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Flachverdrahtungen
mit Folienleitern bieten erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlichen
runden Drähten.
Einerseits lassen sich bei Herstellung und Montage erhebliche Kosten
einsparen, andererseits ermöglichen
die flachen Folien eine platzsparende Verlegung unter Verkleidungen
und Abdeckungen.
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Flexible
Schaltungsträger,
nämlich
Folienleiter bzw. Flexible Printed Circuits (FPC) oder Flexible Flat
Cable (FFC), kommen seit vielen Jahren in unterschiedlichen Anwendungen
zum Einsatz. Ein Beispiel sind die flexiblen Verdrahtungen von Druckköpfen bei
Tintenstrahldruckern. Für
einen erfolgreichen Einsatz dieser neuen Technologie in Massenanwendungen
wie der Automobilindustrie, ist neben einer kostengünstigen
und qualitativen Herstellung des flexiblen Basismaterials eine prozeßsichere
Bearbeitung, wie Kontaktieren mit Anschlußsteckern oder elektronischen
Bauelementen, sowie die Verbindung mehrerer Folienleiter miteinander
ebenso erforderlich, wie eine effiziente Handhabung von Basismaterial
und den erzeugten einzelnen Folienleitern. Nach Aussagen führender
Automobilhersteller werden Folienleiter schon in wenigen Jahren
30–40%
der herkömmlichen
Kabelbäume
ersetzen.
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Die
Anwendung im KFZ stellt erhebliche Anforderungen an die Qualität der Folienleiter
und deren Kontaktierung. Während
bei der Kontaktierung mit Steckern bei geringen Anforderungen auch
Kaltverbindungstechniken wie Crimpen, Klemmen oder Kleben zum Einsatz
kommen, ist bei hohen Ansprüchen,
hoher Stromtragfähigkeit
oder bei der Integration elektronischer Bauelemente Löten als
Verfahren besonders geeignet. Dabei wird mit Wärme ein Lotwerkstoff aufgeschmolzen,
wobei jedoch der Temperatureintrag in die Umgebung der Lötstelle
möglichst gering
gehalten werden soll, um den temperaturempfindlichen Grundwerkstoff
nicht mehr als erforderlich thermisch zu belasten.
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Die
dafür benötigen Bearbeitungsprozesse und
-maschinen sind aus der Fertigung starrer Leiterplatten hinlänglich bekannt.
So beschreibt z. B.
DE 195
24 562 A1 eine Vorrichtung zur Behandlung von flexiblen
platten- bzw. blattförmigen
Gegenständen, insbesondere
Leiterplatten, bei der die Leiterplatten leicht gekrümmt werden,
damit die aufzutragende Behandlungsflüssigkeit zur Seite ablaufen
kann und keine Pfützen
bildet. Eine andere Art, eine Flüssigkeit wie
z. B. heißes
Lot flächig
aufzutragen, ist es mit Walzen die Flüssigkeit zu verteilen wie es
in
DE 36 15 162 C2 „Vorrichtung
zum Aufbringen einer Lötmittelschicht
auf einer Leiterplatte” beschreiben
ist”.
Lotpaste wird meist für
alle Lötstellen
gleichzeitig mit sogenannten Schablonendruckern aufgetragen. Zum Löten wird
die komplette Baugruppe in entsprechenden Durchlauföfen erwärmt. Dabei
kommt der Anordnung der Lichtquellen eine besondere Bedeutung zu. Um
eine gleichmäßige Erwärmung zu
erreichen, scheint es sinnvoll, Lichtquellen ober- und unterhalb der
Transportvorrichtung anzuordnen (siehe
DE 38 06 753 A1 ). Zur punktuellen
Erwärmung
eignet sich das Induktionslöten.
Auch hier erscheint wegen der schlechten Wärmeleitung von Leiterplatten
es sinnvoll, von oben und von unten gleichzeitig zu erwärmen (
DD 261 693 A1 , „Vorrichtung
zum Induktionslöten
elektronischer Aufsetzelemente”).
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Typischerweise
ergibt sich bei der Bearbeitung von flexiblen Materialien jedoch
das Problem, diese in der Position ausreichend genau bestimmen zu
können.
Da sie als biegeschlaffe Bauteile keine ausreichende Steifigkeit
aufweisen, um sie punktuell zu fixieren, werden sie entweder zwischen
zwei oder mehr Auflagepunkten gespannt, oder gegen eine flächige Auflage
gedrückt.
Dieses kann mit geschehen, indem das flexible Material wird mit
Vakuum an eine Auflage angesaugt wird, wie in
DE 195 24 562 A1 beschrieben.
Jedoch ist die Erzeugung des Vakuums sehr kostenintensiv. Weiterhin
ist die Variation der Abmessungen des zu bearbeitenden Materials
begrenzt, da das Vakuum nur wirkt, wenn alle Vakuumöffnungen
von dem Material bedeckt sind.
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Ein
andere Möglichkeit
die erforderliche Steifigkeit durch Andruck auf eine Auflage zu
erzeugen, ist das aktive Niederhalten mit Andruckelementen.
JP 630 29939 zeigt einen
Schablonendrucker, bei dem die flexiblen Leiterplatten mit der Schablone
auf eine feste Auflage gedrückt
werden. Jedoch werden dazu zusätzliche
Elemente benötigt.
Auch wird der Platz für
die eigentliche Bearbeitung erheblich eingeschränkt.
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Aufgrund
der teilweise großen
Abmaße
ist es oft sinnvoll, das flexible Material nicht im endgültigen Format
zu bearbeiten, sondern auf Rollen zu wickeln und als Endlosband
zu bearbeiten wie es auch in
US 55
79 574 A beschrieben wird. Dabei greifen für den Transport
des Material Stifte eines Antriebsrades in Ausnehmungen ds Materials
oder Trägerbandes. Dieses
bedeutet jedoch zusätzliche
Aufwand oder Anforderungen an die Produktgestaltung. Auch ist es möglich, das
Material zwischen zwei Rollen einzuklemmen und zu fördern, wie
es z. B. bei der Bearbeitung von Papier realisiert wird. Werden
jedoch während
der Bearbeitung Erhebungen aus das Material aufgetragen, z. B. Lotpaste,
ist es nicht möglich,
das Material zwischen Rollen zu führen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Positionierung von flexiblen Schaltungsträgern sieht vor, daß der Schaltungsträger über eine
gewölbte
Auflage gespannt wird, so daß es
mit einem gewissen Andruck auf die Auflage gedrückt wird. In dieser Position
kann der Schaltungsträger,
bspw. ein Folienleiter, bearbeitet werden, wobei die Position des
Materials genau definiert ist. Die Bearbeitung kann dabei bspw. ein
Bestücken
und/oder einen Lötvorgang
umfassen.
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Die
erforderliche Spannung kann durch Ändern der Positionen der Auflage
und des Materials zueinander erzeugt werden. Hierbei wird üblicherweise
die Auflage gegen das Material gedrückt, so daß dieses über die Auflage gespannt ist.
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Eine
alternative Möglichkeit
sieht vor, daß die erforderliche
Spannung dadurch erzeugt wird, daß an mindestens einem der Enden
des Materials gezogen wird, d. h. daß ein Zug in Richtung der Materialebene,
im wesentlichen in Richtung der Oberfläche der Auflage ausgeübt wird.
Hierbei können
Rollen verwendet werden.
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Zum
Spannen können
auch Niederhalter-Gegenlagerpaare verwendet werden.
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Während der
Bearbeitung kann das Material in der gespannten Position verbleiben
oder gespannt über
die Auflage geführt
werden. Üblicherweise
wird nach jedem Bearbeitungsschritt das flexible Material zu einer
nächsten
Bearbeitungsposition transportiert.
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Wird
ein Lötprozeß durchgeführt, ist
es vorteilhaft, diesen durch einen vorzugsweise optischen Sensor
zu detektieren.
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Als
Wärmequelle
beim Löten
kann eine Lichtquelle oder ein Induktor eingesetzt werden. Der Abstand
zwischen Lötstelle
und Wärmequelle
ist vorzugsweise veränderbar.
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Die
Wärmequelle,
bspw. der Induktor, ist vorteilhafterweise auf der der Auflage gegenüberliegenden
Seite angeordnet.
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Die
Auflage kann aus einem transparenten oder auch aus einem elektrisch
nichtleitfähigen
Material gefertigt sein.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Positionieren eines flexiblen Materials ergibt sich aus Anspruch
10.
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Die
Vorrichtung umfaßt
eine gebogene Auflage und eine Einrichtung zum Spannen des Materials über die
Auflage. Die Einrichtung kann, wie vorstehend beschrieben, bspw.
Rollen umfassen.
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Für eine Lötbearbeitung
weist die erfindungsgemäße Vorrichtung
eine Löteinrichtung
bzw. ein erfindungsgemäßes Lötsystem
auf. Diese Löteinrichtung
umfaßt üblicherweise
eine Wärmequelle. Diese
ist bevorzugt frei beweglich ausgebildet. Vorzugsweise ist der Abstand
zwischen der Wärmequelle
und der Lötstelle
veränderbar.
Als Wärmequelle kann
ein Induktor oder eine Lichtquelle dienen.
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Für gleichbleibende
Anwendungen kann es vorteilhaft sein, die Position von Wärmequelle
zur Auflagequelle zu fixieren. Dadurch werden bei der Bearbeitung
konstante Parameter erzeugt. Für
Wartungszwecke ist es vorteilhaft, die Verbindung zwischen Auflageplatte
und Wärmequelle
lösbar
zu gestalten.
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Eine
weitere Ausprägung
dieser Anordnung erreicht man, wenn die Auflage aus einem gießbaren Material
und mit diesem Material die Wärmequelle, insbesondere
der Induktor umschlossen wird.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die Auflage als
Trommel ausgeführt,
auf die das zu bearbeitende Material durch Zug oder Druck, mit Klemmvorrichtungen
oder auch mit Vakuum gedrückt
wird. Da auf diese Weise die Funktionen der Positionierung und Führung des
zu bearbeitenden Materials sowie der Transport kombiniert werden,
ist eine hohe Präzision
für die
Bearbeitung möglich,
insbesondere für
eine Erwärmung
durch die Mantelfläche
der Rolle hindurch.
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Es
versteht sich, dass die vorstehenden genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in den jeweils angegebenen Kombinationen sonder auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die
Erfindung und bevorzugte Ausführungsformen
sind anhand der beigefügten
Zeichnung näher
erläutert.
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Die
hier beschriebene Erfindung löst
das eingangs genannte Problem, indem das flexible Material 1,
im folgenden auch Basismaterial genannt, durch Aufbringen einer
Spannung 1a in der Materialebene auf eine gewölbte Auflage 2 gedrückt wird
(1).
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Eine
Möglichkeit,
die dafür
erforderliche Spannung im Basismaterial 1 zu erzeugen,
ist es, an zwei gegenüberliegenden
Punkten (P3 und P4), zwischen denen die Auflage mit den Begrenzungspunkten
P1 und P2 angeordnet ist eine Kraft einzuleiten, deren Richtung
(P2–P4)
von der Auflage abgewandt ist und unterhalb der Verbindungsline
P1–P2
liegt. Für
die Krafteinleitung eignen sich insbesondere
- – ein Paar
von Haltern 3b und Niederhaltern 3a wie 2a zeigt,
zwischen denen das Material geklemmt wird,
- – ein
Paar von Rollen 4, zwischen denen das Material gemäß 2b.
geführt
wird, von denen die einzelnen Rollen gegeneinander gedrückt werden und
von denen mindestens 1 Rolle arretiert oder angetrieben ist,
- – eine
Rolle (5), auf die das Material wie in 2c gezeigt
geführt
wird, und die so gedreht wird, daß die erforderliche Zugkraft
im Material entsteht,
- – sowie
alle möglichen
Kombinationen dieser drei Varianten
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2d zeigt
eine weitere Möglichkeit,
die erforderliche Spannung im Basismaterial 1 zu erzeugen:
Das Basismaterial 1 auf 2 Stellen (P5 und P6) zu fixieren
und mit der Auflage in einer Relativbewegung, die auf die Verbindung
der beiden fixierten Stellen (P5 und P6) nahezu senkrecht steht
das flexible Material zu spannen. Auch bei dieser Möglichkeit
eignen sich zur Fixierung insbesondere die drei zuvor beschriebenen
Varianten der Krafteinleitung sowie deren mögliche Kombinationen.
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Die
hier beschriebene Möglichkeit,
flexibles Material über
eine gewölbte
Auflage zu spannen, ist den bisher bekannten Methoden mit Niederhalten oder
Vakuum insbesondere dann überlegen,
wenn bei der Bearbeitung eine Ausdehnung des Materials zu erwarten
ist. Dieses gilt insbesondere für
Prozesse bei denen das flexible Material erwärmt wird. Dabei ist es besonders
wichtig, dass sich während
der Bearbeitung die Größe der Auflagefläche nicht ändert, wie
es z. B. bei Niederhaltern der Fall ist, die das Material auf die
Auflage drücken.
Denn wenn sich das Material aufwölbt
und die Kontaktfläche
zu Auflage verringert, dann ändert
sich der Wärmefluß zwischen
Auflage und flexiblen Material, was maßgeblichen Einfluß auf die
Prozeßtemperatur
hat. So kann es zum Beispiel beim Aufheizen von Folienleitern, die sich
wölben,
zu Überhitzungen
kommen, weil sich die Wärmeableitung
in die Auflage wegen der reduzierten Kontaktfläche verändert.
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Vorteilhafte
Ausführungen
ergeben sich auch aus den Ansprüchen
und Unteransprüchen.
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Ein
weiterer Aspekt dieser Erfindung ist es, bei einer Bearbeitung mit
Wärme,
die Erwärmung durch
die Auflage hindurch zu bewirken. Gleichzeitig bleibt damit die
Bearbeitungsstelle frei für
unterstützende
Prozesse.
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Ein
Möglichkeit
des Wärmeeintrags
ist die Erwärmung
durch Induktion. Dabei werden gezielt metallische Komponenten erwärmt. Charakteristisch für die in 3a gezeigte
Ausprägung
dieser Erfindung ist die Anordnung eines Induktors 7 auf
der der Bearbeitungsstelle 6, 6a abgewandten Seite
in Verbindung mit einer Auflage 2 aus elektrisch nichtleitfähigem Material.
Dabei hat der Abstand zwischen Induktor 7 und zu erwärmen den
Material einen erheblichen Einfluß auf den Prozess. Folglich
ist es eine Erweiterung dieser Erfindung, wenn der Abstand A1 von
der Auflage 2 zum Induktor 7 verstellt werden kann,
um das an der Bearbeitungsstelle wirksame elektromagnetische Feld über den
Abstand einzustellen.
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Ist
eine Verstellung nicht erforderlich, so kann die Verbindung zwischen
Induktor und Auflage fixiert werden. Für Wartungsarbeiten kann es
hilfreich sein, diese Verbindung lösbar zu gestalten. Als Alternativ
ergibt sich auch ein Vergießen
des Induktors in der Auflage an.
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Statt
des Induktors mit elektrisch nichtleitender Auflage kann auch eine
Lichtquelle 8 zusammen mit einer transparenten Auflage 2 verwendet
werden, wie in 3b dargestellt ist. Dabei hat
der Abstand zwischen der Lichtquelle 8 und dem zu erwärmenden Material 1, 6 einen
erheblichen Einfluß auf
den Prozess. Folglich ist es eine Erweiterung dieser Erfindung,
wenn der Abstand A2 von der Auflage 2 zur Lichtquelle 8 verstellt
werden kann.
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4 zeigt
als Beispiel eine Ausführung
dieser Erfindung, bei der ein Folienleiter 1 von einer
Rolle 5 abgerollt, über
eine gewölbte
Auflage 2 gespannt und nach der Bearbeitung auf eine zweite
Rolle 5 wieder aufgerollt wird. Die Spannung 1a im
Folienleiter 1 zum Andruck an die gewölbte Auflage 2 erfolgt durch
Verspannen der beiden Rollen 5. Wärmequelle für das Induktionsloten ist ein
Induktor 7, der auf der der Lötstelle 6, 6a abgewandten
Seite einer Auflage 2 aus elektrisch nichtleitfähigem Material
angeordnet ist.
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Die
getroffene Anordnung der Wärmequelle auf
der der Bearbeitungsseite abgewandten Seite ermöglicht einen freien Zugang
zu der Bearbeitungsstelle für
einen oder mehrere unterstützende
Prozesse. Zum einen kann das Basismaterial 1 und bzw. oder
die montierten Bauelemente 6 zusätzlich mit einer Vorrichtung 9 erwärmt oder
gekühlt
werden, um die Temperaturverteilung zu beeinflussen (5a). Weiterhin
kann ein Bauteil 6 mit einer Greifvorrichtung 10 von
oben bestückt
und gleichzeitig von unten gelötet
werden (5b). Darüber hinaus kann von oben mit
einer zweiten selektiven Wärmequelle 11 der
Lötprozeß unterstützt werden
(5c) oder gleichzeitig zur Erwärmung Lot 6a mit einer
entsprechenden Vorrichtung 12a zugeführt werden (5d). Eine
weitere Alternative sieht vor, mit einem optischen Sensor 13 den
Lötprozeß zu detektieren
bzw. zu überwachen
(5e). Wird die Wärmequelle (7) mit
der Auflage (2) von oben angeordnet, kann die Lötstelle 6, 6a von
unten mit einer selektiven Lötwelle 14 benetzt
werden (5f).
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Dabei
können
auch mehrere Prozesse in einer Vorrichtung kombiniert werden. 6 zeigt
eine typische Anordnung, bei der mit einem Dispenser 12b Lotpaste 6a dosiert
und anschließend
von oben das Bauteil 6 mit einem Sauggreifer 10 aufgesetzt und
gehalten und von unten mit Induktor 7 gelötet wird.
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Wird
die Auflage 2 zu einer Trommel erweitert, kann sie um die
eigene Achse 2a rotieren, so daß die Relativbewegung zum flexiblen
Material 1 entfällt
(7).
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Vorteilhafte
Ausführungen
ergeben sich auch aus den Ansprüchen
und Unteransprüchen.
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Bei
langen Materialbahnen ist es logistisch sinnvoll, das flexible Material
von einer Rolle abzurollen, zu bearbeiten und ggf. wieder auf eine
Rolle aufzurollen oder in kürzere
Materialstücke
zu vereinzeln. Werden nun mehrere Bearbeitungsschritte an einzelnen
Stationen hintereinander geschaltet, sind alle Stationen zeitlich
gekoppelt. Weiterhin muß der
Bearbeitungsabstand oder ein Vielfaches davon exakt der Länge der
späteren
Einzelprodukte entsprechen. Einerseits wird die Gesamtanlage sehr
lang und benötigt
erheblich Platz, andererseits müssen
bei Umrüsten
auf ein anderes Produkt die einzelnen Bearbeitungsstationen oder
gar Maschinen in Ihrer Position verschoben werden. Zur Lösung wird
das Endlosmaterial zwischen den Stationen in Schlaufen geführt und
der Vorschub wird für
jede Station realisiert.
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Wird
jedoch bei der Bearbeitung zusätzliches
Material auf das flexible Basismaterial aufgetragen, wie dieses
z. B. beim Auftragen von Lotpaste oder bei der Montage von Bauelementen
auf die das Material geschieht, kann der Vorschub des Basismaterials
bzw. die Krafteinleitung zum Spannen des Basismaterials nicht durch
ein einfaches Rollenpaar von Antriebs- und Andruckrolle erfolgen.
Auf der oberen Seite der Folie befinden sich Lotpaste oder bereits gelötete Bauteile.
Eine Andruckrolle würde
die Lotpaste verschmieren oder die Bauteile beschädigen.
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In
einer gemäß 8a und 8b gezeigten
Ausgestaltung dieser Erfindung wird der Vorschub bzw. die Krafteinleitung
in das Basismaterial 1 wie sie zum Spannen des Materials über eine
Auflageplatte über
zwei Andruckrollenpaare 16a, 16b bzw. 17a, 17b im
wechselweisen Einsatz realisiert. Das Basismaterial 1 wird
zwischen den Rollen geführt. Der
Abstand der Rollen eines Rollenpaares kann verändert werden. Zur Kraftübertragung
werden die Rollen eines Andruckpaares 16a, 16b in
Richtung des dazwischen liegenden Basismaterial 1 gedrückt. Wird
eine Rolle 16b angetrieben, so wird das Material 1 transportiert
und die andere Rolle 16a dreht sich mit.
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Erkennt
der Sensor 15 ein Bauteil 6 vor dem ersten Rollenpaar 16a, 16b,
wird das zweite Andruckrollenpaar 17a, 17b zusammengedrückt und das
erste Andruckrollenpaar 16a, 16b gelöst, d. h. der
Abstand A16 der Rollen vergrößert. Der
Vorschub wird über
das zweite Rollenpaar 17a, 17b erzeugt. Erreichen
die Bauteile 6 die aufgetragene Lotpaste 6a oder
andere Erhebungen das zweite Rollenpaar 17a, 17b,
wird wiederum auf den ersten Antrieb 16a, 16b umgeschaltet.
Die dargestellte Antriebseinrichtung kann mit einer vorstehend beschriebenen Vorrichtung
zum Positionieren betrieben werden.
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Wenn
der Abstand A18 zwischen den beiden Andruckrollenpaare 16a, 16b bzw. 17a, 17b zu
verstellen ist, kann immer ein Paar angetrieben werden und der Vorschub
kann kontinuierlich erfolgen, ohne Bauteile zu beschädigen oder
zu verschmieren.
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Anstelle
des Sensors 15 kann der Zeitpunkt des Umschaltens zwischen
den Andruckrollenpaaren in Abhängigkeit
von in einer Steuerung hinterlegten und mit der Position des Materials
in Beziehung gesetzten Daten erfolgen.
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9 zeigt
eine mögliche
Kombination verschiedener Ausführungsvarianten
dieser Erfindung am Beispiel eines Produktionssystems zur Fertigung von
Folienleitern. Das Basismaterial 1 wird von der Rolle 5 zugeführt. Der
Vorschub erfolgt über
ein einfaches Rollenpaar 19. An der ersten Bearbeitungsstation
wird die spätere
Lötstelle
vorbelotet. Dazu wird das Basismaterial über eine gewölbte Auflage 2 geführt und
mit Rolle 5 und Rollenpaar 19 gespannt, so daß das Basismaterial 1 auf
die Auflage 2 gedrückt
wird.
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Das
Lot 6a wird mittels Lotdrahtvorschub 12a zugeführt und
mit einem auf der gegenüberliegenden Seite
der Auflage 2 angeordneten Induktor 7 erwärmt und
aufgeschmolzen. Da sich das Lot gut verteilt und nur geringfügig aufträgt, reicht
ein einfaches Rollenpaar 19 für den Vorschub an dieser Station
aus.
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Um
die Abstände
der Bearbeitungsstationen zu verringern, wird das Basismaterial
zischen den Stationen in Schlaufen geführt. Sensoren 23 erkennen
den Durchhang in einer Schlaufe. An der zweiten Station wird mit
einem Dispenser 12b Lotpaste dosiert. Das Spannen des Basismaterials 1 auf
die Auflage erfolgt über
ein einfaches Rollenpaar 19 und ein Doppelrollenpaar 16, 17 für wechselweisen
Antrieb, um die aufgetragene Lotpaste 6a nicht an der oberen Rolle
zu verschmieren.
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An
der dritten Bearbeitungsstation werden mehrere Prozesse kombiniert.
Das Spannen des Basismaterials 1 auf die Auflage erfolgt über zwei
Doppelrollenpaare 16, 17 für wechselweisen Antrieb, um die
aufgetragene Lotpaste 6a nicht an der oberen Rolle zu verschmieren
bzw. das aufgelötete
Bauteil 6 zu beschädigen.
Da in der Station zwei Bearbeitungspositionen angeordnet sind, muß das Basismaterial
zweimal angehalten und verspannt werden. Mit einem Sauggreifer 10 wird
das Bauteil 6 in die dosierte Lotpaste gesetzt. Anschließend werden
Bauteil 6, Lotpaste 6a und Basismaterial durch
den unten angeordneten Induktor 7 erwärmt. Dabei wir die Erwärmung bis
zum Aufschmelzen mit einem Infrarotstrahler 11 unterstützt.
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An
der vierten Bearbeitungsstation wird das Basismaterial mit einem
Schneidmesser 21 in einzelne Folienleiter bzw. Kabelsätze 22 vereinzelt.