DE19543944A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Kunststoffgegenständen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von KunststoffgegenständenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Kunststoff
gegenständen mit Hohlstellen, wobei in eine in die Kavität eines
Formwerkzeugs eingebrachte Kunststoffschmelze Druckgas eingespritzt
wird und wobei ein Teil dieser Kunststoffschmelze in eine mit der
Kavität verbundene Überlaufkavität ausgetrieben wird.
Des weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens.
Ein Gasinnendruck-Verfahren - also ein Verfahren für die Herstellung
eines Kunststoff-Formkörpers, bei dem in die Kunststoffschmelze zwecks
Hohlraumbildung im Inneren des Formteils Druckgas injiziert wird -, bei
dem eine fluidisch mit der Kavität des Werkzeugs in Verbindung
stehende Überlaufkavität zum Einsatz kommt, ist aus der US 5,098,637
bekannt. Dort ist folgender Verfahrensablauf vorgesehen: Einspritzen
von Kunststoffschmelze in die Werkzeugkavität; Austreiben eines Teils
der Schmelze von der Kavität in die Überlaufkavität, indem eine
Druckgas-Ladung in die Kavität eingegeben wird; Abkühlen der
Schmelze; Entlüftung der Kavität; Entformen des fertigen Formteils.
In der EP 0 321 117 B1 ist ein ähnliches Verfahren vorgeschlagen. Dort
wird zunächst Kunststoff-Schmelze in die Kavität eingegeben. Dann wird
Druckgas in die Schmelze injiziert, um diese über die Innenflächen, die
den Hohlraum der Kavität bilden, zu verteilen, wodurch der Körper
innerhalb des Hohlraums geformt wird. Es folgen die Schritte des
Abkühlens, des Entlüftens und des Entformens. Erfindungsgemäß ist dort
vorgesehen, daß ein Teil der Schmelze während der Eingabe von
Schmelze oder von Gas von der Kavität in eine Überlaufkavität
ausgetrieben wird, wobei die Eingasung in die Überlaufkavität erfolgt,
von wo aus sich das Gas in die Kavität ausbreitet.
In beiden fällen steht die Kavität und die Überlaufkavität über einen
Kanal in Verbindung, der eine permanente fluidische Verbindung
zwischen beiden Kavitäten herstellt.
Diese Technologie weiterentwickelnd sieht die DE 39 13 109 C2 vor,
daß Haupt- und Nebenkavität über einen Kanal in Verbindung stehen, in
dem sich Ventilmittel befinden, die wahlweise eine Absperrung oder eine
Freigabe der Verbindung ermöglichen.
In dieser Schrift ist ein Verfahren vorgesehen, das wie folgt abläuft:
Zunächst wird Kunststoffschmelze in die Werkzeugkavität eingegeben
und anschließend Druckgas ins Innere der Schmelze eingespritzt. Die
Kavität wird dabei zunächst vollständig mit Schmelze gefüllt. Erst nach
dem Einsetzen des Erstarrens der Kunststoffschmelze an den Wänden der
Kavität wird dann die noch schmelzflüssige Seele des Kunststoffkörpers
mittels des Druckgases in die Überlaufkavität ausgetrieben.
Weiterhin ist ein ähnliches Verfahren aus der EP 0 438 279 A1 bekannt.
Ziel ist es dort, den eigentlichen Spritzgießprozeß unter dem für das
Spritzgießen typischen hohen Druck auszuführen und nicht unter dem
vergleichsweise geringen Gasdruck, der beim Gasinnendruckverfahren
normalerweise gegeben ist. Trotzdem sollen die Vorteile des
Gasinnendruckverfahrens genutzt werden. Daher ist am Ende der Kavität
hier ein Verschluß vorgesehen, der zunächst verschlossen ist. In dieser
Betriebsweise wird Schmelze mit hohem Druck in die Kavität gespritzt,
bis diese vollständig gefüllt ist. Nach Beginn des Erstarrens der Schmelze
wird der Verschluß geöffnet und so eine Verbindung zu einer
Überlaufkavität freigegeben. In diese wird dann die schmelzflüssige
Seele des Formteils unter Anwendung von Druckgas ausgetrieben.
Bei allen diesen bekannten Verfahren sind eine Reihe von Nachteilen
beobachtet worden:
In der US 5,098,637 und der EP 0 321 117 B1 ist vorgesehen, daß das Austreiben von Schmelze von der Kavität in die Überlaufkavität dadurch erfolgt, daß Druckgas in die Hauptkavität bzw. in das Innere der sich dort befindenden Schmelze eingespritzt wird. Dies hat den Nachteil, daß eine aufwendige Steuerung des Gasflusses bzw. -druckes erforderlich wird, wenn verhindert werden soll, daß auch Gas von der Haupt- in die Nebenkavität gelangt, also sozusagen durchbricht. Wenn dies geschieht, weist das fertige Formteil eine unerwünschte Öffnung (Gaskanal) auf, die es gilt, in einem weiteren - und damit das Verfahren verteuernden - Schritt zu verschließen.
In der US 5,098,637 und der EP 0 321 117 B1 ist vorgesehen, daß das Austreiben von Schmelze von der Kavität in die Überlaufkavität dadurch erfolgt, daß Druckgas in die Hauptkavität bzw. in das Innere der sich dort befindenden Schmelze eingespritzt wird. Dies hat den Nachteil, daß eine aufwendige Steuerung des Gasflusses bzw. -druckes erforderlich wird, wenn verhindert werden soll, daß auch Gas von der Haupt- in die Nebenkavität gelangt, also sozusagen durchbricht. Wenn dies geschieht, weist das fertige Formteil eine unerwünschte Öffnung (Gaskanal) auf, die es gilt, in einem weiteren - und damit das Verfahren verteuernden - Schritt zu verschließen.
Die in der DE 39 13 109 C2 und der EP 0 438 279 A1 beschriebenen
Verfahren verlangen zunächst das vollständige Füllen der Kavität mit
Schmelze und - bevor Schmelze in die Überlaufkavität ausgetrieben wird -
ein Einsetzen des Erstarrens der Schmelze (was eine unerwünschte
Wartezeit bedingt).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes
Verfahren und eine zugehörige Vorrichtung zu schaffen mit dem bzw.
der sicher ausgeschlossen werden kann, daß sich unerwünschte
Öffnungen an der Formteiloberfläche bilden. Ferner soll erreicht werden,
daß ein möglichst schneller Produktionsprozeß machbar wird, also
keine Wartezeiten nach Eingabe der Schmelze und vor Injektion von
Druckgas entstehen.
Die Lösung der Aufgabe wird durch folgende Verfahrensabfolge
erreicht:
- a) Herstellen einer fluidischen Verbindung (9) zwischen der Kavität (2) eines Formwerkzeugs (1) und einer Überlaufkavität (8);
- b) Einspritzen einer ausreichenden Menge Kunststoffschmelze in die Kavität (2) des Formwerkzeugs (1) entlang eines Schmelzefließwegs, der sich von einer Kunststoffplastifi ziereinheit (4, 5) durch eine Kunststoffeinspritzdüse (3) bis ins Formwerkzeug (1) erstreckt, wobei Kunststoffschmelze von der Kavität (2) in die Überlaufkavität (8) gelangt;
- c) Unterbrechen der fluidischen Verbindung (9) zwischen der Kavität (2) und der Überlaufkavität (8);
- d) Eingeben eines Druckfluids, insbesondere Druckgases, in die Schmelze in der Kavität (2) mittels mindestens einer Fluideinspritzdüse (7), so daß die sich in der Kavitat (2) befindliche Schmelze unter Hohlraumbildung in der Kavität (2) verteilt und an die Kavitätswandungen des Formwerkzeugs (1) angepreßt wird;
- e) Abkühlenlassen des so hergestellten Formteils (6) auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts der Kunststoff schmelze;
- f) Entlastung der Kavität (2) vom Druck des Druckfluids; und
- g) Entformen des Formteils.
Im Unterschied zu allen aus dem Stand der Technik bekannten
Verfahren, bei denen stets durch Eingabe von Druckfluid Schmelze von
der Haupt- in die Überlaufkavität ausgetrieben wird, geht also die
Erfindung den Weg, daß der Schmelzeübertritt von der Haupt- in die
Nebenkavität ausschließlich durch die Eingabe von Kunststoffschmelze
in die Hauptkavität und nicht durch die Injektion von Druckgas ausgelöst
wird.
Die Eingabe von Druckgas erfolgt unmittelbar nach dem Absperren der
fluidischen Verbindung zwischen Haupt- und Nebenkavität, so daß keine
Wartezeit vor der Gasinjektion nötig ist. In vorteilhafter Weise wird
trotzdem erreicht, daß Schmelze an alle Stellen des Werkzeugs gelangt,
also auch insbesondere an alle - von der Schmelzeeingabestelle aus
gesehen - entfernten Ecken.
Die Herstellung und die Unterbrechung der fluidischen Verbindung
zwischen Kavität (2) und Überlaufkavität (8) kann dabei zum einen
durch Ventilmittel (10) erfolgen. Zum anderen kann vorgesehen werden,
daß die Verbindung durch gezielte Steuerung oder Regelung der
Druckverhältnisse in der Kavität (2) und/oder in der Überlaufkavität (8)
bewerkstelligt wird. In diesem Fall sind also keine separaten
Ventilelemente (Ventile, Schieber) notwendig, sondern der Fluß von
Schmelze von der Haupt- in die Nebenkavität wird alleine durch die
Erzeugung entsprechender Druckverhältnisse erreicht.
In vorteilhafter Weise ist nach einer Weiterbildung der Erfindung
vorgesehen, daß während des Eingebens von Druckfluid gemäß obigem
Schritt d) Schmelze über den Angußbereich (12) in die Kunststoffplasti
fiziereinheit (4, 5) zurückgedrängt wird.
Um sicherzustellen, daß die fluidische Verbindung immer dann, wenn sie
zwecks Austreiben von Schmelze von der Haupt- in die Nebenkavität
benötigt wird, funktioniert, ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung
vorgesehen, daß zur Aufrechterhaltung der Verbindung zwischen Kavität
(2) und Überlaufkavität (8) der Verbindungsbereich zwischen Kavität (2)
und Überlaufkavität (8) beheizt wird.
Die Eingabe des Druckgases in die Schmelze kann entweder direkt in das
Innere des zu fertigenden Formteils (6) erfolgen ("in article"), in den
Bereich der Kunststoffeinspritzdüse (3) oder in den Bereich des Angusses
("in runner").
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist folgende
Elemente auf:
- - ein aus mindestens zwei Hälften bestehendes Formwerkzeug (1) mit einer Kavität (2),
- - eine Kunststoffplastifiziereinheit (4, 5) und eine Kunststoff einspritzdüse (3),
- - mindestens eine Fluideinspritzdüse (7) und
- - mindestens eine Überlaufkavität (8), die mit der Kavität (2) in fluidischer Verbindung steht,
Erfindungsgemäß sind Mittel (10) zum Herstellen und zum Unterbrechen
der fluidischen Verbindung zwischen Kavität (2) und Überlaufkavität (8)
vorgesehen. Diese Mittel können entweder Ventilmittel sein oder Steuer-
oder Regelmittel, mit denen der Druck in der Kavität (2) und/oder in der
Überlaufkavität (8) beeinflußt werden kann.
Schließlich können Heizmittel (11) zum Beheizen des Verbindungs
bereichs zwischen Kavität (2) und Überlaufkavität (8) vorgesehen sein,
mit denen eine fluidische Verbindung zwischen Kavität (2) und
Überlaufkavität (8) aufrechterhalten werden kann.
In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel darge
stellt: Die Figur zeigt schematisch die erfindungsgemäße Spritzgieß
vorrichtung für die Herstellung hohler Kunststoffgegenstände.
Ein mindestens zweiteiliges Formwerkzeug 1 beinhaltet eine Kavität 2,
also einen Hohlraum, der die äußere Oberfläche eines herzustellenden
Formteils 6 definiert. An das Werkzeug ist eine Kunststoffplastifi
ziereinheit 4, 5 angeschlossen, die aus einem Schneckenzylinder 4 und
aus einer darin rotatorisch und axial bewegbaren Schnecke 5 besteht. Die
Verbindung zwischen Formwerkzeug 1 und Kunststoffplastifiziereinheit
4, 5 wird durch eine Kunststoffeinspritzdüse 3 hergestellt.
In die Kavität 2 hineinverfahrbar sind zwei Fluideinspritzdüsen 7
angeordnet, die in der hineingefahrenen Position dargestellt sind. Mit
diesen kann Druckfluid, im vorliegenden Fall unter Druck stehender
Stickstoff aus einer nicht dargestellten Quelle bzw. Versorgungseinheit,
in die Kavität eingegeben werden. Das Druckgas verteilt die Schmelze in
der Kavität 2 und drückt sie an die Wandungen der Kavität 2. Die
Fluideinspritzdüsen 7 können an einer beliebigen Stelle des Werkzeugs
angebracht werden; eine solche Düse 7 kann z. B. auch konzentrisch mit
der Kunststoffeinspritzdüse 3 angeordnet sein, wodurch Schmelze und
Fluid durch dieselbe Werkzeugöffnung eingegeben werden. Anstelle der
direkt in die Kavität ragenden Fluideinspritzdüsen können also alternativ
oder additiv auch andere bekannte Begasungselemente vorgesehen sein,
z. B. Fluiddüsen, die in die Kunststoffeinspritzdüse 3 oder in den Anguß
integriert sind. Sinnvoll kann es auch sein, nur eine Fluideinspritzdüse 7
zu verwenden.
Mit der Kavität 2 verbunden sind im vorliegenden Falle zwei
Überlaufkavitäten 8. Diese können Kunststoffschmelze aufnehmen; sie
stehen daher in fluidischer Verbindung mit der Kavität 2. Der
Verbindungskanal 9 zwischen Kavität 2 und Überlaufkavität 8 ist mit
Heizmitteln 11 ausgestattet. Damit wird verhindert, daß Schmelze in
diesem Verbindungskanal zu stark abkühlt, also "einfriert", und den
Verbindungskanal zusetzt. Die Heizmittel 11 sorgen also für eine stete
fluidische Kopplung von Haupt- und Nebenkavität, sofern dies
verfahrensgemäß gewünscht wird. Der Verbindungskanal 9 kann auch
nur sehr kurz ausgebildet sein, so daß er eigentlich wegfällt; Kavität 2
und Überlaufkavität 8 stehen dann in unmittelbarer Verbindung. Im
Verbindungskanal 9 ist jeweils ein Ventil 10 angeordnet, mit dem
zeitweise der Kanal 9 geöffnet oder verschlossen, also für Schmelzefluß
von der Kavität 2 in die Überlaufkavität 8 freigegeben oder gesperrt
werden kann.
Zum Herstellen eines Formteils 6 wird wie folgt vorgegangen:
Zunächst wird mittels der Ventile 10 der Verbindungskanal 9 zwischen Kavität 2 und Überlaufkavität 8 freigegeben, so daß Schmelze von der Haupt- in die Nebenkavität überströmen kann. Damit ist eine fluidische Verbindung zwischen der Kavität 2 und der Überlaufkavität 8 hergestellt.
Zunächst wird mittels der Ventile 10 der Verbindungskanal 9 zwischen Kavität 2 und Überlaufkavität 8 freigegeben, so daß Schmelze von der Haupt- in die Nebenkavität überströmen kann. Damit ist eine fluidische Verbindung zwischen der Kavität 2 und der Überlaufkavität 8 hergestellt.
Dann wird über die Kunststoffeinspritzdüse 3 Kunststoffschmelze in die
Kavität 2 eingespritzt, die ausreicht, um das gewünschte Formteil 6
herzustellen. Da der Verbindungskanal 9 freigegeben ist, gelangt
Schmelze von der Kavität 2 in die Überlaufkavität 8. Die
Überlaufkavitäten sind jedoch dabei derart plaziert, daß auch in die - von
der Kunststoffeinspritzdüse 3 her gesehenen - entfernteste Stelle der
Kavität Schmelze gelangt, wodurch auch alle "Ecken" der Kavität 2 mit
Schmelze gefüllt werden.
Ist ausreichend Schmelze in die Kavität eingespritzt worden, wird
anschließend durch Betätigung der Ventile 10 der Verbindungskanal 9
zwischen Haupt- und Nebenkavität unterbrochen, so daß keine weitere
Schmelze überfließen kann.
Dann erst wird Druckfluid mittels der Fluideinspritzdüsen 7 ins Innere
der sich in der Kavität 2 befindlichen Schmelze eingegeben. In der Figur
ist dieser Prozeßzustand dargestellt. Durch die Eingabe von Druckfluid
bilden sich im Inneren der Schmelze Hohlräume. Diese sind zum einen
deshalb vorteilhaft, weil das Formteil 6 Gewichtsersparnisse - verglichen
mit einem Massivteil - aufweist. Ferner wird verhindert daß sich auf der
Oberfläche des Formteils 6 Einfallstellen bilden, die von der Volumen
kontraktion der Schmelze während des Abkühlens herrühren.
Sind größere Hohlräume im Inneren des Formteils 6 gewünscht, als es
der abkühlungsbedingten Volumenkontraktion entspricht, kann in
vorteilhafter Weise vorgesehen werden, daß Schmelze durch den
Angußbereich 12 zurück in die Kunststoffplastifiziereinheit 4, 5 gedrückt
wird. Die Schnecke 5 kann dabei um denjenigen Betrag - kraft
vorgespannt - zurückgezogen werden der dem rückzuführenden Schmel
zevolumen entspricht. Zwischen Kavität 2 und Angußbereich 12 bzw.
Schneckenvorraum sind dabei - im Gegensatz zu den Verbindungen
zwischen Kavität 2 und Überlaufkavitäten 8 - keine Ventilmittel 10
vorgesehen.
Während beim Stand der Technik meist durch Gaseingabe Schmelze in
die Überlaufkavität ausgetrieben wird (was in nachteilhafter Weise das
Abfallvolumen in den Überlaufkavitäten erhöht), erlaubt es das
erfindungsgemäße Verfahren, dieses Schmelzevolumen - zumindest
teilweise - direkt in die Plastifiziereinheit zurückzubringen, weshalb
dieser Abfall erst gar nicht erzeugt wird; dieses Volumen wird vielmehr
gleich beim nächsten Schuß für das folgende Formteil verarbeitet.
Wenn die das Formteil 6 formende Schmelze genügend abgekühlt ist,
kann das Formwerkzeug 1 entformt werden, das Formteil 6 wird also
entnommen. Vor der Öffnung der beiden Werkzeughälften muß jedoch
zunächst der Fluiddruck im Formteil abgebaut werden. Hierzu wird z. B.
mittels geeigneter Ventile - nicht dargestellt - der Gasfließweg freige
geben.
Die Überlaufkavität 8 muß vor dem nächsten Spritzgießzyklus ebenfalls
entformt werden. Ihr erstarrter Inhalt kann zum Recycling weitergeleitet
werden.
Bezugszeichenliste
1 Formwerkzeug
2 Kavität des Formwerkzeugs
3 Kunststoffeinspritzdüse
4 Schneckenzylinder
5 Schnecke
4, 5 Kunststoffplastifiziereinheit
6 Formteil
7 Fluideinspritzdüsen
8 Überlaufkavitäten
9 Verbindungskanäle
10 Ventilmittel
11 Heizmittel
12 Angußbereich
2 Kavität des Formwerkzeugs
3 Kunststoffeinspritzdüse
4 Schneckenzylinder
5 Schnecke
4, 5 Kunststoffplastifiziereinheit
6 Formteil
7 Fluideinspritzdüsen
8 Überlaufkavitäten
9 Verbindungskanäle
10 Ventilmittel
11 Heizmittel
12 Angußbereich
Claims (12)
1. Verfahren zum Herstellen von Kunststoffgegenständen mit Hohl
stellen, das die Schritte aufweist:
- a) Herstellen einer fluidischen Verbindung (9) zwischen der Kavität (2) eines Formwerkzeugs (1) und einer Überlaufkavität (8);
- b) Einspritzen einer ausreichenden Menge Kunststoffschmelze in die Kavität (2) des Formwerkzeugs (1) entlang eines Schmelzefließwegs, der sich von einer Kunststoffplastifiziereinheit (4, 5) durch eine Kunststoffeinspritzdüse (3) bis ins Formwerkzeug (1) erstreckt, wobei Kunststoffschmelze von der Kavität (2) in die Überlaufkavität (8) gelangt;
- c) Unterbrechen der fluidischen Verbindung (9) zwischen der Kavität (2) und der Überlaufkavität (8);
- d) Eingeben eines Druckfluids, insbesondere Druckgases, in die Schmelze in der Kavität (2) mittels mindestens einer Fluideinspritzdüse (7), so daß die sich in der Kavität (2) befindliche Schmelze unter Hohlraumbildung in der Kavität (2) verteilt und an die Kavitätswandungen des Formwerkzeugs (1) angepreßt wird;
- e) Abkühlenlassen des so hergestellten Formteils (6) auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts der Kunststoffschmelze;
- f) Entlastung der Kavität (2) vom Druck des Druckfluids; und
- g) Entformen des Formteils.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die
Herstellung und Unterbrechung der fluidischen Verbindung zwischen
Kavität (2) und Überlaufkavität (8) Ventilmittel (10) betätigt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Herstellung und Unterbrechung der fluidischen Verbindung zwischen
Kavität (2) und Überlaufkavität (8) durch gezielte Steuerung oder
Regelung der Druckverhältnisse in der Kavität (2) und/oder in der
Überlaufkavität (8) bewerkstelligt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß während des Eingebens von Druckfluid gemäß Schritt d) von
Anspruch 1 Schmelze von der Kavität (2) über den Angußbereich (12) in
die Kunststoffplastifiziereinheit (4, 5) zurückgedrängt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Aufrechterhaltung der Verbindung zwischen Kavität (2) und
Überlaufkavität (8) der Verbindungsbereich zwischen Kavität (2) und
Überlaufkavität (8) beheizt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Eingabe des Druckfluids, insbesondere des Druckgases, direkt in
das Innere des zu fertigenden Formteils (6) erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Eingabe des Druckfluids, insbesondere des Druckgases, im
Bereich der Kunststoffeinspritzdüse (3) oder im Bereich des Angusses
erfolgt.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der
Ansprüche 1 bis 7, die aufweist:
- - ein aus mindestens zwei Hälften bestehendes Formwerkzeug (1) mit einer Kavität (2),
- - eine Kunststoffplastifiziereinheit (4, 5) und eine Kunststoff einspritzdüse (3),
- - mindestens eine Fluideinspritzdüse (7) und
- - mindestens eine Überlaufkavität (8), die mit der Kavität (2) in fluidischer Verbindung steht, gekennzeichnet durch
Mittel (10) zum Herstellen und zum Unterbrechen der fluidischen
Verbindung zwischen Kavität (2) und Überlaufkavität (8).
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel
(10) Ventilmittel sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die
Mittel Steuer- oder Regelmittel sind, mit denen der Druck in der Kavität
(2) und/oder in der Überlaufkavität (8) beeinflußt werden kann.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10 gekennzeichnet
durch Heizmittel (11) zum Beheizen des Verbindungsbereichs zwischen
Kavität (2) und Überlaufkavität (8), mit denen eine fluidische
Verbindung zwischen Kavität (2) und Überlaufkavität (8) aufrecht
erhalten werden kann.
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