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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung und/oder Bewertung von Werkstoffeigenschaften an metallischen Proben von Rohren.
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Als technisches Anwendungsgebiet kann zunächst die Werkstoffprüfung für die Charakterisierung von Rohrhalbzeugen sowie ferner die Anwendung der Werkstoffdaten für die Prozessauslegung und das Produktdesign im Bereich Automobil-, Flugzeug- und Schienenfahrzeugbau angesehen werden.
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Eine erfolgreiche Methodenplanung von wirkmedienbasierten Umformprozessen an Rohrhalbzeugen erfolgt, wie auch bei konventionellen Blechumformprozessen, in der Regel auf Basis von simulationsbasierten Auslegungen, die grundlegend das Vorhandensein geeigneter Informationen über das elastisch-plastische Verhalten des jeweiligen Werkstoffs erforderlich macht. Während auf dem Sektor der Tief- und Streckziehprozesse an ebenen Blechhalbzeugen vielfältige Grundlagenversuche für die umfassende Generierung dieser Informationen zur Verfügung stehen, führen die geometrischen Beschränkungen des Werkstoffprüfvolumens bei Rohrhalbzeugen zu einer signifikanten Einschränkung der in Frage kommenden Prüfverfahren. Bewährte Prüfmethoden können nicht einfach übertragen werden, sondern bedürfen entweder einer entsprechenden Anpassung auf das jeweilige Rohrhalbzeug oder können aufgrund der zwingend erforderlichen Probenform gar nicht angewendet werden.
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Die übergeordnete Zielstellung der Werkstoffprüfverfahren soll an dieser Stelle für die weiteren Ausführungen wie folgt formuliert werden:
- Durchführung mechanischer Grundlagenversuche mit definiertem Dehnungszustand und Generierung eines Werkstoffmodells zur Beschreibung des elastischen und plastischen Werkstoffverhaltens unter mehrachsiger Belastung.
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Im industriellen Kontext wird nach wie vor mangels Zeit bzw. finanzieller Ressourcen überwiegend auf vorhandene Werkstoffkarten des jeweiligen Werkstoffs aus Datenbanken zurückgegriffen. In der Regel entspringen diese Modelle aber einer Prüfung von konventionellen Blechhalbzeugen. Damit bleibt der gesamte Vorgang der Rohrherstellung und dessen Beeinflussung der Materialeigenschaften unberücksichtigt, woraus ein erhebliches Risiko bzw. Fehlerpotenzial für eine simulationsbasierte Prozessauslegung resultiert. Nach dem aktuellen technologischen Stand existiert in den kommerziellen FE-Programmen, die teilweise auch speziell auf Rohrumformprozesse zugeschnittene Softwaremodule anbieten, keine rohrspezifische Werkstoffdatenbank, was im Sinne einer möglichst exakten Simulation als kritisch bemerkt werden muss.
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Im wissenschaftlichen Rahmen wird der Themenkomplex Werkstoffprüfung an Rohrhalbzeugen schon seit einigen Jahrzehnten parallel zu den Prüfverfahren der konventionellen Blechumformung vorangetrieben. Die relevanten Prüfverfahren, mit denen eine Identifikation der Werkstoffeigenschaften am Rohrhalbzeug möglich ist, lassen sich anhand der jeweiligen Probenherstellung in zwei Bereiche einteilen:
- a. Prüfmethoden mit aus dem Rohrhalbzeug getrennten Proben
Den überwiegenden Anteil von mechanischen Werkstoffprüfverfahren nehmen aus dem Rohr getrennte Zugproben ein. Analog zur konventionellen Zugprüfung werden diese Proben in einer Prüfmaschine uniaxial gedehnt und dabei die Kraft-Verschiebungs-Kurve bestimmt. Nach diesem Prinzip ist sowohl eine richtungsabhängige Prüfung (längs oder quer zur Rohrachse) möglich als auch eine gezielte Prüfung einer Schweißnaht. Als vorteilhaft kann hierbei das standardisierte Vorgehen auf Basis der Norm DIN EN ISO 6892-1 einschließlich der Vergleichbarkeit der Werkstoffkennwerte mit ebenen Blechhalbzeugen gesehen werden. Einschränkungen liegen allerdings bei kleineren Rohrdurchmessern vor, wenn die standardisierte Zugprobengeometrie wegen der Rohrwandkrümmung nicht genutzt werden kann. Auch eine Prüfung quer zur Rohrlängsachse ist eng an die jeweiligen geometrischen Gegebenheiten gebunden.
Im Kontext der konventionellen Zugprüfung muss jedoch besonders der einachsige Deformationscharakter als kritisch angesehen werden, unter dem in diesem Fall eine Werkstoffprüfung erfolgt und welcher damit für etwaige simulationsbasierte Bewertungen als gesetzter und vor allem genauigkeitsbestimmender Fixpunkt des Werkstoffmodells fungiert. Entgegen konventioneller Umformprozesse an ebenen Blechen bewegen sich wirkmedienbasierte Umformprozesse an Rohren aber überwiegend unter zweiachsigem Dehnungszustand (φ1, φ2 > 0). Im Detail sind dies Dehnungszustände bei ebener Dehnung (plane strain) (φ1> 0,φ2 = 0) bis hin zu ideal zweiachsiger Dehnung (φ1 = φ2). Verantwortlich dafür ist die geschlossene Halbzeuggeometrie in Richtung des Umfangs (tangential) und in Richtung der Rohrlänge (axial). Im Gegensatz dazu ist bei der uniaxialen Zugprüfung eine Einschnürung in Breitenrichtung zu bemerken (φ2 < 0), weswegen hier grundsätzlich andere Dehnungszustände vorliegen. Trotz dieser Diskrepanz und vor allem mangels etablierter Alternativen nach dem aktuellen Stand der Technik ist die Zugversuchsprüfung nach wie vor die dominierende Variante für die Werkstoffprüfung von Rohrhalbzeugen.
Als eine weitere Prüfmöglichkeit soll der Ringzugversuch genannt werden, der in den letzten Jahren zunehmend von verschiedenen Forschergruppen untersucht und weiterentwickelt wurde. Mit dem Ziel, die mechanischen Eigenschaften quer zur Rohrlängsachse zu identifizieren und damit die Einschränkungen konventioneller Zugprüfungen zu umgehen, wird dabei ein lokal taillierter Ring mittels einer Vorrichtung uniaxial deformiert.
Zusätzlich zur bereits beschriebenen Problematik der unterschiedlichen Formänderungszustände zwischen einachsigem Zugversuch und Rohrumformprozessen, muss als wesentliche Störgröße des Versuches die Reibung zwischen Prüfring und Aufnahme genannt werden, die trotz entsprechendem Schmierstoffsystem, die Identifikation der mechanischen Eigenschaften von so verformten Proben erheblich beeinflusst. Hinzu kommt außerdem eine überlagerte Deformation im Bereich der Teilung der aufnehmenden Vorrichtung, was als weitere Störgröße die Aussagekraft dieses Versuches schmälert. Wegen der Möglichkeit zur Prüfung quer zur Rohrachse kann der Versuch bestenfalls als Ergänzung zur konventionellen Zugprüfung eingesetzt werden. Dennoch hat er sich im Sektor der Rohrumformung bisher nicht durchgesetzt. Auch aufgrund der fehlenden richtungsabhängigen Prüfung ist neben den genannten negativen Aspekten eine ausreichend genaue Werkstoffcharakterisierung für die spätere simulationsbasierte Auslegung von Rohrumformprozessen nicht sichergestellt.
- b. Direkte Prüfung des gesamten Rohrhalbzeugs
Der Rohrberstversuch besticht eindeutig durch seine Nähe zum abzubildenden Verfahren der Innenhochdruck-Umformung. Sowohl hinsichtlich der Formänderungszustände, als auch seitens der verwendeten Werkzeug- und Anlagentechnik, orientiert sich das Prüfkonzept bereits sehr eng an den Bedingungen einer serientauglichen Umformung von Rohrhalbzeugen und gewinnt gerade deshalb im industriellen Rahmen zunehmend an Bedeutung.
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Die Möglichkeit zur Prüfung direkt am Rohrhalbzeug, die Einbeziehung von Einflüssen durch Schweißnähte und anderen Inhomogenitäten sowie die Einstellung verschiedener definierter Formänderungszustände durch zusätzlich axiale Bewegung der Dichtstempel stellen entgegen der deutlich einfacheren Zugprüfung zunächst eine immense Datenmenge über den so geprüften Werkstoff bereit. Als besonders schwierig äußert sich daher die Auswertung der Versuchsdaten mit dem Ziel ein elastisch-plastisches Werkstoffmodell zu erhalten, das insbesondere die elastischen und plastischen Eigenschaften widergibt. Bestehende Untersuchungen haben gezeigt, dass vergleichsweise einfache Formeln auf Basis des Innendruckes und der Umfangsdehnung zwar die Erzeugung einer Näherungslösung erlauben, die Genauigkeit der erzeugten Fließkurven allerdings nicht mit denen einer konventionellen Zugversuchsprüfung vergleichbar ist. Vielmehr sind hierfür inverse Auswerteansätze zur iterativen Anpassung eines Simulationsmodells an die Versuchsdaten erforderlich. Als nachteilig kann weiterhin bemerkt werden, dass eine isolierte Betrachtung von einzelnen Halbzeugabschnitten analog zu den Zugversuchen innerhalb des Rohrberstversuches nicht möglich ist - stets vorhandene, herstellungsbedingte Inhomogenitäten des Rohrhalbzeuges können im Sinne einer störfreien Werkstoffcharakterisierung nicht ausgeblendet werden.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten aufzuzeigen, mit denen eine Werkstoffprüfung und -modellierung an Proben von metallischen Rohrhalbzeugen durchgeführt werden kann, die eine verbesserte Genauigkeit und Vergleichbarkeit ermöglichen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ermittlung und/oder Bewertung von Werkstoffeigenschaften an metallischen Proben von Rohren werden Proben aus einem rohrförmigen Halbzeug herausgetrennt und einem plane strain Versuch, bei der eine jeweilige Probe in zwei Einspannbereichen in einer zur Durchführung von plane strain Prüfungen ausgebildeten Vorrichtung eingespannt wird. Während der Durchführung der plane strain Prüfung werden die wirkenden Zugkräfte sowie Deformationen/Verformungen der Probenoberfläche innerhalb eines Prüfbereichs, der zwischen den zwei Einspannbereichen angeordnet ist, ortsaufgelöst in Abhängigkeit der jeweils wirkenden Zugkraft gemessen. Dabei werden Proben eingesetzt, die ein Breiten-Längen-Verhältnis von mindestens 2 in Richtung der wirkenden Zugkräfte aufweisen.
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Bei der plane strain Prüfung bzw. der Durchführung von plane strain Versuchen werden Dehnungen entlang einer Ebene bzw. die in einer Ebene infolge wirkender Kräfte auftreten detektiert.
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Es können auch Proben eingesetzt werden, bei denen die Probenbreite gegenüber der Probenlänge im Prüfbereich um ein Vielfaches größer ist. Es sollte bevorzugt mindestens ein Verhältnis Breite zu Länge im Bereich b / I ~ 2 - 2,5 eingehalten sein. Dabei ist die Länge der jeweiligen Probe parallel zur Achsrichtung der wirkenden Zugkräfte beim plane strain Versuch und die Breite wird in der senkrecht dazu ausgerichteten Achsrichtung berücksichtigt.
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Eine jeweilige Probe kann vor der Durchführung einer plane strain Prüfung verformt werden, um eine Zugprüfung mit ebener Dehnung der so verformten Probe durchzuführen. Bei der Einebnung sollte eine ebene planare Form der Probe erreicht werden, um eine sichere Einspannung in einer konventionellen Zugprüfmaschine zu ermöglichen.
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Die plane strain Prüfung kann mit Proben, die an Seitenflächen tailliert sind, erfolgen. Durch mögliche auch verschiedene Probentaillierungen lassen sich im Prüfbereich der Probe unterschiedliche charakteristische Dehnungszustände bzw. die Homogenität des Dehnungszustandes beeinflussen. Dabei ist unter dem Prüfbereich der Oberflächenbereich der im pane strain Versuch geprüften Probe zu verstehen, in dem während der Durchführung des Versuchs die jeweiligen Verformungen ortsaufgelöst in mindestens zwei Achsrichtungen erfasst werden.
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Das oben erwähnte Breite zu Längen Verhältnis sollte dabei im Prüfbereich eingehalten werden. Der Einspannbereich kann dabei unter Berücksichtigung der jeweiligen Einspannelemente ausgebildet sein. Taillierungen können dann symmetrisch an zwei gegenüberliegenden Seitenflächen innerhalb des Prüfbereichs ausgebildet sein.
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Die Versuchsauswertung sollte durch unmittelbare Messung der Probendehnungen/-verformungen mit Hilfe eines optischen Messsystems durchgeführt werden. Dazu kann man die Oberfläche der Probe zumindest im Prüfbereich mit Markierungen versehen, die sich bei der Dehnung/Verformung der Probe entsprechend mit bewegen, so dass der zurück gelegte Weg von Markierungselementen optisch bestimmen lässt. Dafür kann ein definiertes auf die Oberfläche im Prüfbereich appliziertes Muster genutzt werden.
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Bei der ortsaufgelösten Erfassung von Dehnungen/Verformungen sollten diese in mindestens zwei Achsrichtungen berücksichtigt werden. Dies sollte einmal die Dehnung/Verformung in der Achsrichtung, in der die Zugkräfte während des plane strain Versuches wirken, sein. Die zweite Achsrichtung sollte senkrecht dazu ausgerichtet sein.
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Parallel dazu können die erforderlichen Kräfte für diese einachsige Deformation durch die Zugprüfmaschine aufgenommen werden, so dass ein Bezug zwischen ortsaufgelöster Dehnung/Verformung und wirkender Zugkraft herstellbar ist.
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Die Rückrechnung auf das plastische Werkstoffverhalten im Sinne einer Erstellung eines Werkstoffmodells sollte vorteilhafterweise durch inverse Methoden erfolgen, da der Prüfbereich entgegen der konventionellen Zugprüfung einen inhomogenen Dehnungscharakter aufweist.
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Für die Durchführung des Verfahrens wird eine rechteckige Probe aus dem Rohrhalbzeug heraus getrennt. Dabei sollen die bereits angegeben Verhältnisse Breite zu Länge eingehalten werden.
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Es können plane strain Prüfungen von mehreren Proben durchgeführt werden und dabei jeweils Proben, die mit unterschiedlicher Achsausrichtung aus dem rohrförmigen Halbzeug heraus getrennt worden sind, eingesetzt und bei der Auswertung berücksichtigt werden.
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Die Ausrichtung einer Probe kann dabei senkrecht zur Längsachse des Rohrhalbzeugs, senkrecht zur Längsachse, parallel zur Längsachse oder in einem Winkel zwischen 0° und 90 ° zur Längsachse (diagonal) des jeweiligen Rohres gewählt werden. Damit ist eine richtungsabhängige Werkstoffprüfung mit unterschiedlichen Orientierungen zur Walzrichtung möglich, was als wesentlicher Vorteil gegenüber anderen bestehenden Prüfkonzepten hervorzuheben ist. Alternativ dazu kann für die Prüfung senkrecht zur Längsachse des jeweiligen Rohres auch ein ganzer Ringabschnitt des Rohres getrennt werden, der dann für die Gewinnung von mindestens zwei separaten Probenabschnitten halbiert werden kann. Es können auch Proben aus einem Rohrbereich herausgetrennt werden, in dem eine Rohrnaht, insbesondere eine Schweißnaht vorhanden ist. Auch in diesem Fall können unterschiedliche Ausrichtungen einer Schweißnaht an Proben bei der plane strain Prüfung in Bezug zur Achse in der Zugkräfte wirken berücksichtigt werden.
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Die genannten Ausrichtungen können dann bei der Durchführung des plane strain Versuchs berücksichtigt werden. Die Zugkräfte wirken während des plane strain Versuchs in dieser Achsrichtung.
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Der jeweilige Prüfbereich ist zwischen zwei Einspannbereichen der Probe angeordnet. Eine Probe kann dabei auch direkt in der gekrümmter Form bei der Durchführung der plane strain Prüfung mit Hilfe entsprechend ausgebildeter Einspannungen eingespannt werden. Die ortsaufgelöste Erfassung von Dehnungen/Verformungen kann dann in einem konkav oder konvex gekrümmten Prüfbereich durchgeführt werden.
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Mit den bei einer oder mehreren plane strain Prüfung(en) erfassten Zugkraftwerten und den ortsaufgelöst erfassten Werten für die Deformation/Verformung innerhalb eines Prüfbereichs können Werkstoffeigenschaften, insbesondere Werkstoffeigenschaften, die das plastische Verformungsvermögen und/oder Werkstoffeigenschaften, die infolge plastischer Verformung veränderbar sind, charakterisieren, ermittelt und/oder bewertet werden.
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Eine Probe kann aber bevorzugt auch eben vor der plane strain Versuchsdurchführung eingeebnet werden. Für die Versuchsdurchführung bei der plane strain Prüfung können also ähnlich, wie bei der konventionellen Zugprüfung an Rohrhalbzeugen erforderlich, die getrennten Proben vor Durchführung eines plane strain Versuchs gerade gebogen werden, um eine sicherere Einspannung in der Probenaufnahme zu gewährleisten. Etwaige Ergebnisbeeinflussungen durch diesen notwendigen Schritt können allerdings später im Rahmen der inversen Versuchsauswertung mit einbezogen und damit, falls erforderlich, korrigiert werden, indem der Schritt des Einebnens im Simulationsmodell mit abgebildet wird, können die hervorgerufenen plastischen Dehnungen in der inversen Versuchsauswertung berücksichtigt werden.
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Die Proben, die bevorzugt gerade gebogen wurden, können dann in einer konventionellen Zugprüfmaschine eingespannt und unter optischer Messung der lokal vorhandenen Dehnungen zur Ermittlung und/oder Bewertung von Werkstoffeigenschaften an Proben von Rohrverformungen ortsaufgelöst erfasst werden. Die folgende Versuchsauswertung soll bevorzugt invers erfolgen. Dabei erfolgt eine iterative Anpassung eines Simulationsmodells an die gemessenen Dehnungs- und Kraftgrößen des Realversuches bis die in der Simulation ermittelten Kraft- bzw. Dehnungswerte mit denen des Versuchs übereinstimmen.
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Bei der Probenform sollte bevorzugt ein Breiten-Längen-Verhältnis von 2,5 eingehalten sein. Die absoluten Probenmaße des Prüfbereiches können dabei in Abhängigkeit zum jeweils vorliegenden Rohrdurchmesser angepasst werden.
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Neben den grundlegenden Probendimensionen können zusätzlich eventuelle Taillierungen im Prüfbereich gezielt eingesetzt werden, um den Deformationscharakter eines Zugversuches mit so geformten Proben zu beeinflussen.
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Für eine optimale Versuchsgestaltung kann eine simulationsbasierte Betrachtung und ggf. Optimierung des Prozesses für den anvisierten Rohrdurchmesser erfolgen.
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Das vorgestellte, neue Prüfkonzept ermöglicht entgegen bereits bestehenden Lösungen eine sichere und vor allem richtungsabhängige Prüfung von metallischen Werkstoffen von Rohrhalbzeugen. Als wesentlicher Vorteil wird angesehen, dass eine Prüfung unter den für IHU-Prozessen relevanten Dehnungszuständen ebene Dehnung bzw. equi-biaxiale Dehnung erfolgen kann. Durch die erreichbare unmittelbare Werkstoffcharakterisierung bei prozessnahen Dehnungs- bzw. Spannungszuständen kann das Fehlerpotential für eine simulationsbasierte Auslegung gegenüber der konventionellen Zugversuchsprüfung bzw. den Ringzugversuchen reduziert werden. Durch die inverse Auswertestrategie kann die Diskrepanz durch Umrechnung eines uniaxialen, messtechnisch validierten Dehnungszustandes in einen tatsächlich auftretenden mehrachsigen Dehnungszustand von vornherein umgangen werden.
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Mit der Erfindung können wesentliche Vorteile des vielversprechenden Rohrberstversuches in einem noch relativ einfachen Versuchsaufbau und unter Nutzung konventioneller Zugprüfmaschinen umgesetzt werden. Die richtungsabhängige Prüfung ist aber entgegen dem Rohrberstversuch weiterhin, ebenso wie die prinzipielle Möglichkeit zur Prüfung einzelner separierter Halbzeugabschnitte als Proben, gewährleistet, was besonders in Zusammenhang mit Inhomogenitäten, wie beispielsweise Schweißnahtbereichen bedeutsam ist. Zusammenfassend kann die Anwendung der Erfindung eine geeignete Lösung zur Prüfung von Rohrhalbzeugen sein, indem die einzelnen Verfahrensvorteile von konventioneller Zugprüfung und Rohrberstversuch miteinander kombiniert und ausgenutzt werden können.
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Die Erfindung stellt die Option für eine genaue und prozessnahe Prüfstrategie von Rohrhalbzeugen inklusive Berücksichtigung von Richtungsabhängigkeiten und Anisotropien dar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Norm DIN EN ISO 6892-1 [0006]