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"Verfahren zum Verpacken von Füllgut in dünnwandigen Behältern"
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verpacken von Füllgut in
dünnwandigen Behältern, insbesondere aus Metall, bei dem nach dem hermetischen Verschließen
des Behälters in einer Behandlungsphase des Füllgutes eine ruckdifferenz zwischen
Innendruck und Außendruck entsteht, insbesondere ein Unterdruck beim Abkühlen des
heiß in den Behälter eingefüllten Füllgutes.
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Bei der Herstellung von Metallbehältern zum Verpacken von verschiedenen
Lebensmitteln und anderen Produkten ist es wünschenswert, daß vom Standpunkt sowohl
der ökonomie als auch der Bequemlichkeit Metallbleche so dünn und so leicht wie
möglich verwendet werden. Zur Zeit werden Behälter aus Metallblechen mit einer Dicke
von 254 Mikron bis 381 Mikron üblicherweise zum Verpacken von festen Lebensmitteln,
ölen und kohlensäurefreien Getränken verwendet. Die größte Schwierigkeit,
die
der ausgedehnten Verwendung von dünneren und leichteren Platten, z. B. Platten mit
einer Dicke von etwa 100 Mikron bis 200 Mikron oder weniger, entgegensteht liegt
darin, daß die für gewöhnlich nicht durch Sicken oder Rippen versteiften glattflächigen
zylindrischen Behälter aus diesen Blechen keine ausreichende Wandfestigkeit und
Wandstärke aufweisen, um dem erheblichen Vakuum erfolgreich zu widerstehen, das
sich in dem Behälter nach dem Einfüllen des Produktes und dem hermetischen Verschließen
des Behälters ausbilden kann. So werden beispielsweise Lebensmittelprodukte, wie
kohlensäurefreie Getränke, in Metallbehälters. eingefüllt, während das Produkt noch
erhitzt ist, um eine bakterielle Konterminierung zu verhindern. Auch werden Motoröle
im heißen Zustand in den Behälter eingefüllt, da das erhitzte öl weniger stark viskos
ist und sich leichter einfüllen läßt. Wenn dann eine dieser heißen Flüssigkeiten
oder Produkte in dem hermetisch abgeschlossenen Behälter abkühlt, vermindert sich
das Volumen des Produktes mit dem Ergebnis, daß sich die Umfangswand des Behälters
nach innen verformt und die glatte Gestalt verliert und stattdessen Eindellungen
oder Bucklungen bildet. Wenn dieser Zustand eintritt, nimmt der Behälter häufig
ein in unerwünschtem Maße verformtes Aussehen an und verformt sich manchmal in einem
solchen Ausmaß, daß beim Stapeln der Behälter kein weiterer Behälter auf dem betreffenden
Behälter oder der Dose gestapelt werden kann.
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Um den Behälterrumpf gegen solche Verformungen zu versteifen und zu
verfestigen und die originale Gestalt zu erhalten und doch die Verwendung von dickerem
Blechmaterial zu vermeiden, sind eine Reihe von Verfahren vorgeschlagen worden.
Diese Verfahren sind jedoch nicht ohne Nachteile. Beispielsweise ist es übliche
Praxis bei der Herstellung von Behältern, die verwendet werden zum Verpacken von
heißen Lebensmittelprodukten, den Behälter rumpf mit einer oder mehreren in Umfangsrichtung
verlaufenden Sicken oder Wülsten zu versehen. Die Verwendung solcher Sicken liefert
die notwendige Versteifung des Behälters, wenn dieser aus leichtgewichtigen Metallblechen
hergestellt ist, hat jedoch dl schädliche Nebenwirkung, daß die axiale Festigkeit
oder der axiale Widerstand des Behälters gegenüber äußeren Stößen oder äußeren Drücken,
z. B. unter dem Druck hoher Behälterstapel, entscheidend vermindert wird. Da die
Umfangswülste oder Rippen die axiale Festigkeit des Behälterrumpfes vermindern,
ist die Verwendung eines Bleches von 250 Mikron Dicke weiterhin erforderlich, um
dem Verlust an axialer Festigkeit entgegenzuwirken.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, hier Abhilfe zu schaffen und ein Verfahren
anzugeben, bei dem heiß eingefüllte Produkte in einem dünnwandigen hermetisch abgeschlossenen
Behälter mit glatter Oberfläche abgekühlt werden können, ohne daß sich eine schädliche
Verformung der Behälterwände während des Abkühlungsprozesses und unter dem dabei
entstehenden Vakuum ergibt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei Verwendung
von Behältern mit einer Wanddicke von 150 Mikron oder weniger nach Einfüllen des
Füllgutes in den Behälter ein inertes Gas mit einem Absorptionskoeffizienten kleiner
als 0,02 in vorbestimmter Menge in den Behälter eingefüllt und dieser erst danach
hermetisch verschlossen und abgekühlt wird, wobei man die Gasmenge zur Erzeugung
eines erhöhten Innendruckes expandieren läßt und mit dem erhöhten Innendruck den
höheren Außendruck beim Abkühlen kompensiert.
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Aufgrund dieser Ausbildung können Bleche von 150 Mikron Dicke oder
weniger verwendet werden für die Herstellung von Behältern zum Verpacken von heiß
eingefüllten Füllgütern, ohne daß die Gefahr besteht, daß die glatten und unversteiften
Wände des Behälters trotz des dünnen Materials in unerwünschtem Umfange verformt
werden. Die Verformung der Behälterwände läßt sich außerdem wesentlich vermidnern,
wenn auf die beschriebene Weise in dem hermetisch abgedichteten Behälter ein gegenüber
der Atmosphäre höherer Druck von etwa 0,35 bis etwa 1,76 kg/cmt über dem Atmosphärendruck
mit dem inerten Gas erzeugt wird, welches einen niedrigen Absorptionskoeffizienten
bezüglich Flü-sigkeiten aufweist.
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Aufgrund des neuen Verfahrens können Behälter mit einer Wanddicke
von aoo bis 150 Mikron für das Verpacken von heiß eingefüllten
Produkten
verwendet werden, für welche Fälle bisher nur Blechdicken von 250 Mikron und mehr
verwendet werden konnten.
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Die Behälterrümpfe, die im Rahmen des Verfahrens nach der vorliegenden
Erfindung verwendet werden, werden vorzugsweise aus starren gasundurchlässigen Materialien
wie Metallen, z. B.
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Aluminium, hergestellt. Die Behälter, deren Rumpfwände von üblicherweise
erhältlichen thermoplastischen Kunstharzen wie Polyäthylen oder Polypropylen hergestellt
werden, sind allgemein nicht bevorzugt beim Ausführen des Verfahrens nach der Erfindung
und zwar aufgrund der relativ merklichen Gaspermaabilität dieser Materialien im
Vergleich zu Metallen,so daß der ursprünglich in dem abgedichteten Behälter erzeugte
Überdruck während der Stapelzeit durch Entweichen des Druckgases aus dem Behälter
vermindert wird, so daß nacs.trEglich der Behälter im Bereich seiner Wände einfallen
kann.
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Für die Ausführung der Erfindung ist es wesentlich, daß das für die
Unterdrucksetzung des Behälters verwendete Gas ein inertes Gas in bezug auf den
Inhalt des Behälters ist und daß das Gas eine niedrige Absorption in Flüssigkeiten
aufweist. Wenn das Gas nicht inert ist oder einen hohen Absorptionskoeffizienten
in Flüssigkeiten besitzt, wie beispielsweise C 0t, rührt während der Vorratshaltung
die chemische Reaktion des Gases oder die Absorption des Gases durch die flüssigen
Produkte dazu, daß der
gesamte Druck innerhalb des Behälters abfällt
mit dem Ergebnis, daß die Seitenwände des Behälters unter dem Atmosphärendruck einfallen,
um dadurch dem im Inneren des Behälters aufgetretenen inneren Druckabfall entgegenzuwirken.
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Im allgemeinen ist ein Gas mit einem Absorptionskoerrizienten Æ bei
Atmosphärendruck und Raumtemperatur (210 C) von weniger als 0,02 geeignet zur Verwendung
beim Verfahren nach der vorliegenden Erfindung. Stickstoff, welches das bevorzugte
inerte Gas zur Verwendung bei der Erfindung ist, weist rür ; einen Wert von 0,01475
auf.
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Bei Unterdrucksetzung des Behälters kann das Gas in den Behälter in
jeder gewünschten und geeigneten Form eingeführt werden. So kann beispielsweise
das gasförmige Material unter Druck als ein Gas in den Dampfraum des Behälters durch
eine Bohrung in dem Behälterdeckel unter Verwendung einer Druckspritze eingeleitet
werden. Danach wird das Loch mit einem Quimnistopsel verschlossen oder durch einen
Schweißpunkt,um den Behälter hermetisch abzudichten. Gase, die bei niedrigen Temperaturen
verflüssigen oder 1 verfestigen und danach bei Raumtemperatur verdampfen und expandieren,
werden bevorzugt, und zwar weil sie leichter zu handhaben sind. Wenn solche flüssigen
Gasmaterialien verwendet werden, werden Tropfen des flüssigen Gases in den Behälter
auf die frei liegende Oberfläche des eingefüllten Gutes beigemessen und der Behälter
sofort verschlossen, und zwar so rasch und sobald
wie möglich,
nachdem das flüssige Gasmaterial in den Behälter eingeführt worden ist. Flüssiger
Stickstoff hat sich als besondern geeignet unter normalen Bedingungen erwiesen und
ist ein ausgezeichnetes Beispiel für ein flüssiges Gasmaterial, das zum Ausführen
des Verfahrens nach der Erfindung bevorzugt wird.
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Die in der Praxis nach der Erfindung verwendeten Behälter können aus
Metallblech mit einer Dicke im Bereich von 100 Mikron bis 150 Mikron hergestellt
werden. Die Behälterwände sind vorzugsweise mit glatten Oberflächen und frei von
jeder mechanischen Verstärkung wie Wülsten oder Sicken ausgebildet.
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Beim Verpacken erhitzter Produkte in Behälter gemäß der Erfindung
wird das erhitzte Produkt zunächst in den Behälter eingegeben, worauf ein gaserzeugendes
Material> wie flüssiger Stickstoff, in den mit Produkt gefüllten Behälter eingemessen
wird.
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Der Behälter wird dann mit einem Minimum an Verzögerung zum Einfangen
des gaserzeugenden Mediums in den Dampfraum oder Kopfraum des Behälters verschlossen,
so daß nach Möglichkeit jeder nenneswerte Verlust an Gas vermieden wird.
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Die Menge des Gases, die in den Behälter vor dem hermetischen Verschließen
des Behälters eingemessen wird, wird bestimmt durch die Größe des Dampfraumes, der
in dem Behälter nach Abkühlen des erhitzten Produktes auf Raumtemperatur verbleibt
und von dem Innendruck, der nach dem Kühlen erforderlich ist. Beispielsweise
können
0,071 g flüssiger Stickstoff bei Verdampfen bei einer Raumtemperatur von etwa 210
C einen Überdruck über dem Atmosphärendruck von 0,49 kg/cmt in einem kubischen Volumen
von 2,54 cm Kantenlänge erzeugen. Der Dampfraum, der in einem Behälter nach Abkühlen
des erhitzten Produktes verbleibt, kann leicht festgestellt werden. Beispielsweise
liegt der verbleibende Dampfraum in einem 1 361 g - 404 - (4 4/16") - Durchmesserbehälter
für Fruchgetränke nach dem Einfüllen bei einer Temperatur von 320 in der Größenordnung
von 6,5 Kubikzoll. Das bedeutet, daß eine Ladung von 0,46 g flüssigen Stickstoifs,
die in einem solchen Behälter, der mit erhitztem Fruchtgetränk bei einer Temperatur
von 880 C eingerührt worden ist, ausreichend ist, um einen notwendigen Druck zu
erzeugen, der den Behälter unter einem Druck von 0,35 bis 1,76 kg/cmt über den Atmosphärendruck
anhebt, nachdem das Fruchtgetränk auf Raumtemperatur abgekühlt worden ist.
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Nachdem das Gas in den mit Produkt gefüllten Behälter eingemessen
und der Behälter hermetisch abgeschlossen worden ist, kann der Behälter gestapelt
oder auf Vorrat gehalten werden.
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Das gaserzeugende Material, das in den Behälter eingegeben worden
ist, expandiert und füllt den Kopfraum aus, der bei AbkUhlung des Produktes entsteht
und setzt die Seitenwände des Behalters unter Druck, welcher Druck dem Einbuckeln
oder Einfallen der Behälterwände unter dem Einfluß der Außenatmosphäre entgegenwirkt.
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E8 ist für die Praxis der vorliegenden Erfindung kritisch, daß genügend
Gas in den Dampfraum des Behälters eingefüllt wird, um einen inneren Druck der zuvor
angegebenen Größe bei Raumtemperatur zu erzeugen. Wenn der Behälter unter einen
Druck gesetzt wird, bei dem der Druck weniger als 0,35 kg/cmt oberhalb des Atmosphärendruckes
liegt, werden die Seitenwände nachgiebig und haben nur einen geringen Widerstand
gegen Einbeulen. Wenn der innere Druck des Behälters wesentlich Uber den angegebenen
Wert von 1,76 kg/cm1 Überdruck angehoben wird, wird während des Füllens ein üblicher
Deckel permanent bei den hohen Drücken verformt, welche auftreten, wenn der heiß
eingefüllte Behälter anfänglich verschlossen ist.
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Zur Erläuterung der Erfindung werden nachfolgende Beispiele gegeben.
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Beispiel L: Mehrere 211 (2 11/16") x 413 (4 13/16") zweistückige gezogene
Stahlbehälter mit verformungsfreien Seitenwänden von 100 Mikron Wanddicke wurden
mit 340 g Wasser gefüllt, das auf eine Temperatur von 930 C erhitzt worden war.
Die Behälter wurden dann hermetisch abgedichtet durch einen Doppelflanschprozeß,
bei dem ein Stahldeckel mit einem selbstabdichtenden Gasventil mit dem Behälter
verbunden wurde. Der Kopfraum in dem Behälter
wurde unmittelbar
unter Druck gesetzt, und zwar mit einem über dem Atmosphärendruck liegenden Überdruck
von 4,92 kg/cmæ, und zwar unter Verwendung von Stickstoff, der in den Behälter mit
Hilfe einer Injektionsnadel eingefüllt wurde, die durch das Ventil eingeführt wurde.
Die Nadel wurde danach zurückgezogen und das Ventil abgedichtet. Unmittelbar nach
Zuführung des unter Druck stehenden Stickstoffgases ließ man den Behälter und den
Inhalt auf Raumtemperatur abkühlen. Der Innendruck des Behälters bei Raumtemperatur
(23,90 C) wurde auf einem über dem Atmosphärendruck um 1,76 kg/cm1 liegenden Druck
mit einem Kopfraummeßgerät des Types Beckman bestimmt. Eine axiale Belastung von
331 kg wurde dann auf den unter Druck stehenden Behälter auf einer Universaltestmaschine
des Types Instron aufgesetzt, wobei nur geringe oder gar keine Verformung der Behälterseitenwände
festgestellt wurde. Zusätzlich zu diesem Widerstand gegen das Ausbeulen kehrten
die Seitenwände des Behälters nach Abnahme der axialen Last wieder zu der ursprünglichen
Form zurück.
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Im wesentlichen die gleichen Ergebnisse wurden beobachtet, wenn bei
Anwendung des obigen Vorgehens in äquivalenten Behältern ein innerer Druck von 0,7
kg/cm1. und 1,05 kg/cmt über dem Atmosphärendruck bei Raumtemperatur unter Verwendung
von Stickstoff erzeugt wurde.
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Zur Gegenprobe wurde bei der Wiederholung des Verfahrens nach Beispiel
I Stickstoff nur in einer solchen Menge in den Behälter eingeführt, die ausreichte,
um den Innendruck des abgedichteten und auf die oben angegebene Zimmertemperatur
abgekühlten Behälter auf einen Wert von 0,07 bzw. 0,14 kgtemt über dem Atmosphärendruck
anzuheben. Hierbei zeigte sich, daß de Seitenwände des Behälters leicht mittels
Hand verformt werden konnten und daß sie unter der axialen Last von 272 kg axial
zusammenfielen.
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Ein weiterer Gegentest wurde gemacht unter Verfolgung des Verfahrens
nach Beispiel I, wobei kein Stickstoff in die Behälter eingerührt wurde. Dabei entstand
ein Vakuum im Bereich von 0,07 kg/cmt bzw. von 0,14 kg/cmt unter dem Atmosphärendruck.
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Nach Abkühlung der Behälter auf Raumtemperatur wurden tiefgreifende
Verformungen und Verbeulungen der Behälterumfangswand festgestellt.
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Beispiel II: Mehrere 211 x 413 dreiteilige Stahlbehälter mit verformungsfreien
Seitenwänden und einer Dicke von 150 Mikron wurden mit 340 g Wasser gefüllt, das
erhitzt worden war auf eine Temperatur von 880 C. Auf die Oberfläche des erhitzten
Wassers in den Behältern
wurden 1,o g flüssiger Stickstoff gegeben.
Der Behälter wurde durch einen Doppelflanschprozeß mit einem Stahldeckel unmittelbar
nach der Zufügung des flüssigen Stockstoffen hermetisch verschlossen. Danach ließ
man Behälter und den Inhalt auf Raumtemperatur abkühlen. Der Innendruck des Behälters
wurde auf annähernd 1,76 kg/cmt über dem Atmosphärendruck bei einer Raumtemperatur
von etwa 240 C mit dem obigen Meßgerät gemessen.
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Danach wurde eine axiale Last in Höhe von 544 kg auf den unter Druck
stahenden Behälter in der oben erwähnten Maschine aufgesetzt, ohne daß ein Einfallen
der Seitenwände beobachtet wurde.
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Beispiel III: Mehrere 404 (4 4/6") x 700 (7") dreistückige Stahlbehälter
mit verformungsfreien Seitenwänden und einer Dicke von 150 Mikron wurden mit heißem
Wasser in einer Menge von 1 304 g bei einer Temperatur von 880 C gefüllt. Auf die
Oberfläche des erhitzten Wassers in dem Behälter wurden 2,5 g flüssiger Stickstoff
gegeben. Der Behälter wurde durch Doppelflanschvorgang mit einem Stahldeckel unmittelbar
nach Einfügen des flüssigen Stickstoffes hermetisch verschlossen und der Behälter
und der Inhalt danach auf Raumtemperatur abgekühlt. Der Innendruck des Behälters
wurde in dem genannten Meßgerät bestimmt auf annähernd ,77 kglenZ über dem Atmosphärendurck
bei etwa 240 C.
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Eine axiale Last von etwa 517 kg wurde dann auf den unter Druck stehenden
Behälter in der genannten Prüfmaschine aufgesetzt, ohne das ein Einbeulen der Seitenwände
des Behälters festgestellt wurde.
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Zum Vergleich wurde das Verfahren nach Beispiel III wiederholt mit
der Ausnahme, daß flüssiger Stickstoff in die Behälter in einer Menge eingefüllt
wurde, die ausreichte, um den Innendruck der abgedichteten und abgekühlten Behälter
auf einen Wert von 0,07 und 0,14 kg/cmt über dem Atmosphärendruck anzuheben. Die
Seitenwände des Behälters konnten leicht mittels Hand verformt werden und die Behälter
fielen zusammen unter einer axialen Belastung von 408 kg.
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Als weiterer Gegenversuch wurde das Beispiel nach III mit der Ausnahme
wiederholt, daß dickstoff überhaupt nicht in die Behälter eingeführt wurde. Es entstand
nach dem Abdichten ein Vakuum von annähernd 0,7 kg cm' unter dem Atmosphärendruck
bei etwa 240 C Raumtemperatur. Es konnten schwere Verformungen des abgedichteten
Behälters bei der Abkühlung auf Raumtemperatur festgestellt werden.
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Beispiel IV: Mehrere 404 x 700 - dreistückige Stahlbehälter mit unverformten
Seitenwänden und einer Wanddicke von 150 Mikron wurden gefüllt
mit
heißem Wasser von einer Temperatur von 880 c und in einer Menge von 1304 g. Die
Behälter wurden hermetisch durch Doppelflanschvorgänge mit einem Stahldeckel abgedichtet,
der ein selbstdichtendes Gasventil besaß. Der Kopfraum in dem Behälter wurde unmittelbar
auf einen den Atmosphärendurck um 1,76 kg/cm' übersteigenden Druck durch Injizieren
von Stickstoff in den Behälter mit Hilfe einer Injektionsnadel angehoben, die durch
das Ventil hindurchgeführt wurde. Die Nadel wurde dann zurückgezogen und das Ventil
abgedichtet. Unmittelbar nach der Zufuhr des unter Druck stehenden Stickstoffgases
ließ man den Behälter und seinen Inhalt auf Raumtemperatur abkühlen. Der Innendruck
bei einer Raumtemperatur von etwa 240 C wurde bestimmt auf etwa 0,70 kg/cmt oberhalb
des Atmosphärendruckes. Eine axiale Last der gleichen Größe wie bei dem Beispiel
III wurde auf die unter Druck stehenden Behälter in der genannten Testmaschine aufgesetzt,
wobei nur geringe oder gar keine Wandverformungen beobachtet wurden. Als Gegenprobe
wurde das Beispiel IV wiederholt mit der Ausnahme, daß Stickstoff in die Behälter
in Mengen eingeführt wurde, die ausreichten, um den Innendruck über den Atmosphärendruck
bei Raumtemperatur auf etwa 0,07 bis 0,14 kg/cmt anzuheben. Die Seitenwände' des
Behälters konnten leicht mittels Hand verformt werden.