DE202015105593U1

DE202015105593U1 - Verstärkte formbare Nietanordnung für ein Fahrzeug

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Publication number: DE202015105593U1
Application number: DE202015105593.5U
Authority: DE
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2014-10-22
Filing date: 2015-10-21
Publication date: 2015-11-03
Anticipated expiration: 2025-10-22
Also published as: MX367559B; US9815499B2; MX2015014753A; CN105538693B; RU2697342C2; RU2015143250A3; RU2015143250A; CN105538693A; US20160114836A1

Abstract

Anordnung aus Fahrzeugkomponenten, die Folgendes umfasst: erste und zweite Komponenten, aneinander anliegend, erste und/oder zweite Komponente ein nichtmetallisches Material beinhaltend, die erste und zweite Komponente jeweils überdeckende erste und zweite Öffnungen beinhaltend; und eine Verbindungskomponente, die durch die erste und die zweite Öffnung verläuft, wobei die Verbindungskomponente einen Stützkörper und einen äußeren Körper, der den Stützkörper zumindest teilweise umgibt, aufweist, der äußere Körper ein Polymermaterial umfasst, die Verbindungskomponente die erste und die zweite Komponente zwischen einem ersten und einem zweiten Flansch des äußeren Körpers festklemmt und der Stützkörper in die erste und/oder zweite Öffnung hinein verläuft.

Description

HINTERGRUND
Fahrzeuge, wie Automobile, Pickup-Wagen, SUVs (Sports Utility Vehicles), Minivans, Vans und andere Personenfahrzeuge nutzten für ihre Struktur traditionell Stahl. Der Bedarf an effizienteren Fahrzeugen hat jedoch dazu geführt, dass verschiedene Struktur- und Karosseriematerialien in Betracht gezogen werden, insbesondere in Abhängigkeit von bestimmten Fahrzeugentwurfspezifikationen. Zum Beispiel können Fahrzeuge, um die Kraftstoffeffizienzziele oder -anforderungen, z. B. die Corporate Average Fuel Economy-Vorschriften (CAFE-Vorschriften) zu erfüllen, nichtmetallische, Kunststoff, Verbundwerkstoff- und/oder verstärkte Materialien wie z. B. faserverstärkte Kunststoffe anstelle und/oder zusätzlich zu traditionellen metallischen Komponenten enthalten, um Gewicht zu verringern und gleichzeitig ausreichende Festigkeits- und Steifigkeitsleistung beizubehalten. Die Integrität und Robustheit der Befestigungen derartiger Komponenten und Materialien beeinflusst verschiedentlich die Fahrzeugleistung, darunter die Fahrzeugstabilität und die Eigenschaften bezüglich Geräuschen, Vibrationen und Rauigkeit (NVH – noise, vibration and harshness) des Fahrzeugs. Jedoch können traditionelle Fertigungsverfahren für alternative Materialanforderungen ungeeignet sein. Zum Beispiel können verstärkte Verbundwerkstoffmaterialien nicht geschweißt werden und sie können bewirken, dass metallische Verbindungselemente korrodieren. Andere Verbindungstechniken passen nicht in Taktzeiten der Großserie. In einem anderen Beispiel kann, falls die Fahrzeugmaterialien und die Verbindungselemente stark unterschiedliche Wärmeausdehnungseigenschaften aufweisen, die Verbindungsintegrität infolge von Temperaturwechselbeanspruchung beeinträchtigt sein. Somit ist es gegenwärtig schwierig, eine Befestigung für nichtmetallische, Kunststoff, Verbundwerkstoff- und/oder verstärkte Materialien wie z. B. faserverstärkten Kunststoff bereitzustellen, die ausreichend robust ist, um in Personenfahrzeugen der Großserie angewendet zu werden.
ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Anordnung von Fahrzeugkomponenten gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung.
2 ist eine Querschnittsansicht beispielhafter Fahrzeugstrukturelemente, die mit jeweils durch diese führenden einander überdeckenden Öffnungen positioniert sind.
Die 3A–3C sind Querschnittsansichten beispielhafter Verbindungskomponenten für eine Anordnung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung, wobei die Verbindungskomponenten einen verstärkten äußeren formbaren Körper, der einen Stützkörper umgibt, umfassen.
4 ist eine Querschnittsansicht eines weiteren beispielhaften Stützkörpers für eine beispielhafte Befestigungskomponente für eine Anordnung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung.
Die 5A–5C sind Querschnittsansichten eines Systems zum Formen einer Anordnung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung.
6 stellt einen beispielhaften Prozess zum Formen einer Anordnung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung dar.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1 ist eine beispielhafte Querschnittsansicht einer beispielhaften Anordnung 10 von Fahrzeugkomponenten gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung. Die beispielhafte Anordnung 10 umfasst erste und zweite Strukturkomponenten 12 und 14. In einem Beispiel sind erste und zweite Komponenten 12 und 14 Karosseriekomponenten für ein Fahrzeug wie zum Beispiel einen Personenkraftwagen, ein SUV (Sports Utility Vehicle), einen Minivan etc. In dieser beispielhaften Umsetzung liegen die erste und die zweite Komponente 12 und 14 aneinander an. Es versteht sich, dass die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung auf verschiedene Fahrzeuganordnungen anwendbar sein können, einschließlich einer Anordnung mit mehr als zwei Komponenten.
Gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung ist die erste und/oder die zweite Komponente 12 und 14 aus nichtmetallischen, Kunststoff, Verbundwerkstoff- und/oder verstärkten Materialien wie z. B. faserverstärktem Kunststoff gebildet und/oder umfasst diese. In einem Beispiel kann die erste oder die zweite Komponente 12 und 14 aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffmaterial gebildet sein und die andere kann ebenfalls aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffmaterial, einem anderen nichtmetallischen, Kunststoff, Verbundwerkstoff- und/oder verstärkten Material oder einem metallischen Material gebildet sein. Die erste und zweite Komponente 12 und 14 können im Wesentlichen identische Materialzusammensetzungen aufweisen.
Nunmehr Bezug nehmend auf 2 umfassen die erste und zweite Komponente 12 und 14 eine erste bzw. zweite Öffnung 16 und 18. Die erste und die zweite Komponente 12 und 14 sind so positioniert, dass die erste und zweite Öffnung 16 und 18 einander überdecken. Wie in der beispielhaften Darstellung von 2 gezeigt, können in einigen Umsetzungen die erste und zweite Komponente 12 und 14 so positioniert sein, dass sie die erste und zweite Öffnung 16 und 18 zentrieren, d. h. konzentrisch ausrichten.
Die Anordnung 10 umfasst des Weiteren eine Befestigungs- oder Verbindungskomponente 20, die durch die erste und zweite Öffnung 16 und 18 der ersten und zweiten Komponente 12 und 14 verläuft. Die Verbindungskomponente 20 umfasst einen formbaren äußeren Körper 22, der zumindest teilweise einen relativ starren Stützschaft oder -körper 24 umgibt. Es versteht sich, dass die vorliegende Beschreibung des äußeren Körpers als den Stützkörper „zumindest teilweise umgebend“ in einigen Umsetzungen umfasst, dass ein Teil oder Teile eines Stützkörpers oder -schafts, oder ein Merkmal desselben, durch den äußeren Körper bis zur Außenfläche der Verbindungskomponente ragen kann bzw. können, der äußere Körper jedoch ausreichend um den Stützkörper herum verläuft, um den Stützkörper relativ zum äußeren Körper fixiert zu halten. Des Weiteren bezieht sich die Benennung „formbar“, so wie sie hier verwendet wird, sowohl auf Materialien, die unter bestimmten Bedingungen wiederholt umgeformt und geschmolzen werden können, z. B. thermoplastische Polymermaterialien, als auch auf Materialien, z. B. wärmehärtende Polymermaterialien, die infolge angewendeter Umformungsbedingungen, d. h. Wärme, Druck etc. im Wesentlichen unumkehrbar aushärten oder sich anders chemisch verändern. Entsprechend kann der äußere Körper 22 ein thermoplastisches Material, z. B. Nylon, oder ein wärmehärtendes Material, z. B. Epoxy oder Polyester, umfassen. Zusätzlich zu einem solchen formbaren Material kann der äußere Körper 22 ein Verstärkungsmaterial 32 umfassen.
Bezug nehmend auf die 3A–C sind die zusätzlichen Verbindungskomponenten 20’ und 20’’ sowie die Verbindungskomponente 20 alle in einem beispielhaften vorgeformten Zustand, d. h. in einer im Wesentlichen zylindrischen Form, dargestellt. Die zusätzlichen Verbindungskomponenten 20’ und 20’’ weisen jeweils einen äußeren Körper 22’ bzw. 22’’ auf, der jeweils ein unterschiedliches Verstärkungsmaterial 32’ bzw. 32’’ aufweist. Zum Beispiel kann das Verstärkungsmaterial 32, 32’ und 32’’ ein oder mehrere verschiedener Faser- und/oder Partikelmaterialien, z. B. Kohlenstoff, Glas, Aramid- und andere natürliche Fasern; Talkum- und Metallplättchen; und Glasperlen, umfassen. Es versteht sich, dass, abgesehen von der Variation des Verstärkungsmaterials, die vorliegende Beschreibung der Verbindungskomponente 20 ebenso für die Verbindungskomponenten 20’ und 20’’ gilt.
Wie in den 1 und 3A–C dargestellt, sind Stützkörper 24, 24’ und 24’’ jeweils zumindest teilweise von den formbaren äußeren Körpern 22, 22’ und 22’’ umgeben und jeder kann eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweisen. Bezug nehmend auf 4 umfasst ein weiterer Stützkörper 24’’’ gerippte Verriegelungselemente 34’’’, die von der radial äußeren Fläche desselben hervorstehen. Die Verriegelungselemente 34’’’ helfen, den Stützkörper 24’’’ mechanisch relativ zum formbaren äußeren Körper der jeweiligen Verbindungskomponente in einer Fahrzeugkomponentenanordnung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung zu fixieren. Zum Beispiel würden die Verriegelungselemente 34’’’ zusätzlichen Widerstand gegenüber einer Längsbewegung des Stützkörpers 24’’’ relativ zu einem zumindest teilweise umgebenden äußeren Körper bereitstellen. Es versteht sich, dass ein Stützkörper oder -schaft gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung viele Geometrien umfassen kann, darunter hervorstehende Verriegelungselemente in verschiedenen Ausgestaltungen wie zum Beispiel voneinander beabstandete Knöpfe oder ein Gewinde. Derartige Merkmale können den Querschnittsbereich des Stützkörpers oder -schafts erheblich beeinflussen. Außerdem versteht es sich, dass, abgesehen vom Einschluss von Verriegelungselementen in den Stützkörper 24’’’, die vorliegende Beschreibung der Stützkörper 24, 24’, 24’’ und 24’’’ gleichermaßen auf diese anwendbar ist.
Das System und ein Prozess 100 zum Bilden der Anordnung 10 mit der ersten und zweiten Komponente 12 und 14 und der Verbindungskomponente 20 ist in den 5A–C und 6 dargestellt. Insbesondere Bezug nehmend auf 5A und einen Block 102 von 6 sichert eine Formanordnung 50 die erste und zweite Komponente 12 und 14, wobei die erste und zweite Öffnung 16 und 18 einander überdecken, an einer Basiskomponente 52 und einer Nasenkomponente 54. Die Basiskomponente 52 weist eine Formvertiefung 56 auf und die Nasenkomponente 54 weist eine Durchgangsöffnung 58, die die Formvertiefung 56 überdeckt, auf. Die erste und zweite Komponente 12 und 14 sind in der Formanordnung 50 positioniert, wobei die erste und zweite Öffnung 16 und 18 die Formvertiefung 56 und die Durchgangsöffnung 58 überdecken. Wie in den 5A–C dargestellt, können die erste und zweite Öffnung 16 und 18 relativ zur Formvertiefung 56 und der Durchgangsöffnung 58 zentriert, d. h. konzentrisch ausgerichtet, sein.
Insbesondere Bezug nehmend auf 5B und einen Block 104 von 6, wobei die erste und zweite Komponente 12 und 14 in der Formanordnung 50 gesichert sind, kann die Verbindungskomponente 20 durch die Durchgangsöffnung 58 der Nasenkomponente 54 und die erste und zweite Öffnung 16 und 18 und bis zur Verbindung mit der Formvertiefung 56 verlängert sein. In der beispielhaften dargestellten Umsetzung ist die Verbindungskomponente 20 in einer im Wesentlichen zylindrischen, vorgeformten Ausgestaltung durch die erste und zweite Komponente 12 und 14 positioniert.
Insbesondere auf 5C und einen Block 106 von 6 Bezug nehmend, mit der Verbindungskomponente 20 zwischen der ersten und zweiten Fahrzeugkomponente 12 und 14 positioniert, verläuft ein Stanzelement 60 der Formanordnung 50 in die Durchgangsöffnung 58 der Nasenkomponente 54 und greift wie in 5C dargestellt in die Verbindungskomponente 20 ein. Das Stanzelement 60 formt den formbaren äußeren Körper 22 der Verbindungskomponente 20 in die Formvertiefung 56, die erste und zweite Öffnung 16 und 18 und den Bereich der Durchgangsöffnung 58 zwischen der Stanze 60 und der ersten Fahrzeugkomponente 12 hinein um.
Wie in den 5A–C dargestellt, kann eine Temperatursteuereinrichtung 62 thermisch mit der Formanordnung 50 gekoppelt sein, um Beheizung oder Kühlung bereitzustellen, um den Aushärt- und/oder den Umformprozess des formbaren äußeren Körpers 22 zu unterstützen. Bezug nehmend auf einen Block 108 von 6 kann es zum Beispiel ein Teil des Prozesses 100 sein, zu bestimmen, ob eine derartige Temperatursteuerung erforderlich oder gewünscht ist. Falls nicht, wird, Bezug nehmend auf einen Block 110 von 6, der äußere Körper 22 der Verbindungskomponente 20 durch hauptsächlich vom Stanzelement 60 ausgeübte Kraft umgeformt, z. B. wenn das formbare Material des äußeren Körpers 22 ein thermoplastisches Material ist.
Es wird nachfolgend erneut Bezug auf den Block 108 von 6 genommen, nunmehr für den Fall, dass eine Temperatursteuerung der Formanordnung 50 erforderlich oder gewünscht ist, z.B. wenn das formbare Material des äußeren Körpers 22 in der Form eines wärmehärtenden Materials vorliegt und Wärme erforderlich ist, um den äußeren Körper 22 auszuhärten, oder Wärme dessen Umformung unterstützt. Die Temperatursteuereinrichtung 62 kann beispielsweise einen Heizer in thermodynamischer Verbindung mit der Formanordnung 50 umfassen, um je nach Bedarf der jeweiligen Materialien und Betriebsbedingungen zu arbeiten. Um die Herstellung zu vereinfachen, z. B. durch Beschleunigen des Prozesses 100, kann in einem anderen Beispiel die Temperatursteuereinrichtung 62 auch einen Kühler in thermodynamischer Verbindung mit der Formanordnung 50 aufweisen, um das Aushärten oder Härten des formbaren äußeren Körpers 22 in der umgeformten Form zu beschleunigen. Entsprechend wird, Bezug nehmend auf einen Block 112 von 6, die Temperatursteuereinrichtung 62 wie gewünscht oder erforderlich betätigt und der Prozess 100 setzt bei Block 110 fort, worin eine Umformung durch Kraft und/oder Temperatursteuerung stattfindet.
Wenn die Verbindungskomponente 20 vom Stanzelement 60 gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung umgeformt wurde, umfasst sie erste und zweite Flansche 72 und 74 des äußeren Körpers 22, die die erste und zweite Komponente 12 und 14 zusammenklemmen. In dieser beispielhaften dargestellten Umsetzung greift der erste Flansch 72 direkt in eine Außenfläche 82 der ersten Komponente 12 ein und der zweite Flansch 74 greift direkt in eine Außenfläche 84 der zweiten Komponente 14 ein. In einigen Umsetzungen, wobei z. B. das formbare Material des äußeren Körpers 22 ein wärmehärtendes Material ist, kann der erste und/oder der zweite Flansch 72 und 74 jeweils an der ersten und/oder zweiten Fahrzeugkomponente 12 und 14 verkleben. In einer derartigen Umsetzung kann der erste Flansch 72 eine Verbindung 86 mit der Außenfläche 82 der ersten Komponente 12 aufweisen und der zweite Flansch 74 kann eine Verbindung 88 mit der Außenfläche 84 der zweiten Komponente 14 aufweisen.
Bei der Umformung des formbaren äußeren Körpers 22 ist der Stützkörper 24 so positioniert, dass er in die erste und die zweite Öffnung 16 und 18 hinein verläuft. In anderen Umsetzungen verläuft der Stützkörper oder -schaft 24 möglicherweise nur in die erste oder zweite Öffnung 16 und 18 hinein.
Wie in den beispielhaften Darstellungen gezeigt, können die erste und zweite Öffnung 16 und 18 im Wesentlichen relativ zueinander zentriert sein und die umgeformte Verbindungskomponente 20 und deren Stützkörper 24 können im Wesentlichen relativ zu der ersten und zweiten Öffnung 16 und 18 zentriert sein. In anderen Umsetzungen können die umgeformte Verbindungskomponente 20 und deren Stützkörper 24 im Wesentlichen relativ zu der ersten und/oder zweiten Öffnung 16 und 18 zentriert sein.
In den Zeichnungen kennzeichnen die gleichen Referenznummern die gleichen Elemente. Des Weiteren können einige dieser oder alle diese Elemente geändert werden. Entsprechend versteht es sich, dass die oben gegebene Beschreibung veranschaulichend und nicht einschränkend sein soll. Viele von den gegebenen Beispielen abweichende Ausführungsformen und Anwendungen würden für einen Fachmann beim Lesen der obigen Beschreibung ersichtlich werden. Der Umfang der Erfindung sollte nicht mit Bezug auf die obige Beschreibung bestimmt werden, sondern stattdessen mit Bezug auf die beiliegenden Ansprüche zusammen mit dem vollständigen Umfang von sich aus diesen Ansprüchen ergebenden Äquivalenten bestimmt werden. Es versteht sich, dass die Benennung beispielhaft, so wie sie hier verwendet wird, sich auf als Darstellung oder Muster dienend, veranschaulichend oder typisch bezieht. Es ist zu erwarten und beabsichtigt, dass bei den hier besprochenen Fachgebieten zukünftige Entwicklungen stattfinden werden, und dass die offenbarten Systeme und Verfahren in solchen zukünftigen Ausführungsformen integriert werden. Zusammengenommen sollte verstanden werden, dass die Erfindung tauglich für Modifizierungen und Variationen ist und nur durch die folgenden Ansprüche beschränkt wird.
Alle in den Ansprüchen verwendeten Begriffe sollen in ihrer breitesten vernünftigen Auslegung und in ihren üblichen Bedeutungen wie von Fachleuten verstanden werden, sofern hier nicht explizit eine gegenteilige Angabe gemacht wird. Insbesondere ist die Verwendung von Artikeln im Singular, wie beispielsweise „ein/e/er“, „der, die, das“, „jene/r/s“ usw., so zu verstehen, dass eines oder mehrere der aufgezeigten Elemente gemeint sein könnten, sofern nicht in einem Anspruch eine explizite gegenteilige Einschränkung angeführt wird.

Claims

Anordnung aus Fahrzeugkomponenten, die Folgendes umfasst: erste und zweite Komponenten, aneinander anliegend, erste und/oder zweite Komponente ein nichtmetallisches Material beinhaltend, die erste und zweite Komponente jeweils überdeckende erste und zweite Öffnungen beinhaltend; und eine Verbindungskomponente, die durch die erste und die zweite Öffnung verläuft, wobei die Verbindungskomponente einen Stützkörper und einen äußeren Körper, der den Stützkörper zumindest teilweise umgibt, aufweist, der äußere Körper ein Polymermaterial umfasst, die Verbindungskomponente die erste und die zweite Komponente zwischen einem ersten und einem zweiten Flansch des äußeren Körpers festklemmt und der Stützkörper in die erste und/oder zweite Öffnung hinein verläuft.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei das nichtmetallische Material der ersten und/oder der zweiten Komponente ein Verbundwerkstoffmaterial ist.
Anordnung nach Anspruch 2, wobei das Verbundwerkstoffmaterial ein faserverstärktes Polymermaterial ist.
Anordnung nach Anspruch 3, wobei das faserverstärkte Kunststoffmaterial Kohlenstofffasermaterial umfasst.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und die zweite Komponente eine im Wesentlichen identische Materialzusammensetzung aufweisen.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stützkörper eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweist.
Anordnung nach Anspruch 6, wobei der Stützkörper ein Verriegelungselement, das von einer Außenfläche des Stützkörpers in den äußeren Körper vorsteht, umfasst.
Anordnung nach Anspruch 7, wobei das Verriegelungselement als Rippe oder Gewinde ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verbindungskomponente im Wesentlichen relativ zu der ersten und/oder der zweiten Öffnung zentriert ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verbindungskomponente im Wesentlichen relativ zu mindestens der ersten und/oder der zweiten Öffnung, in die der Stützkörper hineinverläuft, zentriert ist.
Anordnung nach Anspruch 10, wobei der Stützkörper im Wesentlichen relativ zu mindestens der ersten und/oder der zweiten Öffnung, in die der Stützkörper hineinverläuft, zentriert ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Flansch direkt in Eingriff mit der ersten Komponente steht.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Flansch direkt in Eingriff mit der zweiten Komponente steht.
Anordnung nach Anspruch 10, wobei der direkte Eingriff des ersten Flanschs und der ersten Komponente eine Klebeverbindung umfasst.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der äußere Körper ein thermoplastisches Material oder ein wärmehärtbares Material umfasst.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der äußere Körper ein Verstärkungsmaterial umfasst.
Anordnung nach Anspruch 16, wobei das Verstärkungsmaterial Kohlenstoff- und/oder Glas- und/oder Aramidfasern umfasst.
Anordnung nach einem der Ansprüche 16 oder 17, wobei das Verstärkungsmaterial Talkum- und/oder Metall- und/oder Glaspartikel umfasst.
Verbindung aus Fahrzeugstrukturkomponenten, die Folgendes umfasst: erste und zweite Komponenten, einander direkt überdeckend, wobei erste und/oder zweite Komponente ein verstärktes Verbundwerkstoffmaterial umfasst und die erste und zweite Komponente eine erste bzw. zweite Öffnung, die im Wesentlichen miteinander fluchten, umfasst; und eine Verbindungskomponente, durch die erste und zweite Öffnung verlaufend, die Verbindungskomponente einen Stützschaft und einen zumindest teilweise den Stützschaft umgebenden formbaren Körper aufweisend, der formbare Körper ein Verstärkungsmaterial und ein thermoplastisches oder ein wärmehärtbares Material umfassend, die Verbindungskomponente die erste und zweite Komponente direkt mit erstem bzw. einem zweiten Flansch des formbaren Körpers festklemmend und der Stützschaft in die erste und die zweite Öffnung hinein verlaufend.
Anordnung nach Anspruch 19, das Verstärkungsmaterial des formbaren Körpers umfasst Kohlenstofffasern und/oder Glasfasern und/oder Aramidfasern und/oder Talkumplättchen und/oder Metallplättchen und/oder Glasperlen.