DE1504193A1

DE1504193A1 - Schaumgegenstaende und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE1504193A1
Application number: DE19651504193
Authority: DE
Inventors: Skochdopole Richard Ernest; Demetrius Urchick
Original assignee: Dow Chemical Co
Current assignee: Dow Chemical Co
Priority date: 1964-11-02
Filing date: 1965-11-02
Publication date: 1969-09-25
Also published as: US3386877A; DE1504193B2; GB1069029A; NL6514128A; DE1504193C3; NL143975B; BE671676A

Description

Dipl-Ing. F.Weickmann, Dr. Ing. A-Weickmann, JJIPL.-ING. H. weickmann Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Patentanvälte

8 MÜNCHEN 27, MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 413921/22 1504193

ase 1075^ P - Dr.K/pö

THE DOW CHEMICAL COMPANY, MIDLAND, MICHIGAN,

V. St. A.

Schaumgegenstände und Verfahren zu deren Herstellung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur selektiven Aufbrechung geschlossener zellhaltiger Schäume in einfach regelbarer und bestimmbarer Weise, so daß sich ein geschäumter, harzartiger Körper mit einer Schicht von offener Zellstruktur und einer Schicht von geschlossener Zellstruktur, die aneinander anliegen, ergibt, der aus einem gemeinsamen Schaumkörper mit geschlossenen Zellen hergestellt wurde.

Gemäß der Erfindung werden modifizierte Schaumkörper hergestellt, indem selektiv die Temperatur mindestens eines ersten Teiles eines harzartigen geschäumten Körpers, der einen Einfrierpunkt aufweist und eine Mehrzahl geschlossener Zellen enthält, auf eine Temperatur unterhalb seines Einfriertemperaturpunktes (Glasstemperatur) geändert wird, worauf der Körper zusammengepreßt und die Zellwände des ersten Teiles des Schaumkörpers aufgebrochen werden, während mindestens ein zweiter Teil des Körpers oberhalb dessen Einfriertempe-

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raturpunktes gehalten wird und der Hauptteil der darin enthaltenen Zellwände nicht aufgebrochen wird.

. Weitere Merkmale und Vorteile deijivorliegenden Erfindung ergeben sich aus der vorliegenden Beschreibung in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung, worin in der Figur schematisch das Produkt und das erfindungsgemäße Verfahren dargestellt ist.

In der Zeichnung ist schematisch eine allgemein durch die Bezugsnummer 10 bezeichnete Vorrichtung dargestellt. Die Vorrichtung 10 umfaßt in zusammenwirkender Vereinigung eine Führwalze 11, ein Paar Brechwalzen 13 und 14, eine Wärmeübertragungseinrichtung oder -bad 15j sowie einen thermoplastischen, harzartigen Schaumbogen oder derartige Schaumplatte 17 mit geschlossenen Zellen. Der Schaumbogen 17 besteht aus einem Teil 18 mit geschlossenen Zellen, einem gekühlten Teil 19, worin die Temperatur der Schaumkunststoffstruktur mit geschlossenen Zellen um mindestens etwa 20° unterhalb deren Einfrierpunkt (second order transition point) oder der Glastemperatur vermindert ist, eine gequetschte, zusammengepreßte und gebrochene Zone 21, worin der gekühlte Teil 19 zusammengedrückt und die Zellwände zwischen den Walzen 13 und 14 gebrochen werden. Aus den Walzen 13 und 14 kommt eine Schaumstruktur 17a heraus, die aus einem expandierten

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Teil 23 mit offenen Zellen und dem expandierten Teil 18 mit geschlossenen Zellen besteht. Bei der praktischen Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es wesentlich, dass das thermoplastische, harzartige, geschäumte Material/ader Material mit geschlossenen Zellen oberhalb der Glastemperatur in ausreichendem Ausmaß flexibel ist, so daß der gewünschte Grad der Erholung nach dem Brechen des Schaumes ermöglicht wird, und daß der Schaum, bevor er gebrochen wird, die Eigenschaft hat, seine anfängliche Zellausbildung, d.h. die

' zu, Zellen verlieren nicht ihre Einzelgestalt, beibehalten, wenn eine Probe des Schaumee bei einer Temperatur von 5O°C oberhalb ihrer Glastemperätur während eines Zeitraums von 15 Minuten gehalten wird.

Jeder synthetische harzartige Schaum, der ausreichend elastisch ist, um sich wieder zu expandieren oder der eine anschließende Wiederexpansion erlaubt, nachdem er auf etwa 10 bis etwa 25Ϊ seiner ursprünglichen Dicke bei einerTemperatur oberhalb seiner Einfriertemperatur zusammengepreßt wurde, ohne daß ein Zusammenbruch der Schaumstruktur eintritt, kann bei der praktischen Ausführung der vorliegenden Erfindung mit der weiteren Begrenzung angewandt werden, daß, falls der Schaum oder ein Teil desselben bei einer Temperatur von etwa 20⁰C oder mehr unterhalb seiner Einfriertemperatur

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gehalten wird, er genügend brüchig ist, so daß das Zusammenpressen desselben die Zellwände in einem zur Bildung einer offenzelligen Struktur ausreichenden Grad aufbricht, jedoch die Schaumstruktur als einheitlicher Körper beibehalten wird. Schäume, die bei der Erfindung nicht eingesetzt werden können, sind diejenigen, die keine Einfriertemperatur oder Glastemperatur (Tg) aufweisen.

In vielen Fällen ist es möglich, den Schaum ζμ einer ausreichend niedrigen Temperatur abzukühlen, so daß beim Brechen die Gesamtheit des Körpers zerstört wird und das erhaltene Produkt etwa einem Staub entspricht. Derartige Bedingungen stellen offensichtlich einen Materialverlust und eine Verschwendung der Gefrier- oder Abkühlkapazität dar. Der bei irgendeinem gegebenen Schaum bogen oder -gegenstand genau erforderliche Grad des Zusammenpressen s variiert entsprechend dem Anteil des Gegenstandes, der in einen offenzelligen Schaum zu überführen ist, der relativen Steifheit der gekühlten und nichtgekühlten Teile, der Geschwindigkeit und Stärke des Quetschens u.dgl. Derartige Begrenzungen für irgendein spezielles Schaumkunststoffsystem lassen sich von dem Fachmann leicht feststellen, üblicherweise ist es günstig, den Gegenstand von der Temperatureinstelleinrichtung zu der Quetschvorrichtung so rasch als möglich zu überführen, um zu verhindern, daß die Temperatur des

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kühleren Teils höher als etwa 2O⁰C unterhalb der Einfriert emperat ur steigt.

Eine große Vielzahl von Erhitzungs-, Gefrier- oder Kühleinrichtungen können angewandt werden. Günstigerweise wird für optimale Wärmeübertragung und selektive Kühlung eines Schaumkörpers ein flüssiges Wärmeübertragungsmedium angewandt, üblicherweise stellt die angewandte Flüssigkeit praktisch ein Nicht-Lösungsmittel für den zu kühienden Schaum dar und wird daraus leicht durch Verdampfen oder Waschen entfernt, falls ein Produkt gewünscht wird, das von deijiKühlflüssigkeit frei ist.· Vorteilhafterweise werden die Schaumstrukturen selektiv gekühlt, indem sie Flüssigkeiten, z.B. verflüssigten Gasen von geeigneten Temperaturen und während eines ausreichenden Zeitraumes, um die gewünschte Temperatur zu erreichen, ausgesetzt werden. Besonders günstig für die Wärmebehandlung derartiger Schäume sind flüssige Luft und flüssiger Stickstoff. Aufgrund seiner leichten Zugänglichkeit und niedrigen Kosten wird flüssiger Stickstoff bevorzugt. Die thermoplastischen harzartigen . Schäume schwimmen auf der Oberfläche des flüssigen Stickstoffs, und die Stärke oder Tiefe des Schaumes, die gekühlt wird, läßt sich einfach durch die Berührungszeit des Schaumes mit dem flüssigen Kühlmittel regeln. In Fällen, wo die Einfriertemperatur des Schaumkörpers

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oberhalb von Raumtemperatur liegt, läßt sich die relative Temperatur der Teile des Schaumkörpers leicht mittels erhitzter Gase, Flüssigkeiten u.dgl.. einstellen, . die so gewählt werden, daß sie dem speziell angewandten Kunststoffmaterial entsprechen.. In vielen Fällen werden mit "Vorteil heiße Luft und heißes Glycerin angewandt.

Bei den meisten Schäumen ist es günstig, den Schaum auf etwa 10 bis etwa 25$ seiner ursprünglichen Stärke zusammenzupressen, um ein Zellaufbrechen zu erreichen. Diese Zusammenpressung muß üblicherweise beschränkt bleiben und nicht bis zu dem Extrem ausgeführt werden, tei dem die Zellen des warmen Schaumes - d.h. des Schaumes mit einer Temperatur oberhalb etwa 20° unterhalb der Einfriertemperatur - aufgrund der übermäßigen Gasdrücke, die während des Zusamenpressens entwickelt werden, aufbrechen.

Verschiedene Konfigurationen von Schäumen mit offenen und geschlossenen Zellen lassen sich leicht nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durch Änderung der Temperatur innerhalb des Körpers herstellen. Im vorstehenden wurde die Erfindung hinsichtlich der Ausbildungsform eines zweischichtigen Schaumes beschrieben, d.h. eines Schaumes, bei dem ein Teil des geschäumten Kunststoffkörpers geschlossene Zellen benachbart zu einer

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Oberfläche und offene Zellen an der entgegengesetzten Oberfläche hat. Durch Anwendung geeigneter Verfahrensmaßnahmen lassen sich dreischichtige Schäume und sogar vier- und fünfschichtige Schäume leicht herstellen. Wenn ein Bogen eines flexiblen geschäumten Kunststoffmaterials bei einer Temperatur unterhalb etwa 20° unterhalb der Einfriertemperatur gehalten wird und die Teile desselben, die an den Oberflächen liegen, auf eine Temperatur größen als die Bruchtemperatur oder der Tg-Wert gesteigert werden und die Struktur anschließend gequetscht wird, ergibt sich als Produkt ein Schaumkörper mit geschlossenen Zellen an seinen jeweiligen Hauptoberflächen und offenen Zellen in einer allgemein zentral liegenden Schicht. Die Lage der zentral liegenden Schicht läßt sich leicht durch selektives Erwärmen der äußeren Oberflächen vor dem Quetschen regeln, so daß die offene Zellschicht in praktisch jeder beliebigen Stellung innerhalb des Körpers ausgebildet werden kann. Durch erneute Behandlung einer derartigen Struktur unter geeignet geregelten Bedingungen läßt sich eine zweite Schicht von offenzelligem Schaum leicht an jeder gewünschten Stellung innerhalb des Körpers ausbilden. Bei einer der vorstehenden Regeln berücksiehtigfenden Arbeitsweise werden die gewünschten Kombinationen von offenzelligem und geschlossenzelligem Schaum leicht aus einem einheitlichen geschäumten Kunststoffkörper erhalten.

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Zur weiteren Erläuterung wurde eine Mehrzahl von' rechteckigen Blöcken eines zellhaltigen Polyäthylens mit einer Massendichte von etwa 24 g/l (1,5 pounds per cubic foot) mit den Abmessungen 10 χ 10 χ 3,8 cm (4 χ 4 χ 1 1/2 inches) auf die Oberfläche einer Menge von flüssigem Stickstoff gebracht und während verschiedener Zeiträume schwimmen gelassen. Die Blöcke wurden dann zwischen einem Paar Klemmwalzen, die voneinander einen Abstand von 0,32 cm (0,125 inch) hatten, in der Weise durchgeführt, daß die Abmessung von 3,8 cm (1 1/2 inch) auf 0,32 cm (0,125 inch) zusairanengepreßt wurde. Die erhaltenen Schaumproben wurden dann in eine wässrige Lösung eines blauen Farbstoffes gebracht. Anschließend wurden die Blöcke zerschnitten, um die Tiefe festzustellen, bis zu der die wässrige Farblösung eingedrungen war. Die Ergebnisse sind in folgender Tabelle zusammengefaßt.

TABELLE

Probenummer Schwimmzeit i. Minuten Tiefe d. Farbstoffeina.d.Flüssigkeit (N_n) dringR. v.d.Oberfl.

1 5 3,2 mm

2 10 6,35 mm

3 20 7,95 mm

4 30 11,1 mm

Die auf diese Weise hergestellten Schaumblöcke erwiesen 909839/13It

sich besonders wertvoll für Reinigungszwecke, bei denen es gewünscht ist, einen Schwämmeffekt und eine Trennschicht zur Verhinderung des Durchdringens der Flüssigkeit von einer Seite des Reinigungspolsters oder -schwammes zu der andern zu haben und trotzdem mit einem Reinigungspolster arbeiten zu können, welches ausreichend steif ist, um seine Form bei den Beanspannungen während der Anwendung beizubehalten. Günstigerweise hat der poröse oder offenzellige Teil des Schaumes eine Preßfestigkeit von etwa 1/20 derjenigen des geschlossenen Zellteiles, wodurch sich Reinigungspolster mit einer Struktur gemäß der Erfindung ergeben, die sich an die verschiedensten unregelmäßigen Oberflächenformen anpassen, ohne daß ein .übermäßiger Druck auf den Teil des zu reinigenden Gegenstandes ausgeübt wird, der sich am weitesten aus der allgemeinen Ebene des Gegenstandes hervorhebt, Auf diese Weise wird ein Polieren oder Abschleifen der höheren Stellen der Oberflächen in einem übermäßigen Ausmaß vermieden. Ein gemäß der Erfindung hergestellter zweischichtiger Schaum ist besonders vorteilhaft und günstig für Polstereizwecke. Bögen aus Polyäthylenschaum mit einer Stärke von etwa 5 cm, wobei 3,8 cm (1 1/2 inches) aus einem geschlossenen Zellschaum und die restlichen 1,2 cm aas einem offenen Zellschaum bestehen, erwiesen sich bei ihrer Ver-

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Wendung als Polster für Kraftfahrzeugsitze bei Bedeckung mit einem Gewebe als bequemer als ein ähnlicher Sitz, der unter Verwendung eines geschlossenen Zellschaumes von 5 cm Dicke hergestellt wurde. Versuchspersonen für derartige Sitze fanden, daß die unter Verwendung des Schaumes mit einem Anteil von offenen Zellen hergestellten Sfcze wesentlich beque- m mer waren.

Ein Teil eines flexiblen Polyvinylchloridschaumes mit geschlossenen Zellen mit einer Dichte* von 80 g/l (5 pounds per cubic foot) und den Abmessungen 10 χ 10 χ 2,54 cm (4 χ 4 χ 1 inch) wurde während eines Zeitraumes von 10 Minuten in flüssigen Stickstoff eingebracht. Nach Beendigung dieses Zeitraumes wurde der Schaum entnommen und in Luftatmosphäre bei einer Temperatur von etwa 25°C während 3 Minuten gehalten. Die Schaumprobe wurde dann in Richtung der Abmessung von 2,54 cm zu einer Stärke von etwa 0,51 cm (0,2 inch) zusammengepreßt. Nach dem Quetschen wurde die Schaumjärobe an die Luft gelegt, bis die Probe Raumtemperatur angenommen hatte. Bei der Untersuchung des Schaumes zeigte sich, daß jede Oberfläche aus einer Schicht geschlossener Zellen bestand, und daß das Innere des Schaumes überwiegend aus offenzelligem Material bestand.

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Ein aus Polyorthochlorstyrol und 0,11 Gew.? Divlnylbenzol hergestellter Schaum mit geschlossenen Zellen von einer Dichte von 48 g/l (3 pounds per cubic foot) wurde zu einem rechteckigen Block von 2,54 χ 2,54 χ 1 cm (1 χ 1 χ 0,4 inch) geschnitten. Diese Probe wurde während eines Zeitraumes von 15 Minuten in einem Luftofen bei einer Temperatur von 150⁰C erhitzti Die Probe wurde dann aus dem Ofen entnommen und Luft von etwa 25⁰C während eines Zeitraumes von etw^. Minute ausgesetzt. Unmittelbar danach wurde die Probe in der Richtung der Stfärke von 1 cm zu einer Abmessung von 0,25 cm (0,1 inch) gepreßt. Die Probe wurde dann während eines Zeltraumes von 15 Minuten in einem Luftofen bei 150⁰C erhitzt, worauf die Probe sich zu einer Stärke von etwa 6,35. mm (0,25 inch) wieder expandierte. Die behandelte Probe wurde mit wässriger Färbstofflösung behandelt. Eine zentralliegende Schicht in der Probe von etwa 0,38 cm (0,15 inch) zeigte keine oder nur geringe Färbstoffaufnahme, während die restlichen 1,27 cm Schaum von jeder Seite der Probe eine starke Aufnahme der Färbstofflösung zeigte, was offene ZeI-len beweist. Ein unbehandelter Teil des Schaumes zeigte keine Färbung, wenn ei^nit dem Farbstoff behandelt wurde.

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Eine Probe des gleichen Orthdchlorstyrol-Schaumes wurde in ähnlicher Weise mit der Ausnahme, behandelt, daß er während eines Zeitraumes von nur 30 see. vor dem Quetschen gekühlt wurde. Bei*der Behandlung mit der Färbstofflösung zeigte sich, daß wesentlich weniger Zellen an der Oberfläche aufgebrochen waren. Eine dritte Probe des Polyorthochlorstyrol-Schaumes wurde während 3 Minuten in Luft auf 150⁰C erhitzt und unmittelbar zu 0,25 cm gequetscht und anschlieÄend 5 Minuten bei 15O⁰C wieder erhitzt und auf Raumtemperatur abgekühlt. Bei der Behandlung mit wässriger Färbstofflösung zeigte sich, daß die innere Hälfte der Probe eine offenzellige Struktur aufwies, während die an den Oberflächen liegenden Schichten eine Struktur aus geschlossenen Zellen hatte.

Bei einer Wiederholung der vorstehenden Versuche unter Verwendung von Polyorthochlorstyrol-Schäumen mit durch Polymerisation von Methylmethacrylat mit 0,10 Qev.% Divinylbenzol hergestellten Schäumen von einer Dichte von etwa 32 g/l (2 ßounds per cubic foot) ergaben sich · ähnliche Ergebnisse. Eine Probe eines aus isotaktischem Polystyrol hergestellten Schaumes mit einer Dichte von 32 g/l (2 pounds per cubic foot) und der Abmessung 2,54 x 2,5^ x 1,27 cm (1 χ 1 χ 1/2 inch) wurde auf eine Temperatur von 120⁰C während eines Zeitraums von

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15 Minuten mittels eines Luftofens erhitzt. Die Schaumprobe wurde während ^l Minute in Luft bei einer Temperatur von etwa 24°C abgekühlt und in Richtung der Abmessung von 1,27 cm zu einer Stärke von etwa 0,25 cm (0,1 inch) gequetscht. Der gequetschte Schaum wurde während eines Zeitraumes von 10 Minuten bei 120⁰C in Luft erneut erhitzt und anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Schaumprobe wurde mit einer wässrigen Farblösung behandelt, die in den äußeren Teil des Schaumes leicht eindrang, jedoch von dem zentralen Teil der Probe nicht aufgenommen wurde.

In ähnlicher Weise wie in den vorstehenden Beispielen wurden Schaumkörper mit selektiven offenzelligen Teilen beispielsweise leicht aus geschäumtem Polyäthylen, geschäumtem Polypropylen, geschäumtem Polybuten-1, geschäumtem Isobutylen, harzartigen Mischpolymerisaten von Äthylen und Propylen, Naturkautschuk, Styrol-Butadien-Kautschuk, chlorsulfoniertem Polyäthylen, Polyvinylidenchlorid, Polyäthylacrylat, Polybutylacrylat, Polyäthylmethacrylat, Polyvinylather, Polytert.butylstyrol, flexiblem Polyurethanschaum mit einer Massendichte von etwa 32 g/l (2 pounds per cubic foot), flexiblem geschäumtem Naturkautschuk mit einer Massendichte von etwa 80 g/l (5 pounds per cubic foot), Polypropylenschaum mit

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einer Massendichte von etwa 20 g/l (1,25 pounds je cubic foot), einem aus 40 Teilen Styrol und 60 Gew.-Teilen Butadien hergestellten Schaum mit einer Dichte von etwa 48 g/l (3 pounds per cubic foot) und aus anderen polymeren Schäumen gebildet, die eine Einfriertemperatur oder Glastemperatur zeigen und die, wie es bei den Schäumen der vorstehenden Beispiele der Fall ist, ihren anfänglichen Zellzusammenhalt während eines Zeitraums von 15 Minuten beibehalten, wenn sie auf eine Temperatur von 50⁰C oberhalb ihrer Glastemperatur erhitzt werden.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines thermoplastischen, harzartigen Gegenstandes mit offenen und geschlossenen Zellen, dadurch gekennzeichnet, daß selektiv die Temperatur mindestens eines ersten Teiles eines harzartigen geschäumten Körpers, der einen Einfrierpunkt zeigt? und eine Mehrzahl geschlossener Zellen enthält, auf eine Temperatur unterhalb dessen Einfriertemperatur oder Glastemperatur geändert und anschließend der Körper gepreßt wird und die Zellen des ersten Teiles des Schaumkörpers aufgebrochen werden, während mindestens ein zweiter Teil des Körpers oberhalb seiner Einfriertemperatur gehalten und der Hauptteil der darin befindlichen Zellen nicht aufgebrochen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaum durch Berühren mindestens eines Teiles einer Oberfläche desselben mit einem flüssigen Wärmeübertragungsmedium gekühlt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als flüssiges Wärmeübertragungsmedium flüssiger Stickstoff verwendet wird.

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4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbrechen durch Pressen des Schaumes auf etwa lC^iis etwa 25$ seiner ursprünglichen Dicke bewirkt wird.

5· Verfahren nach Anspruch 1 bis 3_S dadurch gekennzeichnet, daß das thermoplastische Harzmaterial aus einem Polyäthylenschaum besteht.

6. Zellhaltiger, thermoplastischer, harzartiger Formgegenstand, gekennzeichnet durch einen ein-· heitlichen Körper von praktisch gleicher durchgehender ' Zusammensetzung mit einem Bezirk von geschlossener Zellstruktur und einem anstoßenden Bezirk von offener Zellstruktur, wobei die Konfigurationen der Zellen der offenen und geschlossenen Bezirke praktisch identisch sind.

7· Pormgegenstand nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zeilhaltige Schaumgegenstand aus einem Polyolefin besteht.

8. Pormgegenstand nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß das Polyolefin aus Polyäthylen besteht.

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9. Pormgegenstand nach Anspruch 6 bis 8, gekennzeichnet durch eine im allgemeinen bogenartige Ausbildung, wobei sich der Teil mit offenen Zellen von einer der Hauptoberflächen des Bogens nach innen erstreckt und sich der Teil mit geschlos- * senen Zellen von der entgegengesetzten Fläche des Bogens nach innen erstreckt.

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