Umgebungsbeleuchtung aufweist.
  • Selbstverständlich kann auch eine Mechanik mit oder ohne Induktion zum Einsatz kommen.
  • Wie 1 ferner zeigt, umfasst das Sensorelement 10 ein Sensormodul 12 bzw. einen Sensorring 12. Dieser ist derart ausgebildet, dass Erschütterungen des Lagerelements 6, die Temperatur des Lagerelements 6 und der Schmierstoffvorrat des Lagerelements 6 detektiert werden können.
  • Des Weiteren umfasst das Sensorelement 10 ein Sendemodul (nicht dargestellt) zum drahtlosen Versenden von technischen Parametern des Lagerelements 6, wobei das Energy-Harvesting-Modul 11 das Sendemodul mit Energie versorgt.
  • Dabei weist das Sendemodul eine Antenne (nicht dargestellt, aber angedeutet) auf, die an der äußeren Mantelfläche AM des Gehäuses 13 des Bohrkopfes 1 angeordnet ist. Somit können Daten ohne störende Hindernisse versandt werden Auch geht aus 1 hervor, dass das Gehäuse 13 eine Aussparung 14, insbesondere eine Bohrung, zum Einbringen und Positionieren des Energy-Harvesting-Moduls 11 innerhalb des Gehäuses 13 umfasst.
  • Dabei grenzt die Aussparung 14 an das Sensormodul 12 an, sodass das Energy-Harvesting-Modul 11 mit dem Sensormodul 12 verbindbar bzw. verbunden ist.
  • Die Aussparung 14 ist dabei mithilfe einer Mediensperre abgedichtet, um das Lagerelement 6 vor äußeren Verschmutzungen zu schützen. Bei der Mediensperre handelt es sich um Silikon. Alternativ ist auch Plastik-Fermit oder ein ähnlicher Dichtwerkstoff als Mediensperre einsetzbar.
  • Wie 1 ferner zeigt, umfasst das Werkzeug 1 bzw. der Bohrkopf 1 einen Antrieb 2, einen Abtrieb 5, insbesondere in Form einer Bohreraufnahme ausgebildet, und eine angetriebene Welle 4.
  • Der Antrieb 2 ist in Form einer Schaftaufnahme 3 ausgebildet und mit der angetriebenen Welle 4 verbunden, wobei der Abtrieb 5 mit dem Antrieb 2 über die angetriebene Welle 4 verbunden ist.
  • Ferner ist das Lagerinnenelement 7 an der angetriebenen Welle 4 angeordnet und das Lageraußenelement 8 am Gehäuse 13, wie bereits erläutert.
  • Betreffend das Energy-Harvesting-Modul 11 und das Sensormodul 12 sei noch erwähnt, dass diese im vorliegenden Ausführungsbeispiel relativ zueinander bewegbar sind.
  • Alternativ ist es auch möglich, dass das Energy-Harvesting-Modul 11 und das Sensormodul 12 derart miteinander verbunden sind, dass eine relative Bewegung der beiden zueinander unterbunden bzw. nicht möglich ist.
  • 1 zeigt ferner ein System 20 zur Werkzeugabfrage mit einer Datenempfangseinheit 21, ausgebildet als sog. Schaeffler-Hardwarebox. Diese ist gegenüber dem Sendemodul des Sensorelements 10 angeordnet und nimmt übertragene Daten des Sendemoduls bzw. des Sensorelements 10 auf.
  • Somit bildet die Datenempfangseinheit 21 eine kommunikative Schnittstelle zu einer Maschinensteuerung bzw. zu einem Netzwerk.
  • Dabei ist die Datenempfangseinheit 21 derart in einem Maschinenraum anbringbar, dass Störgrößen zwischen Sendemodul bzw. Sensorelement 10 und Datenempfangseinheit 21 vermieden werden können.
  • Dies gewährleistet einen gleichbleibenden Sendefluss, wodurch Daten bzw. technische Parameter des Lagerelements 6 in Echtzeit überwachbar sind.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Werkzeug / Bohrkopf
    2
    Antrieb
    3
    Schaftaufnahme
    4
    angetriebene Welle
    5
    Abtrieb
    6
    Lagerelement
    7
    Lagerinnenelement
    8
    Lageraußenelement
    9
    Wälzkörper
    10
    Sensorelement
    11
    Energy-Harvesting-Modul
    12
    Sensormodul
    13
    Gehäuse
    14
    Aussparung
    20
    System zur Werkzeugabfrage
    21
    Datenempfangseinheit
    AM
    äußere Mantelfläche

Claims (10)

  1. Werkzeug, insbesondere Bohrkopf (1), aufweisend - ein Lagerelement (6) mit einem Lagerinnenelement (7) und einem Lageraußenelement (8), sowie mit mindestens einem Wälzkörper (9), angeordnet zwischen dem Lagerinnen- (7) und Lageraußenelement (8), und - mindestens ein Sensorelement (10) zum Erfassen von technischen Parametern des Lagerelements (6), wobei das mindestens eine Sensorelement (10) an dem Lagerelement (6), insbesondere am Lagerinnenelement (7), angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Sensorelement (10) ein Energy-Harvesting-Modul (11) zur Energiegewinnung und -versorgung des mindestens einen Sensorelements (10) umfasst.
  2. Werkzeug nach Anspruch 1, wobei das Energy-Harvesting-Modul (11) umfasst: - einen piezoelektrischen Kristall zur Erzeugung elektrischer Spannungen durch Krafteinwirkung, und/oder - einen thermoelektrischen Generator und/oder einen pyroelektrischen Kristall zur Gewinnung elektrischer Energie aus Temperaturunterschieden, und/oder - eine Antenne zum Auffangen von Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung, und/oder - ein Photovoltaikelement zur Erzeugung elektrischer Energie aus Umgebungsbeleuchtung, und/oder - eine Mechanik mit oder ohne Induktion.
  3. Werkzeug nach Anspruch 1 oder 2, wobei das mindestens eine Sensorelement (10) ein Sensormodul (12), insbesondere einen Sensorring (12), umfasst, das vorzugsweise ausgebildet ist, Erschütterungen des Lagerelements (6) und/oder die Temperatur des Lagerelements (6) und/oder den Schmierstoffvorrat des Lagerelements (6) zu detektieren.
  4. Werkzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Sensorelement (10) das Lagerinnenelement (6), vorzugsweise unmittelbar, kontaktiert.
  5. Werkzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, - wobei das mindestens eine Sensorelement (10) ein Sendemodul zum drahtlosen Versenden von technischen Parametern des Lagerelements (6) umfasst, wobei das Energy-Harvesting-Modul (11) das Sendemodul mit Energie versorgt. - wobei vorzugsweise das Sendemodul eine Antenne aufweist, die vorzugsweise an der äußeren Mantelfläche (AM) eines Gehäuses (13) des Werkzeuges (1) angeordnet ist.
  6. Werkzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, - wobei das Werkzeug (1) ein Gehäuse (13) umfasst, - wobei vorzugsweise das Lagerelement (6) innerhalb des Gehäuses (13) angeordnet ist, - wobei vorzugsweise das mindestens eine Sensorelement (10) innerhalb des Gehäuses (13) angeordnet ist, - wobei vorzugsweise das Lageraußenelement (8) an dem Gehäuse (13) angeordnet ist.
  7. Werkzeug nach Anspruch 6, - wobei das Gehäuse (13) eine Aussparung (14), insbesondere eine Bohrung, zum Einbringen und Positionieren des Energy-Harvesting-Moduls (11) innerhalb des Gehäuses (13) umfasst, - wobei vorzugsweise die Aussparung (14) an das Sensormodul (12) angrenzt, sodass das Energy-Harvesting-Modul (11) mit dem Sensormodul (12) verbindbar ist, - wobei vorzugsweise die Aussparung (14) mithilfe einer Mediensperre abdichtbar ist, um das Lagerelement (6) vor äußeren Verschmutzungen zu schützen, - wobei vorzugsweise die Mediensperre ein Silikon umfasst.
  8. Werkzeug nach einem der Ansprüche 3 bis 7, - wobei das Energy-Harvesting-Modul (11) und das Sensormodul (12) relativ zueinander bewegbar sind, - oder wobei das Energy-Harvesting-Modul (11) und das Sensormodul (12) derart miteinander verbunden sind, dass eine relative Bewegung der beiden zueinander unterbindbar ist.
  9. Werkzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, - wobei das Werkzeug (1) ferner einen Antrieb (2), einen Abtrieb (5), insbesondere in Form einer Bohreraufnahme ausgebildet, und eine angetriebene Welle (4) umfasst, - wobei vorzugsweise der Antrieb (2) in Form einer Schaftaufnahme (3) ausgebildet und mit der angetriebenen Welle (4) verbunden ist, - wobei vorzugsweise der Abtrieb (5) mit dem Antrieb (2) über die angetriebene Welle (4) verbunden ist, - wobei vorzugsweise das Lagerinnenelement (7) an der angetriebenen Welle (4) angeordnet ist.
  10. System (20) zur Werkzeugabfrage, insbesondere zur Abfrage eines Bohrkopfes, aufweisend: - ein Werkzeug, insbesondere einen Bohrkopf (1), nach einem der Ansprüche 1 bis 9, und - eine Datenempfangseinheit (21).
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