DE2757355A1 - Ultraschallvorrichtung zur zerstoerungsfreien pruefung von bindeflaechen - Google Patents

Ultraschallvorrichtung zur zerstoerungsfreien pruefung von bindeflaechen

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DE2757355A1 DE19772757355 DE2757355A DE2757355A1 DE 2757355 A1 DE2757355 A1 DE 2757355A1 DE 19772757355 DE19772757355 DE 19772757355 DE 2757355 A DE2757355 A DE 2757355A DE 2757355 A1 DE2757355 A1 DE 2757355A1
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Description

31.Oktober 1977 IG/brü
KRAUTKRÄMER GMBH
5 Köln-Klettenberg, Luxemburger Straße kk9
Ultra schallvorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung von Bindeflächen.
Die Erfindung betrifft eine Ultraschallvorrichtung mit einem Sender- und Empfängerprüfkopf zur zerstörungsfreien Prüfung von Bindeflächen, kleinflächigen Prüfstücken odgl. auf Fehler, deren Flächenanteil wesentlich kleiner als die gesamte Bindefläche bzw. das Prüfstück ist, wobei der Ultraschall vom Senderschwinger , über eine Vorlaufstrecke oder direkt von der einen Seite in das Prüfstück eingekoppelt, von der anderen Seite als durchgehender Schall ausgekoppelt und über ein Voreatzstück oder direkt dem Empfängerschwinger zugeführt wird.
Zur eerstörungsfreien Prüfung von Bindeflächen, wie z. B. Plattierungen, Lötungen, Klebungen oder anderen flächenhaften Verbindungen, ist ein hohes Flächenauflösungsvermögen der Prüftech-
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nlk notwendig, um auch kleine Fehler, die die Verwendung des Bauteils bereits in Frage stellen,finden zu können. Eine sichere Auffindung von Fehlern, deren Flächenausdehnung quer zur Schallausbreitungsrichtung wesentlich kleiner ist, als die aktive Gesamtfläche des elektro-akustischen Wandlers und damit auch wesentlich kleiner als der Schallstrahlquerschnitt, bedarf einer besonderen Prüftechnik. Xn den meisten Prüfprobleinen ist auch noch die Forderung enthalten, bei direkter Ankopplung des PrUfkopfes an eine unebene Prüfstückoberflache zwischen Prüfkopf und Prüfstück eine an die entsprechende Oberflächengeometrie angepaßte Vorlauf strecke als Foanadapter verwenden zu müssen«
Zwar ist es bereits bekannt, Bindeflächen, z. B. die gelötete Verbindung von Kontaktelementen mit dem Trägermaterial bei elektrischen Schaltern oder in der Maschinentechnik, die gelötete Verbindung von Hartmetallauflagen auf Ventilstöße und andere Verbindungen, wie Klebungen, Plattierungen usw. in der Ultraschallprüftechnik folgendermaßen zu untersuchen.
Bei der Anwendung des Impuls-Echo-Verfahrens wird ein Prüfstück mit einem punktfokussierten Schallstrahl mäanderförmig abgetastet
Hierzu wird eine Abtastvorrichtung für die zwei Flächenkoordinaten verwendet, die mit einem Zweikoordinatenschreiber synchronisiert ist. Hierbei müssen aber auch die Laufzeiten der einzelnen Echos, d. h. das Echo von der Prüfstückoberflache, das Fehlerecho und das RUokwandecho einwandfrei getrennt werden,
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um die Höhe nur des Fehlerechos bewerten zu können. Das ist bei dünnen Piattierungsschichten, aber nur mit einem großen und teuren elektronischen Aufwand möglich.
Bei dem anderen bekannten Verfahren, der Impuls-Durchschallung benötigt man nicht das hohe laufzeitmäßige Auflösungsvermögen; hier wird die durch das Prüfstück hindurchgehende Ultraschallintensität bewertet. Die aktive Fläche des elektroakuetischen Wandlers und damit sein Schallstrahlquerschnitt muß hierbei ungefähr gleich groß sein, wie die zu prüfende Bindefläche . Ist die Bindeflache zur Hälfte fehlerhaft, so sinkt auch die Amplitude der durchgelassenen Ultraschallintensität auf 50%· In der Anzeige im logarithmischee Maßstab bedeutet dies einyAbfall der Amplitude um nur 6 dB. Deshalb können mit diesem Verfahren nur grobe Bindefehler festgestellt werden.
Befindet man sich mit der zu prüfenden Bindefläche im Nahfeld eines der beiden Schwinger, d.h. entweder des Senders chwingers oder des Empfängerschwingers, können noch erhebliche Verfälschungen in der Anzeige durch Interferenzerscheinungen auftreten* Will man mit dieser Methode kleine Fehler finden, also Fehler deren Flächenausdehnung wesentlich kleiner ist als die halbe Gesamtfläche der Bindung und damit auch wesentlich kleiner als die Querschnittsfläche des Schallstrahls, muß man wie beim Impuls-Echo-Verfahren, fokussierte Prüfköpfe verwenden und das Prüfstück mäanderförmig abtasten. Der mechanische Aufwand wird aber hierbei noch größer, als bei der erstgenannten Methode, da
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Jetat ·1η axial engeerdnetea Frttfkopfpenr boldooltie daa PrttfatOeka« In den baldan Flitonenfeocrdliiaton neehanieoh erführt worden «ruß·
Aueh dia Avanntsune τοη Reeoaanaereohelnuneen lot bol dloean Anwendaneafttllan ni«ht i&Qglloh» da bol oohr dtlnnen Sehlohten dia Erfüllung dar Reeenanebedinsune «ehr hohe ßohollfreqweneen CZrTordarlloh naobt« vgl. "Werkstoffprüfung mit Ultraschall von J. und H. Krautkrämer, 3. Auflage 1975t Seiten 512 und folgende.
Ca iat bafcann», daO alna brauehbara and qnantltatlva Auaaaea Obar dan Zuatand dar Farbinduna daa Kantaktaa eit den TrBsar» alammt bai nlabt VallatSndicar Tarbindnns «äsen dar tmbaetisra·» baran Intarfaranaaraohalnunean in Soballnahfold nleht nOellob Iat ,la) Sehallfarnfald aber nur dann» warnt dia PohlarflSoha noch in dar OreOanardmnm dar eehallatrahtqaeraohnitteflKeha lia^t· Dar Sanatiatrahlqaaraebnitt ttOOta aber star Vernoldung dar kam· pllalertea Zwalkeordinatenabtaattaottnik aindaatana aa ereO aoin, wie die an prOfanda BlndeflBebe·
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Erfindungsgemäß wird der elektroakustische Wandler eines der Prüfköpfe, vorzugsweise des Empfängerprüfkopfes, in Teilbereiche zu einer Matrix aufgeteilt; jeder Teilbereich ist nicht wesentlich größer als der kleinste aufzufindende Fehler; dieser zerteilte Wandler erhält über ein Vorsatzstück, dessen Dikke vorteilhaft so bemessen ist, daß am Fehlerort die zweifache Nahfeldlänge des einzelnen Wandlerteilelementes angenähert vorhanden ist, wobei die elektrischen Signale der einzelnen Elemente des zerteilten elektroakustischen Wandlers nacheinander (sequentiell) durch elektronische Hilfsschaltungen an sich bekannter Art, wie z.B. Schieberegister, abgefragt und zur Bildung eines Prüfbefundes weiter verarbeitet werden.
AusfUhrungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.
Da die Erfindung von dem Impulsdurchschallungsverfahren ausgeht
und darauf aufbaut, wird auch dieses in der Zeichnung anhand eines Beispiels in Figur 1a erläutert.
Es zeigen:
Figur 1a einen Schalterkontakt als Prüfstück mit einwandfreier Bindefläche Zwischen Empfänger- und Senderschwinger in
geschnittener Ansicht.
Figur 1b einen Schalterkontakt in einer Teilansich^ler Figur jedoch mit fehlerhafter BincPflache.
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Figur 2 einen Schalterkontakt zwischen Sender- und Empfängerschwinger mit einwandfreier Bindefläche in der Prüfkopfanordnung, aber gemäß cer Erfindung.
Figur 3 ein Blockschaltbild zur Prüfvorrichtung. Figur 4 einen Schalterkontakt in Schnittdarstellung mit fehlerhafter Bindeflache in der Prüvorrichtung; Fig. 4 a eine grafische Darstellung der Impulse zu Fig. 4 im Koordinatensystem Schallamplitude und Laufzeit. Figur 5 einen Prüfkopfteil mit unterteilter Vorsatzstrecke, in Seitenansicht.
einer Figur 6 einen Prüfkopfteil in Seitenansicht mitWorsatz-
strecke aus Glas- oder Fibersträngen.
Mit einem Senderschwinger 1 wird gemäß Fig. 1 a über ein Ankoppelmedium 2a der Schall in ein aus den Teilstücken 3 »4- und 5 bestehendes Prüfstück eingeleitet. Ist die Bindeschicht 4, z.B. ein Lot, vollständig vorhanden , so ist das Trägerelement 3 mit einem Kontakt 5 mit der maximal möglichen Fläche verbunden. Ein Empfängerschwinger 6 empfängt dann über ein Vorsatzstück 7» das der geometrischen Adaption an die Kontaktform dient und das Ankoppelmedium 2b die maximale Schallintensität, die als Anzeige 8a auf dem Ultraschallgerät 8 dargestellt wird. Ist die Schicht 4 nicht vollständig vorhanden, wie in der Figur 1b dargestellt oder nicht vollständig mit den Teilstücken 3 bzw. 5 verbunden, wird eine geringere Schallintensität empfangen und demzufolge auch ein geringerer Wert, z.B. 8b, auf dem Ultraschallgerät angezeigt.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden gemäß Fig. und folgende erläutert. Die Vorrichtung ist zweiteilig und besteht in dem einen Teil, wie in Fig. 2 dargestellt, zunächst ebenfalls aus dem Senderschwinger 1 und der Vorlaufstrecke 9 aus gut schalleitendem Material, z.B. Plexiglas, Diese Vorlaufstrecke 9 kann bei ebener Ankoppelfläche oder z.B. in der Tauchtechnik entfallen. Das zweite Vorrichtungsteil auf der anderen Seite des Prüfstückes dient zum Schallempfang und besteht aus einem Vorsatzstück 7» auf dem der in beispielsweise sechzehn Teilflächen 6a bis 6p zerteilte Empfängerschwinger aufgebracht ist. Die Dicke des Vorsatzstückes 7 wird so bemessen, daß bei gegebenen Kantenlängen der Teilflächen 6a bis 6p die zu prüfende Bindefläche 4 im Schallfernfeld der einzelnen Empfängers chwingeiELemente 6a bis 6p liegt, die Schallbundelquerabmessungen aber noch nicht größer geworden sind, als die Kantenlänge der Teilflächen, sodaß der empfangende Teilschwinger der Gruppe 6a bis 6p keine aus den Nachbarbereichen überkoppelte Schallsignale empfangen kann bzw. da die Schalldruckverteilung im Schallfeld keine Sprungfunktion ist, sondern stetig verläuft, diese
Uberkoppelstörungen derartig minimiert sind, daß sie keinen störenden
VEinfluß auf die Prüf auswertung haben. Die Physik des Schallfeldes ist bekannt und z.B. in (1) auf den Seiten 58 bis und in (2) Krautkrämer-Taschenbuch, 2. Auflage, herausgegeben von Krautkrämer GmbH, 5 Köln 41, auf den Seiten 24 bis 33, beschrieben.
Um innerhalb der jeweiligen Teilflächen 6a bis 6p des
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Empfängerschwingers bei ungestörter Schallausbreitung
(keine Bindefehler) keine nennenswerten Schalldruckunterschiede zu haben denn gemessen wird der Integralwert
über diese Teilflächen werden die Teilflächen entsprechend
klein gewählt. Bei einer Ausführungsform bei der Größe der Ankoppelfläche bzw. Größe der zu prüfenden Bindefläche von 16 mm χ 16 mm werden sechzehn gleichgroße Teilflächen von ca. 4 mm χ 4 mm verwendet. Dadurch hat jeder Wandlerteil
6a bis 6p des zerteilten Empfängerschwingers 6 ein angenähert gleiches Empfangsfeld. Gemäß Figur 3 ist jeder dieser Teilschwinger an separaten Vorverstärkern 10a bis 10p angeschlossen. Diese Vorverstärker werden sequentiell von einem Schieberregister 11 mit dem Leitungstreiber 12 verbunden
und das Signal auf einem INPULS-SCHALL-GERÄT 8 an sich
bekannter Bauart zur Anzeige gebracht. Das sequentielle
Abtasten muß dann so langsam erfolgen, daß das Auge diese Anzeigen auch nacheinander erfassen kann,ggfs. kann jedes Element einzeln durch Tastendruck mittels der Schalteranordnung 13 abgefragt werden. Die Vorverstärker sind in ihrem Verstärkungsgrad für sich einstellbar und werden so abgeglichen, daß bei direkter Ankopplung des Senderteils an dem Empfängerteil die Vorrichtung von jedem Vorverstärker die gleiche Signalamplitude an den Leitungstreiber gibt.
Dieser Abgleich kann auch mit einem fehlerfreien Prüfstück erfolgen. Unabhängig von der Höhe des ausgesendeten Schallimpulses nimmt der empfangene Schallimpuls um 50 % seiner Höhe ab, wenn nur 50 % der Bindefläche 4 einwandfrei ist. Der Abfall einer Signalamplitude auf 50 % bedeutet im
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logarithmischen Maßstab den Abfall um 6 dB. Da das auch für jede der Teilflächen gilt, wird immer die Anzeige von einer Wandlerteilfläche um gut meßbare 6 dB absinken, wenn 50 # der entsprechenden Teilbindefläche nicht abgebunden ist, sodaß bei der Aufteilung in 4 x 4 Teilflächen Fehler bis herab zur Größe von 1/32 der gesaraten Bindefläche einwandfrei gefunden werden können. An jeder der sechzehn Teilflächen wird also ein Amplitudenabfall von 6 dB gemessen, wenn die halbe Teilfläche nicht abgebunden ist.
Ein Prüffall ist in Figur 4 dargestellt. Es sind vier in einer der 4 Reihen liegenden Teilschwinger gezeichnet. Im Vorsatzstück 7 sind die Schallstrahlenbündel mit der ansich bekannten Einschnürung am Nahfeldende angedeutet. Im Prüfstück sind verschieden große Fehler vorhanden, deren Anzeige in Fig. 4ctveranschaulicht ist. Das vom Schwinger 1 in das Prüfstück eingeschallte Signal wird an zwei Bindeflächen (nicht schraffierter Bereich der Bindung mit der Bezugsziffer 4) nicht übertragen. Der Teilschwinger 6a empfängt für seinen Anteil an der Gesamtfläche 100 $ = 0 dB Abfall. Der Teilschwinger 6e, dessen Flächenanteil zu mehr als 50 # im Schatten des Fehlers liegt, empfängt ein Signal von - 7 dB. Der Teilschwinger 6i, der weniger als 50 % abgeschattet ist, empfängt ein Signal - 3 dB und der Teilschwinger 6m, der zu 50 # abgeschattet ist, empfängt ein Signal von - 6 dB. Wesentlich ist, wie aus Figuren 4, 4a ersichtlich, daß die Dicke des Vorsatzstücks 7 so gewählt wird, daß an der Bindefläche die Schallbündel wieder so weit aufgeweitet sind, daß sie sich
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gerade noch überlappen. ° L I t> I JSb
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung benutzt zusätzlich zur zerteilten Schwingerfläche auch eine dementsprechend zerteilte Vorsatzstrecke 7a bis 7p» vorzugsweise die Vorsatzstrecke vor dem Empfängerschwinger, wie in Figur 5 dargestellt. Diese zerteilte Vorsatzstrecke kann auch aus Glas oder Fibersträngen 17a bis 17p von ca. 2mm Durchmesser pro Strang bestehen, die schallmäßig voneinander isoliert sind, und zur Ankopplung an die einzelnen Schwinger aufgespleisst werden können, wie in Figur 6 dargestellt. Das erlaubt die Einzelschwinger größer zu bemessaj als es bei der Zerteilung der Schwingerflächen in Teilflächen möglich ist, und die Schwinger mit Transformationsgliedern 14a bis 14p an die Stränge 17a bis 17p von beispielsweise 2 mm Durchmesser akustisch anzupassen. Für die Schallisolierung sorgt die Isolationsschicht 18.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird von der manuellen und zeitaufwendigen Abfrage der Einzelsignale der Teilschwinger 6a bis 6p abgegangen, indem eine elektronische Abfrage und Auswertung verwendet wird. Hier genügt als weiterer Vorteil eine Gut/Schlecht-Anzeige. Hierzu werden die Vorverstärker 10a bis 10p mit dem Schieberregister 11 sequentiell abgefragt und über einen Zwischenspeicher 15 entweder einer Leucht-diodenmatrix 16 zugeführt, in der die Leuchtdioden vorteilhafterweise so angeordnet sind, daß sie ein AbiId der Teilbereiche der zu prüfenden Bindefläche wiedergeben zur optischen Darstellung des Bindeflächenbefundes, oder kodiert einem Rechner, Sortierwerk oder einer anderen Auswerteein-
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richtung zugeführt. Bei dieser Ausgestaltung wird vorgeschlagen, mit Hilfe eines Monitors mit einstellbarer Torschwelle 8a die Signalamplituden zu bewerten. Diese elektronischen Bauteile sind einzeln an sich bekannt. Im Anwendungsfall wird der Monitor des verwendeten Ultraschallgrundgerätes 8 benutzt. Wird die Torschwelle vom jeweiligen Signalwert überschritten, liegt eine Gutanzeige vor und bei Michtx-erreichen der Torschwelle bedeutet das eine Schlechtanzeige. Die Höhe der Torschwelle, allgemein dargestellt durch eine elektrische Spannung, wird so eingestellt, daß oberhalb von einem vorgegebenen Fehleranteil der Teilf."äche die entsprechende Anzeige erfolgt.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung werden die einzelnen Schwinger relativ größer ausgebildet und mit Übergangsstücken (Transformationsgliedern) an ein Schalleitersystem aus Glas- oder Fiberbündeln angekoppelt, vgl. Fig. 6. Diese Vorrichtung schließt die geometrische Anpassung der Vorsatzstücke an die geometrische ±·'οπη des Prüfstückes mit ein.
Die Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen erlaubt es, eine Vorrichtung aufzubauen, die wie bei der Abtastung mit einem fokussierten Schallstrahl kleine Prüfstückquerschnitte prüft, jedoch die Kosten einer mechanischen Abtasteinrichtung dadurch vermeidet, daß mehrere Schwinger in besonderer geometrischer Anordnung vorhanden sind. Die Anzeige für die Befundbildung kann nacheinander, durch manuelles Tasten erfolgen oder es wird automatisch getastet und mit Hilfe einer
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Leuchtdiodenanordnung, wobei zweckm&ßigerweise für jeden Teilbereich zwei verschiedenfarbige Leuchtdioden eingesetzt werden, eine Farbe für die Gutanzeige und eine andere Farbe für die Schlechtanzeige, nach vorgewählter Empfindlichkeit (Torschwelle) ein Befundbild dargestellt.
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Claims (1)

  1. 4. November 1977
    IG/vh
    K 094
    KKAUTKHÄMER GMBH
    Patentansprüche
    1J Ultraschallvorrichtung mit einem Sender- und Empfängerprüfkopf zur zerstörungsfreien Prüfung von Bindeflächen, kleinil'lächigen Prüfstücken odgl. auf Fehler, deren Flächenanteil wesentlich kleiner als die gesamte Bindefläche "bzw. das Prüfstück ist, wobei der Ultraschall vom Senderschwinger über eine Vorlaufstrecke oder direkt von der einen Seite in das Prüfstück eingekoppelt, von der anderen Seite als durchgehender Schall ausgekoppelt und über ein Vorsatzstück oder direkt dem Empfangerschwinger zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der elektroakustisch^ Wandler eines der Prüfköpfe, vorzugsweise des Empfänger-Prüfkopfes (6), in einzelne, flächenhafte Wandlerelemente (6a bis £p)als Teilbereiche matrixförmig aufgeteilt ist, jedes Wandlerelement etwa gleich groß oder nicht wesentlich größer als der kleinste aufzufindende Fehler, und die Dicke des zugehörigen Vorsatzstückes (7) so bemessen ist, daß am Fehlerort etwa die zweifache Nahfeldlänge des einzelnen Wandlerteilelementes vorhanden ist, und den einzelnen Wandlerelementen des zerteilten elektroakustischen Wandlers eine ihre elektrischen Ausgangssignale nacheinander (sequentiell) abfragende Einrichtung
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    angekoppelt ist.
    2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch das Vorsatzstück (7a bis 7p) rasterförmig aufgeteilt ist.
    3· Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilstücke (7a bis 7p) des aufgeteilten Vorsatzstückes (7) aus Glas- oder Kunststoffaserbündeln bestehen, die voneinander schallisoliert sind, wobei die eine Stirnfläche des Gesamtbündels an die entsprechende Prüfstückoberfläche in der Form angepaßt ist und auf der anderen Seite die Stirnflächen der einzelnen Faserstränge (17<xbis 17p) an die Sch all schwinger (Ga bis 6p) über Transforinationsglieder (1^1-a bis 14-p) angekoppelt sind.
    4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorsatzstück (7) auf der dem Wandler abgewandten Seite der Form der entsprechenden Prüfstückfläche angepaßte Form hat.
    5. Vorrichtung nach den Ansprüchen I-^I-, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Signale der über ihre Vorverstärker (10a bis 10p) nacheinander abgefragten Wandlerelemente (6a bis ^p) einem Leitungsl'roibc-r (12) zugeführt sind und nacheinander in einer Anzeigevorrichtung, z.B. als Echobilder, dargestellt sind.
    6. Verfaliron znv.i üetriob der Vorrichtung nach den Ansprüchen
    1-Λ, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Signale der nacheinander abgefragten Vorverstärker in Torschaltungen be-
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    wertet werden und über eine Leuchtdiodenmatrix, in der vorzugsweise die Anordnung der Leuchtdioden einer Abbildung der Easteraufteilung des Prüfkopfes entspricht, Gut/Schlecht-Anzeigen für die einzelnen Rasterelemente ausgewertet werden.
    7. Schaltvorrichtung nach den Ansprüchen 1-4 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Torschaltungen bewerteten Signale elektrisch aufsummiert und einer Hilfsschaltung zugeführt sind, durch die eine Sortiereinrichtung gesteuert ist, so daß die Klassifizierung der Prüfstücke in gut oder schlecht oder in mehrere Klassen erfolgt.
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