DE1949840A1 - Composite article - Google Patents
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- B29K2307/00—Use of elements other than metals as reinforcement
Description
Patentanwälte Dipl.-Ing. R. Beetz u, Dipl.-Ing." LamprecM 1949-840Patent attorneys Dipl.-Ing. R. Beetz u, Dipl.-Ing. "LamprecM 1949-840
293-I4.98OP 2.10.1969293-I4.98OP October 2, 1969
NATIONAL RESEARCH DEVELOPMENT CORPORATION London (Großbritannien)NATIONAL RESEARCH DEVELOPMENT CORPORATION London (Great Britain)
VerbundwerkstoffgegenstandComposite article
Die Erfindung bezieht sich auf Verbundwerkstoffgegenstände und Verfahren zu ihrer Herstellung.The invention relates to composite articles and methods of making them.
Ein Verbundwerkstoff, in dem eine PaserverStärkung wie Glasfaser in einem ausgehärteten Kunstharzgrundmaterial enthalten ist, wird allgemein gebraucht. Eine weitergehende Verwendung eines solchen Werkstoffes wurde durch die Schwierigkeit gehindert, die vollen Festigkeits« und Steifheitskapazitäten der FaserverStärkung bei einem solchen Werkstoff zu erreichen. Welter haben auch die Beständigkeitseigenschaften solcher Werkstoffe gegenüber Abnutzung, hoher Temperatur und chemischem Angriff Ihre Verwendung beschränkt.A composite material in which a fiber reinforcement such as Glass fiber in a hardened synthetic resin base material is generally used. A more extensive use of such a material was made possible by the difficulty prevented the full strength and stiffness capacities of the fiber reinforcement in such a material to reach. Welter also have the resistance properties Such materials limit their use to wear, high temperature and chemical attack.
.293-(JX 3X33/O5)-TpP (7) ,.293- (JX 3X33 / O5) -TpP (7),
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Dsr lrfinduBg liegt die Aufgab* zugrunde, eines verbesserten Verbundwerkstoffgtgsagtand aus einem Kunetherz sit einer faeezYevetärknng ßowls ein Verfahren zur Herstellung gel ehe χ- Stgenstäßde υ» schaff«η.Dsr lrfinduBg is based on the task * of an improved Composite material made from a synthetic heart sit a faeezYevetärknng as well as a method of manufacture gel ehe χ- Stgenstäßde υ »create« η.
Gelöst wird, diese Aufgabe erfindungsgeaiäS durch einen Verbundwerkstoffgegenstand aus einem von einem Hohlmantel oder Überzug umgebenen K®rn aus Sunstharz alt Faserver» StärkungoThis object is achieved by a erfindungsgeaiäS Composite article made from one of a hollow shell or coating surrounded by grain made of synthetic resin old fiber coating. Strengthening o
Die FaserverStärkung umf&St swecksäSlg Kohlefasern hoher Festigkeit und hohen Elastizitätsmoduls der Art, wie sie in der brit. ^tentschrift 1 110 791 Deschrieben 1st, and das Kunstharz kann ein Spozj-? Polyester-, Polyamid- oder l?ur anker se sein, das durch Anwendung von Wärme und/oder durch den Sefeslt sines geeigneten Härters und Katalysators ausgehärtet wird.The fiber reinforcement comprises carbon fibers of high strength and high modulus of elasticity of the type described in British publication 1 110 791, and the synthetic resin can be a Spozj- ? Polyester, polyamide or oil anchors, which are cured by applying heat and / or by using a suitable hardener and catalyst.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffgegenstandes gemäS der Erfindung besteht aus dem Imprägnieren eines faserTerstärkungswerkstoffe mit ungehärtetem Kunstharz, dem teilweisen Auehärten des Kunstharzes zur Schaffung einer Ter^undmischung aus Kunstharz und Paser und anschliegendem freiben der Yerbundiaischung unter Druck durch eine Bübo in einen Hohlisantel zur Erzeugung eines Verbundwerkstoffgegenstandes aus einem von einem Hohlmantel umgebenen Kern aus teilweise ausgehärtetem Kunstharz mit Jasery©rStärkung.A method of making a composite article According to the invention consists of the impregnation of a fiber reinforcement material with unhardened Synthetic resin, the partial hardening of the synthetic resin to create a surface mixture of synthetic resin and Paser and then rubbing the yerbundia mixture under pressure through a Bübo into a hollow shell to generate a Composite article from one of a hollow shell Surrounded core made of partially hardened synthetic resin with Jasery © r reinforcement.
Der Außen» und/oder Xtmenquersehaltt des Mantels kann Terschiedene Gestalt, z, B. Z-f E-, S- oder X-Quersehnittfora aufweisen.The outer "and / or the jacket may Xtmenquersehaltt Terschiedene shape Eg Z- f E-, S- or X-Quersehnittfora have.
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Vorsugsweise 1st der Mantel aus Metall, z. B. ei »er Aluainlualegiexung. Solche Verbundgege&stände können als Versteifungsstreben sub Stabilisieren and Verfestigen eines Blechkonstruktion verwendet werden.As a precaution, the jacket is made of metal, e.g. B. an aluminum standardization. Such composite structures can be used as stiffening struts to stabilize and consolidate a sheet metal structure.
Die Verbundgegenstäade lassen eich e. B. durch Biegen vor der Endaushlrtung des I&netharssgehalts anpassen, be-Tor sie in eine Konstruktion eingefügt werden, oder die End-•ushärtung kann unmittelbar nach des Füllen dee ifentele Torgenoaeen werden.The composite objects can be calibrated. B. by bending Before the final hardening, adjust the net content, insert them into a construction, or the final hardening can be completed immediately after filling Torgenoaeen be.
Sin weiteres Verfahren sar Herstellung eines Verbandwerkstoffgegenstandei gemäß der Srfindang besteht aus des Ieprtgnitrtn tines Stranges aas ?aeerTeretärkungswerketoi£ ■1t angehlrtetea Kansthars, teilweise^ Aushärten des Kunstharzes sar Schaffung eines Tarbundstranges, Einführe» des Verbundstranges In einen Block aus etrangpreSbarem Metall und Strangpressen de· Metall- und des Verbundstranges aus einer hydros ta tisohen Strangpresse siir Erzeugung eines Verbundwerkstoff gegenstandes aus fliest eine PaserTerstärkung in einer teilweise ausgehärteten KunetliarBeatrix enthaltenden Kern, der wenigstens teilweise τοη Metall ummantelt ist.A further process sar production of a bandage material item according to the Srfindang consists of the Ieprtgnitrtn tines strand aas? AeerTeretärkungswerketoi £ ■ 1t attached to Kansthars, partial hardening of the synthetic resin sar creation of a tarbund strand, inserting the composite strand into a block of extruded metal - and the composite strand from a hydraulic extrusion press siir production of a composite material object flows from a fiber reinforcement in a partially cured KunetliarBeatrix-containing core, which is at least partially encased in metal.
Sie Flüssigkeit, durch welche der hydrostatische Strangpreßdruck ausgeübt wird, kann aus ungehärtetes Iaprägnierkunsthare bestehen.The liquid through which the hydrostatic extrusion pressure is exerted may consist of uncured artificial hair.
In einen solchen Verbundwerkstoffgegenstand verschafft der faserverstärkte Kunstharskern die Hauptlängsfestigkeit und -steifigkeit, und der Mantel liefert einen Hauptanteil der Festigkeiteeigenschaften in Querrichtung des Segenstandes.Provided into such a composite article the fiber-reinforced synthetic resin core provides the main longitudinal strength and stiffness, and the jacket provides a major portion of the strength properties in the transverse direction of the article.
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In einem Beispiel nach der Erfindung wurden Kohlefasern von 7 Mikron Durchmesser und der in der brit. Patentschrift 1 110 791 beschriebenen Art mit einer gleichen Menge einer Lösung imprägniert, die ein wärmehärtendes Epoxyharz umfaßte, das in Acetonlösungemittel gelöst war und Bortrifluoridaminkomplex als Katalysator enthielt. Die imprägnierten Fasern wurden dann durch Erhitzen auf etwa 1000G für 30 Minuten teilweise ausgehärtet, wodurch das Lösungsmittel ausgetrieben wurde und sich eine Verbundmischung ergab, mit der man leicht hantieren konnte.In one example of the invention, carbon fibers 7 microns in diameter and of the type described in British Patent 1,110,791 were impregnated with an equal amount of a solution comprising a thermosetting epoxy resin dissolved in acetone solvent and containing boron trifluoridamine complex as a catalyst. The impregnated fibers were then cured by heating at about 100 0 G for 30 minutes in part, been driven whereby the solvent and a composite mixture revealed with which one could easily handle.
Die Mischung wurde dann in eine Strangpresse eingebracht. Eine Länge von Aluminiumrohr mit Ereisquersehnitt wurde an der Düsenausgangsseite der Fresse befestigt, und die Mischung wurde dann durch die Düse zwecks Füllung des Rohres eingespritzt. Die Wirkung des Treibens der Mischung durch die Düse besteht in der allgemein parallel zur Längsrichtung des Hohree erfolgenden Ausrichtung der Fasern. Die Mischung in dem Rohr iet in Fachkreisen als •'untergehärtete Yorlraprägniermischung" ("undercured pre-pregB) bekannt. Der so aus einem mit "untergehärteter Torimpräg— niermi.sclmng" gefüllten Aluzainiumrohr geformte Gegenstand läßt sich z. B. durch Biegen in eine erforderliche Gestalt bringen.The mixture was then placed in an extruder. A length of ice-shaped aluminum tubing was attached to the nozzle exit side of the muzzle and the mixture was then injected through the nozzle to fill the tube. The effect of forcing the mixture through the nozzle is to orient the fibers generally parallel to the longitudinal direction of the Hohree. The mixture in the tube is known in the art as "undercured pre-preg B ". The object formed in this way from an aluzainium tube filled with "underhardened gate impregnation agent" can e.g. B. bring into a required shape by bending.
Die Indaushärtungdea KunstharzgeheItβ der "untergehärteten Yorimprägniernil$chungB wird durch Erhitzen dee Gegenstandesauf 1GO0G für 30 Minuten bewirkt.The hardening of the synthetic resin content of the "under-hardened Yorimpregnation Compound B is effected by heating the object to 1GO 0 G for 30 minutes.
Der Mantel kann τοπ unregelmäßigem Querschnitt sein, und in einem weiteren Beispiel besteht «r sus einer bzw. einem hohlen Gewindeschraube oder -bolzen init einer Längs-» axialbohrung, die mit einem Kern aus mit Fasern verstärktemThe jacket can be τοπ irregular cross-section, and in a further example «r sus consists of a resp. a hollow threaded screw or bolt with a longitudinal » axial bore reinforced with a core made of fibers
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ausgehärteten Kunstharz gefüllt ist. Sie Schraube oder der Bolzen wird nach irgendeinem bekannten Herstellverfahren erzeugt, trägt das Gewinde und im Pail einer Schraube den Schraubenkopf und ist mit einem hohlen Schaft ausgebildet oder nachträglich ausgebohrt, um die Bohrung für den Kern zu schaffen. Wenn eine einsinnig gerichtete Verstärkung parallel zur 3jangsach.se der Schraube ausgenutzt wird, hat eine solche Schraube ein sehr gutes Festigkeiteverhalten, da die Enden des Verbundkerns unbelastet sind und daher keine Belas.tungskonzentration in dieser sonst anfälligen Zone auftritt. Bas Festigkeits-Sewichtsverhältnis einer solchen Verbundwerkstoffschraube ist derart, daß eine Schraube oder ein Bolzen des gleichen Gewichts wie Aluminiumlegierungsschrauben oder -bolzen angenähert die gleiche Festigkeit wie eine Schraube bzw. ein Bolzen der gleichen Abmessungen aus Stahl aufweisen» Diese Gewichtsersparnls ist von besonderer Wichtigkeit auf dem Gebiet der Flugzeugtechnik. cured synthetic resin is filled. You screw or the Bolt is produced by any known manufacturing process, carries the thread and in the pail of a screw the screw head and is designed with a hollow shaft or subsequently drilled out to make the hole for the To create core. If a unidirectional reinforcement parallel to the 3jangsach.se of the screw is used such a screw has a very good strength behavior, since the ends of the composite core are unloaded and therefore no exposure concentration in this otherwise vulnerable zone occurs. Bas strength-to-weight ratio such a composite screw is such that a Screw or bolt the same weight as aluminum alloy screws or bolts approximately the same strength as a screw or a bolt of the same Dimensions made of steel have »This weight saving is of particular importance in the field of aircraft technology.
Die Erfindung wird anhand zweier in der Zeichnung veranschaulichter Ausführungebeispiele näher erläutert; darin zeigen:The invention is illustrated using two in the drawing Examples of execution explained in more detail; in this demonstrate:
Fig. 1 einen seitlichen Schnitt durch ein Ausführ ungsbeispielj Fig. 1 is a side section through an embodiment ungsbeispielj
Fig. 2 und 5 Seitenschnitte des zweiten Ausführungsbeispiels; FIGS. 2 and 5 are side sections of the second exemplary embodiment;
Fig. 4, 5 und 6 Schnittansichten nach den Schnittlinien IV-IV, V-V und VI-VI in Fig. 3j4, 5 and 6 are sectional views along the cutting lines IV-IV, V-V and VI-VI in Fig. 3j
und ■..'■■■and ■ .. '■■■
Fig. 7 einen seitlichen Seilschnitt.7 shows a lateral section of the rope.
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- βίο S1Ig. 1 umfaßt der untere Teil einer hydrostatischen Strangpresse ein hohles zylindrisches Bauteil 11, das einen Pormbloclc 12 mit Kreisquerschnittmündung 13 trägt. Ein Strang aus Kohl·fasern der in der brit, Patentschrift 1 11Q beschriebenen Art 1st mit einer gleichen öewichtsmenge einer lösung aus wärmeaushärtendem Epoxyharz imprägniert, das in Acetonlösungsmittel gelöst ist und Bortrifluorid-Aminkomplsi als Katalysator enthält, Der imprägnierte Strang 14 wird dann 30 Minuten auf 10O0O zur Bewirkung teilwsiser Aushärtung erhitzt» Dar Strang wird nachher in eine Bohrung in einem Block aus weicher Aluminiumlegierung 16 eingeführt und in die Presse eingebracht. Dann wird unter Yerwendung flüssigen Eposyharzss 17 als Ereßflüsaigkeit hydrostatischer Druck ausgeübt. So wird ein Terbundwerkstoffgegenstand durch die Form.extru&iert, der ©inen Kreisquersehnitt-Hohlaluminittfflsian&el 18 aufweist, der teilweise ausgehärtetes Kunstharz 18 mit Kohlefaserverstärkung umgibt. Die anschließende Endaushärtung des Kunstharzes wird unter Anwendung yon Hitze durchgeführt.- βίο S 1 Ig. 1, the lower part of a hydrostatic extruder comprises a hollow cylindrical component 11 which carries a pormbloclc 12 with a circular cross-sectional mouth 13. A strand of carbon fibers of the type described in British patent specification 1111 is impregnated with an equal amount by weight of a solution of thermosetting epoxy resin which is dissolved in acetone solvent and contains boron trifluoride-amine complications as a catalyst. The impregnated strand 14 is then open for 30 minutes 10O 0 O heated to effect partial hardening »The strand is then inserted into a hole in a block made of soft aluminum alloy 16 and placed in the press. Then hydrostatic pressure is exerted using liquid eposy resin 17 as an erectile liquid. Thus, a composite material object is extruded through the mold, which has a circular cross-section hollow aluminum foil 18 which surrounds partially cured synthetic resin 18 with carbon fiber reinforcement. The subsequent final curing of the synthetic resin is carried out with the application of heat.
In den Pig. 2 und 3 ist eine Formpreßanordnung zum !Formpressen eines Kompressorf lilgels aus vier oberen !eilen 21a, 22a, 23a und 24a und entsprechenden Tier Unterteilen 21b, 22b, 23b und 24b dargestellt, woTon die Seile 21a und 21b erhitzt werden. Eine lormhöhlung 21c wird zwischen den Seilen 21a, 21b gebildet und 1st auf ihrer überwiegenden Mnge Ton gleichem Querschnitt wie eine Länge des Nachschubs ¥on ummanteltem Terbundmaterial, das in diesem Palle in Pig.4 mit 29 bezeichnet ist. Die PormhÖhlung 21c ist bei 21d erweitert, um einen Plügelfußendebund aufzunehmen, wie noch beschrieben wird.In the pig. 2 and 3 is a compression molding assembly for ! Compression molding of a compressor lilgels from four upper ones ! rush 21a, 22a, 23a and 24a and corresponding animal Subdivisions 21b, 22b, 23b and 24b shown where the Ropes 21a and 21b are heated. A lorm cavity 21c is formed between the ropes 21a, 21b and is predominantly of the same cross-section as a length of the supply ¥ on jacketed terbund material, which in this Palle is designated 29 in Pig. 4. The Pormh cavity 21c is expanded at 21d to accommodate a plügelfußendebund, as will be described later.
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Der obere und der untere Teil 22a und 22b Bind angelenkt, an unter dem Einfluß einer Intriebequelle bei 25 ua funkte 26, 27 zu schwenken, und ßo gestaltet, daß sie in geschlossenen Zustand, wie Fig. 3 zeigt, eine Formhöhlung 22c mit den Abmessungen eines Kompressorflttgels definieren.The upper and lower parts 22a and 22b are hinged to bind, to swing under the influence of an intriebequelle at 25 among other things sparked 26, 27, and designed so that they in the closed state, as shown in FIG. 3, a mold cavity 22c with the dimensions of a compressor blade define.
i)er obere und der untere Seil 25a und 23b umfassen Bogeuformstempel, die genau zwischeödie Teile 22a, 24s und 22b, 24b passen und ron einer Antriebequelle 28 antreibbar Bind.i) the upper and lower ropes 25a and 23b comprise bow-shaped dies, exactly between parts 22a, 24s and 22b, 24b fit and can be driven by a drive source 28 Bind
Der obere und der untere Teil 24a und 24b werden erhitzt und definieren zwischen sich eine Formhöhlung 24c der gleichen Gestalt wie 22c und mit einer erweiterten Höhlung 24cl entsprechend 21 d.The upper and lower parts 24a and 24b are heated and define a mold cavity 24c therebetween the same shape as 22c and with an enlarged cavity 24cl corresponding to 21d.
FUr einen FormpreßEykJus werden die beiden Teile 22a, 22b eur Offenstellung'aufgeschwenkt, wie In FIg. 2 dargestellt ist, und die oberen SPeIIe 21a Me 24a. Bind τοπ den unteren Teilen 21b bis 24b entfernt, line Länge dee Nachschubs aus einem Metallmantel 29 mit einem Kern 30 aus teilweise ausgehärtetes wärmeaushärtendem Kunstharz mit Faserverstärkung wird mit einem Blindende 31 (Fig* T) versehen. Der Nachschub wird in die untere Hälfte der Höhlung 21c eingesetzt, wobei das Blindende in die untere Hälfte der erweiterten Höhlung 21d paßt* Der obere und der untere Teil werden geschlossen, und die erhitzten Formteile 21a, 21b verflüssigen den KunstharzgeheIt des Kachschubs in den Höhlungen 21c und 21d*For a compression molding EykJus, the two parts 22a, 22b eur open position 'swung open, as in Fig. 2 shown is, and the upper column 21a Me 24a. Bind τοπ den lower parts 21b to 24b removed, line length dee Replenishment from a metal jacket 29 with a core 30 from partially cured thermosetting resin with Fiber reinforcement is provided with a blind end 31 (Fig * T) Mistake. The replenishment is in the lower half of the Cavity 21c inserted with the blind end fitting into the lower half of the enlarged cavity 21d * The upper and the lower part are closed and the heated mold parts 21a, 21b liquefy the synthetic resin content of the drawer in cavities 21c and 21d *
Die Form wird nun geöffnet und der Hachsehub vorgerückt,The mold is now opened and the Hachsehub advanced,
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bis das Blindende 31 zur erweiterten Fonnhöhlung 24d paßt. Ein Flügelfußendebund[32 ist am Nachschub angebracht, um zur Höhlung 21d zu passen. Sie Formteile werden nun geschlossen, wie Fig. 2 zeigt, und es versteht sich, daß ein Teil des Nachschubs, der sichfrorher in den Teilen 21a,. 21b befand, nun in den Teilen 22a, 22b ist. Sie Schwenk- ν teile 22a, 22b werden nun zu der in Fig. 3 dargestellten Stellung geschlossen, und der Flüssigkeitsdruck, der von dem flüssigen Kunstharz entwickelt wird, verformt den Metallmantel, der beginnt, die Gestalt der Formhöhlung 22c anzunehmen. Jedes Überschußkunstharz verformt den Hantel zwischen den Bogenformstempeln 23a» 23b, die gegen einen Steuerdruck von der Antriebsquelle 28 auseinander getrieben werden. In diesem Zustand werden die Formhöhlungen 21d, 22c nicht ganz durch den teilweise verformten Nachschub ausgefüllt, und dies ist in den Fig. 4, 5 und 6 gezeigt, wo es noch leere Hohlräume bei 4-1 f 51 und 61 gibt. Der Steuerdruck an den Bogenformstempeln wird nun gesteigert, um den Hantel weiter zu verformen und diese leeren Hohlräume 41, 51 und 61 zu füllen sowie den Hantel in die Zacken, wie bei 33 in dem Fußendebund 32, zu treiben.until the blind end 31 fits the enlarged Fonnhöhlung 24d. A wing root end collar [32 is attached to the supply to to match the cavity 21d. You mold parts are now closed, as shown in FIG. 2, and it goes without saying that a part of the replenishment, which was previously in parts 21a ,. 21b is now in parts 22a, 22b. You pan ν parts 22a, 22b now become that shown in FIG Closed position, and the fluid pressure passed by As the liquid synthetic resin is developed, the metal shell which starts to deform the shape of the mold cavity 22c to accept. Any excess resin will deform the dumbbell between the arch form stamps 23a »23b, which against a Control pressure from the drive source 28 are driven apart. In this state, the mold cavities 21d, 22c are not completely filled by the partially deformed supplies, and this is shown in FIGS. 5 and 6 shown where there are still empty voids at 4-1 f 51 and 61 there. The control pressure on the arch form stamps is now increased to further deform the dumbbell and to fill these empty cavities 41, 51 and 61 as well as the dumbbell in the prongs, as at 33 in the foot end collar 32, to drift.
Sie Form wird wieder geöffnet, der in der Höhlung 22c gebildete Gegenstand wird zur Höhlung 24c vorgerückt, und der Zyklus wird wiederholt.The mold is reopened, which is in the cavity 22c formed article is advanced to cavity 24c and the cycle is repeated.
Der geformte Gegenstand wird,während er in der Höhlung 24c ist,· auf eine zur Bewirkung der Auehärtung des Kunstharzes ausreichende Temperatur erhitzt. Um ein Aufhalten des Zyklus zu vermeiden, während das Aushärten vor sich geht, können weitere Höhlungen wie 24c vorgesehen werden, zu welchen der geformte Teil von 24c aus nach und nach vonThe molded article is, while it is in the cavity 24c is · heated to a temperature sufficient to effect the hardening of the synthetic resin. To stop To avoid the cycle while curing is in progress, additional cavities such as 24c can be provided, too which the molded part of 24c from gradually from
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ter· Atieiifetung «rfoigt.service required.
das Terfalireri zn beenden, ist es tiifrfcig, das EiQterder Läng· ά«β Saakßoiittbs diircii Anbringen eines Blind.-endes abzadlch-ten, Sas dem in Fig. 7 gezeigten äimlicii ist, jedocii. einen Biapiirageaendabscliltiö aafweisfc, der deformiert wird, um Öbirsciittßkunstiiarzfliiseiglceifc anfzunehaeo, wenn die iormatiuipel 23a, 25b betätigt werden.to finish the terfalireri zn, it is necessary, the eggQter the length · ά «β Saakßoiittbs diircii attachment of a blind end, which is the aimlicii shown in Fig. 7, jedocii. a Biapiirageaendabscliltiö aafweisfc that deforms is used to start the process of building artifacts, if the iormatiuipel 23a, 25b are operated.
009815/163?009815/163?
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