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Extrusionswerkzeug mit seitlichem Extruderanschluß und
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Vorkehrung zum Ausgleich umlenkungsbedingter Strömungsfehler im Kunststoff-Massestrom
Die Erfindung betrifft ein Extrusionswerkzeug, insbesondere zur Herstellung von
Kunststoffolien, mit einem seitlichen Anschluß für einen Extruder und mit einem
Umlenkkanal zur Umlenkung des vom Extruder zugeführten Kunststoff-Massestromes in
eine zur Achse der Austrittsdüse des Extrusionswerkzeuges parallele Richtung.
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In vielen Fällen, insbesondere beim Folienblasen, ist eine Umlenkung
des von der Extruderschnecke zugeführten Kunststoff-Massestromes aus einer zunächst
quer zur Achse der Austrittsdüse verlaufenden Richtung in eine dazu parallele Richtung
erforderlich. Die Umlenkung erfolgt dabei über eine Strecke, die sich von der Plastifizierebene
des Extruders bis in die Arbeitsebene des Werkzeuges erstreckt.
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Die Umlenkung erfolgt entweder durch direktes seitliches Anspritzen
des Blaskopfes oder - bei zentral angespritzten Blasköpfen - über ein die Verbindung
zwischen Extruder und Blaskopf herstellendes Umlenkstück. Insbesondere mit der letztgenannten
Ausführung beschäftigt sich die vorliegende Erfindung, da in dem Umlenkstück der
Umlenkkanal einen im wesentlichen torusförmigen Krümmer mit einer Umlenkung
von
normalerweise 900 bildet.
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Da infolge der Umlenkung im Umlenkkanal die Strömungswege der Kunststoffschmelze
unterschiedlich lang sind, d.h. die bezüglich des Krümmungsmittelpunktes des Umlenkkanales
radial außen liegenden Bereiche des Kunststoff-Massestromes einen längeren Weg zur
Austrittsdüse zurücklegen müssen als die radial innen liegenden Bereiche, wird das
im Idealfall zirkularsymmetrische Geschwindigkeitsprofil des Kunststoff-Massestromes
vor der Umlenkung im Umlenkkanal verzerrt. Durch diese Verzerrung erhält die Kunststoffmasse
eine über den Strömungsquerschnitt unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeit, woraus
ein entsprechend unterschiedlicher örtlicher Massedurchsatz im Extrusionswerkzeug
folgt. Dies bedingt wiederum unterschiedliche Foliendicken nach dem Düsenaustritt.
Da diese Strörnungsfehler nicht im Blaskopf elltstehen, sondern in eem stationären
Umlenkkanal, lassen sich die unterschiedlichen Foliendicken durch eine normalerweise
praktizierte Rotation des Extrusionswerkzeuges um die Düsenachse nicht beseitigen
bzw. auf dem Folienwickel verteilen.
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Die Lokalisierung oder vorherige Berechnung der auftretenden Fehler
im Umlenkkanal ist praktisch nicht möglich, weil sich den geometrisch bedingten
Verhältnissen (ungleich lange Strömungswege) damit in Zusammenhang stehende andere
Parameter überlagern. Hierzu zählen z.B.-aufgrund der unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeit
unterschiedliche Wärmeübergänge von den Wandungen des Umlenkkanales auf die Kunststoffmasse,
durch die die Viskosität der Masse und durch diese wiederum deren Geschwindigkeit
beeinflusst wird. Je nach dem Absolutwert der Geschwindigkeit und den Druckverhältnissen
können sich
ebenfalls ungleiche Verhältnisse im Umlenkkanal ergeben,
die die Ungleichmässigkeit des Profiles weiter verstärken.
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Auch die Art der Beheizung des Umlenkstückes, die zu unterschiedlichen
Wandungstemperaturen des Umlenkkanales führen kann, vermag die Ungleichmässigkeit
des Geschwindigkeitsprofils zu erhöhen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Extrusionswerkzeug
der eingangs geschilderten Art so auszugestalten, daß durch die Umlenkung bedingte
Strömungsfehler im Kunststoff-Massestrom sich am Düsenaustritt nicht in Form ungleicher
Foliendicken mit den daraus resultierenden Nachteilen (konische oder ballige Folienwickel
oder Wickel mit "Kolbenringen") auswirken können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zum Ausgleich
der im Kunststoff-Massestrom durch die Umlenkung erzeugten Strömungsfehler der Umlenkkanal
in seinem zur Achse der Austrittsdüse parallelen Teil und/oder der zur Austrittsdüse
führende Strömungskanal, der sich an den Umlenkkanal anschließt, örtlich einendSunststoff-Massestrom
über dessen Querschnitt ungleichmässig drosselnden Strümungsquerschnitt aufweist.
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Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß es aufgrund der
fehlenden Lokalisierbarkeit der Ursachen für die Strömungsfehler keinen Sinn hat,
von vornherein Maßnahmen zu ergreifen, die diese Ursachen beseitigen.
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Bezüglich der unterschiedlichen Länge der Strömungswege sind wegen
der häufig nicht umgehbaren Notwendigkeit einer Umlenkung solche Maßnahmen auch
nicht möglich.
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Aus diesem Grund werden die Fehlerursachen nicht beseitigt, sondern
es wird eine Vorkehrung getroffen, um
gezielt im Kunststoff-Massestrom
dazu komplementäre Fehler zu erzeugen, die sich den umlenkungsbedingten Fehlern
überlagern und sie kompensieren. Zu diesem Zweck wird am oder nach dem Ausgang des
Umlenkkanales, wo weitere umlenkungsbedingte Strömungsfehler nicht mehr zu erwarten
sind, der Strömungsquerschnitt des Umlenkungskanales oder daran anschließender Kanalabschnitte
in seiner Querschnittsform so verändert, daß sich eine Drosselung in dem Bereich
des Kunststoff-Massestromes einstellt, an der die Zirkularsymmetrie des Geschwindigkeitsprofils
störende Geschwindigkeitsspitzen auftreten. Im Prinzip kann der angestrebte Effekt
dadurch erreicht werden, daß der Strömungsquerschnitt des Umlenkkanals bzw. des
daran anschließenden Kanalabschnittes an der genannten Stelle in seinen bezüglich
des Krümmungsmittelpunktes des Umlenkkanales radial innen liegenden Bereich kleiner
als in seinem radial außen liegenden Bereich ist. Hierdurch wird die zur radial
innen liegenden Seite hin verschobene Geschwindigkeitsspitze des Kunststoff-Massestromes
gedrosselt und ein Ausgleich erzielt. In der praktischen Ausführung kann das z.B.
dadurch erreicht werden, daß der drosselnde Strömungsquerschnitt durch mindestens
eine mehrere Durchgangslöcher aufweisende Lochscheibe -gebildet ist, wobei der Gesamtquerschnitt
der zu einer Seite eines Axialebene liegenden Durchgangslöcher grösser als der Gesamtquerschnitt
der auf der anderen Seite dieser Axialebene liegenden Durchgangslöcher ist. Unter
einer "Axialebene" wird in diesem Zusammenhang eine Ebene verstanden, die die Mittelachse
des Umlenkkanales in dessen geraden Abschnitt nach der Umlenkung enthält.
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Nach einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch
vorgesehen, den örtlich ungleichmässig
drosselnden Strömungsquerschnitt,z.B.
die genannte Lochblende, um die Achse des Umlenkkanales verdrehbar zu machen. Das
hat den Vorteil, daß die richtige Lage der zur Kompensation induzierten Strömungsfehler
empirisch von Fall zu Fall ermittelt werden kann, wobei die möglichst gering schwankende
Foliendicke am Austritt aus der Düse das Einstellkriterium ist.
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Hierdurch können auch Veränderungen bei der Entstehung der umlenkbedingten
Strömungsfehler berücksichtigt werden, die nicht allein anlagebedingt sind, z.B.
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auf der Wahl unterschiedlicher Kunststoffmaterialien beruhen.
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Im Rahmen dieser Überlegung ist es wiederum vorteilhafterweise möglich,
nicht nur die Lage sondern auch die Art der bewusst induzierten Strömungsfehler
zu beeinflussen. Hierzu ist nach einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, daß
der örtlich ungleich drosselnde Strömungsquerschnitt durch zwei Lochscheiben mit
auf ihrer Fläche jeweils gleichmässig verteilten und gleich grossen Durchgangslöchern
gebildet ist, wobei Anzahl und/oder Querschnitt der Durchgangslöcher der einen Lochscheibe
sich von denen der anderen Lochscheibe unterscheiden, und daß zumindest eine der
Lochscheiben gegenüber der anderen Lochscheibe um eine zur Achse des Umlenkkanales
bzw. des anschließenden Strömungskanal-Abschnitts parallele Achse verdrehbar ist.
Da sich die Durchgangslöcher der beiden Lochscheiben in Grösse und/oder Anzahl unterscheiden
und zweckmässigerweise auch ihre in Umfangsrichtung gemessenen Teilungen in einem
nicht geradzahligen Verhältnis zueinander stehen, ist es durch eine Relativverdrehung
der beiden Lochblenden möglich, die durch die Aufeinanderfolge von
Löchern
in den beiden Lochblenden gebildeten Teil-Strömungskanäle in ihrem Querschnitt und
in ihrer Lage in weiten Grenzen zu verändern.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich
aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand
der beiliegenden Zeichnungen sowie aus weiteren Unter an sprüchen. In den Zeichnungen
zeigen: Fig. 1 einen Axialschnitt durch ein - nur unvollständig dargestelltes -
Extrusionswerkzeug in der Umlenkebene mit einer erfindungsgemässen Vorrichtung zum
Ausgleich umlenkungsbedingter Strömungsfehler; Fig. 2 einen Axialschnitt in gleicher
Schnittebene wie Fig. 1 durch die Vorrichtung zum Ausgleich umlenkungsbedingter
Strömungsfehler in grösserem Maßstab; Fig. 3 eine Stirnansicht auf die Vorrichtung
gemäß Fig. 2, gesehen in Richtung der Pfeile III-III in Fig. 2, und Fig. 4 eine
Stirnansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 2, gesehen in Richtung der Pfeile IV-IV
in Fig. 2.
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Die Darstellung in Fig. 1 macht die relative Zuordnung eines nur in
seinem Mündungsbereich angedeuteten Extruders 1 zu einem Extrusionswerkzeug deutlich,
das sich aus einem Umlenkstück 2 und aus dem Folienblaskopf 3 zusammensetzt, von
dem nur der untere Anschlußteil an das Umlenkstück 2 gezeigt ist. Die von dem Blaskopf
3 gebildete Austrittsdüse ist nicht dargestellt, für die vorliegenden Erläuterung
aber
auch nicht von Bedeutung. Der Extruder 1 ist seitlicll, d.h. in horizontaler Lage,
an das Umlenkstück 2 angescillossen. Seine Mündung steht unmittelbar in Verbindung
mit einem in dem Umlenkstück 2 ausgebildeten Umlenkkanal 4, der in einem ersten
Abschnitt 4a zunächst parallel zur Extrusionsrichtung verläuft, dann bei 4b eine
Umlenkung um 900 in die Vertikale erfährt und von da ab in seinem anschließenden
Abschnitt 4c koaxial zur Achsrichtung 5 des Blaskopfes 3 verläuft.
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Der Blaskopf 3 ist mit dem flanschartig erweiterten oberen Teil 2a
des Umlenkstückes 2 mittels Schrauben 6 verspannt, von denen der Einfachheit halber
nur eine gezeigt ist. Außerdem sind in bekannter Weise das Umlenkstück 2 und der
Blaskopf 3 durch Heizelemente 7 von außen her beheizt.
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Im Verbindungsbereich des Umlenkkanales 4 mit dem stromabwärts anschließenden
Strömungskanal 8 im Blaskopf 3 ist eine im Ganzen mit 9 bezeichnete Vorrichtung
zum Ausgleich umlenkungsbedingter Strömungsfehler im Kunststoff-Massestrang angeordnet.
Diese Vorrichtung, die sich im einzelnen aus den Fig. 2 bis 4 ergibt, setzt sich
im wesentlichen aus zwei Lochscheiben 1o und 11 zusammen, die in Strömungsrichtung
hintereinander angeordnet sind. Beide Lochscheiben lol 11 sind koaxial zur Strömungsachse
des Umlenkkanalabschnittes 4c und zur Strömungskanalachse 5 angeordnet. Hierzu ist
sowohl die Stirnseite der flanschartigen Verbreiterung 2a des Umlenkstückes 2 mit
einer Ausnehmung 12 und die daran anliegende Stirnseite des Blaskopfes 3 mit einer
Ausnehmung 13 versehen, in welche die Lochscheiben 10, 11 jeweils soweit eingesenkt
sind, daß beide Stirnflächen im zusammengebauten Zustand praktisch aneinander anliegen.
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Die stromaufwärts liegende Lochscheibe 1o ist in einen Ring 14 mit
rechteckigem Ringquerschnitt eingepasst und darin durch eine Nut/Feder-Verbindung
15 drehfest gehalten. Der Ring 14 ist seinerseits in einer Absetzung der Ausnehmung
12 in axialer Richtung fixiert und drehbeweglich gelagert. In einer radial verlaufenden
Bohrung 16 des Ringes 14 ist ein Verstellarm 17 zur Drehverstellung des Ringes eingeschraubt.
Der Verstellarm 17 durchsetzt einen - in der Draufsicht auf die Stirnfläche des
Umlenkstückes 2 - sektor#förmigen Raum 18, der eine Verstellung des Verstellarmes
17 und damit des Ringes 14 um einen Winkel von beispielsweise 900 erlaubt. Die gegenüberliegenden
Stirnflächen der Lochscheibe 10 tragen Ringnuten mit darin angeordneten Dichtringen
19, 20, die die Lochscheibe gegenüber der Ausnehmung 12 bzw. gegenüber der anliegenden
Stirnseite der Lochscheibe 11 abdichten.
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Die stromab liegende Lochscheibe 11 ist in der Ausnehmung 13 des Blaskopfes
3 fest angeordnet und darin mittels einer einen Teil des Strömungskanales 8 bildenden
Lochblende 21 gehalten. An den beiden gegenüberliegenden Stirnseiten ist die Lochscheibe
11 mit je einer einspringenden Schulter 22 bzw. 23 versehen, die zur zentrischen
drehbeweglichen Lagerung der Lochscheibe 10 bzw. zur Zentrierung der Lochblende
21 dient.
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Wie sich aus Fig. 3 ergibt, weist die Lochscheibe 11 vier auf dem
Umfang eines gemeinsamen Lochkreises angeordnete Durchgangslöcher 25 auf, die in
gleichmässigen Abständen voneinander angeordnet sind und gleiche Durchmesser haben.
Die Fig. 2 zeigt, daß die Durchgangslöcher 25 nur in ihrem Mittelabschnit vzylindrisch
sind, sich von dem Mittelabschnitt aus jedoch zu ihren Enden hin konusartig erweitern.
Die Erweiterung erfolgt in einer
Weise, daß die Lochscheibe 11
im Bereich der Durchgangslöcher 25 zwei zueinander senkrecht stehende, in der Ebene
der Schultern 22, 23 liegende Verschneidungskanten 27 bildet (Fig. 3).
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Wie sich aus Fig. 4 ergibt, ist die Lochscheibe 10 mit drei gleichmässig
auf einem gemeinsamen Lochkreis angeordneten Durchgangslöchern 28 versehen, deren
Durchmesser grösser als derjenige der Durchgangslöcher 25 ist. Auch die Durchgangslöcher
28 sind nur in einem axialen Mittelabschnitt 29 zylindrisch und erweitern sich von
diesem aus schiefkegelig zu den Enden hin Auch hier erfolgt die Erweiterung in einer
Weise, daß in den Stirnseiten der Lochscheibe 1o liegende Verschneidungskanten 30
gebildet werden (Fig. 4).
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Die aufeinanderfolgenden Lochscheiben 10, 11 bilden mit den Durchgangslöchern
28 und 25 Teil-Strömungskanäle, die eine örtliche Drosselung des den Umlenkkanal
4 durchsetzenden Kunststoff-Massestromes bilden. Um in gewissem Maß den durch die
Drosselung bedingten Strömungswiderstand auszugleichen, ist der Umlenkkanalabschnitt
4c unmittelbar vor der Lochscheibe 10 bei 4d konisch erweitert. Die Durchgangslöcher
28 der Lochscheibe 1o sind so angeordnet und bemessen, daß ihr gemeinsamer Umkreis,
der sie außen tangiert, in seinem Durchmesser dem Mündungsdurchmesser des Kanalabschnittes
4d entspricht.
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Dies gilt auch für die Durchgangslöcher 25 der Lochscheibe 11, an
die sich der wieder auf den Durchmesser des Umlenkkanales 4 konisch zurückgeführte
Kanalabschnitt 8a in der Lochblende 21 anschließt.
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Die Durchgangslöcher 25 der Lochscheibe 11 sind so angeordnet, daß
eines davon den erwähnten Umkreis an der
bezüglich des Krümmungsmittelpunktes
des Umlenkkanales 4 radial innen liegenden Seite berührt. Die Durchgangslöcher 28
der Lochscheibe lo hingegen sind durch den Verstellarm 17 in ihrer Drehlage um die
Achse der Lochscheibe veränderbar. Daraus ergibt sich, daß sich ihre Querschnitte
mit denjenigen der Durchgangslöcher 25 bei der Drehverstellung unterschiedlich überdecken
und damit Teil-Strömungskanäle von veränderlicher Grösse und Form ergeben. In den
Fig. 3 und 4 sind die sich ergebenden Teil-Strömungskanäle bei der eingezeichneten
Stellung des Verstellarmes 17 dunkel gepunktet gekennzeichnet. Es ist deutlich erkennbar,
daß auf der bezüglich des Krümmungsmittelpunktes des Umlenkkanales 4 innen liegenden
Seite der Lochscheiben lo, 11 der für den Durchfluß des Kunststoff-Massestromes
zur Verfügung stehende Strömungsquerschnitt kleiner als auf der radial außen liegenden
Seite ist. Dadurch wird dem Umstand Rechnung getragen, daß die Strömungsgeschwindigkeit
des radial innen liegenden Bereiches des Kunststoff-Massestromes in der Regel von
innen nach außen abfällt. Da aber die genaue Lage des Strömungsmaximums einerseits
nicht von vornherein definierbar ist und auch keineswegs mit dem radial innersten
Punkt des Umlenkkanales 4 zusammenfallen muß, andererseits durch die eingangs beschriebenen
Einflüsse auch Veränderungen der Lage des Geschwindigkeitsmaximums vorkommen, ist
die Verstellbarkeit der Lage des Drosselquerschnitts von Bedeutung.
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Die Wirkungsweise der beschriebenen Vorrichtung ist folgende: Beim
Anlaufen des Extruders und dem Ausstoß an Kunststofffolie wird die Foliendicke über
den Umfang bzw. die Folienbreite gemessen. Stellen sich Dickenschwankungen über
den Düsenringspalt
bzw. die -breite ein, die nach Lage der Dinge
nicht auf Einflüsse der Düse selbst zurückzuführen sind (was z.B.
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daran erkennbar ist, daß auch bei einem Reversieren der Düse die Lage
der Dickenänderung unverändert bleibt), so wird die Lochscheibe lo mittels des Verstellarmes
17 leicht verdreht. Durch die Art der Veränderung der Dickenschwankung der Folie
ist sofort erkennbar, ob die Verstellung der Lochscheibe in die falsche oder richtige
Drehrichtung vorgenommen wurde. Die Verstellung und damit die Einstellung der Lage
der Teil-Strömungskanäle erfolgt dann solange, bis die genannte Dickenschwankung
der Folie auf ein Minimum abgesenkt werden ist.
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Infolge der konischen Erweiterung der Durchgangslöcher ausgehend von
deren zentralen Abschnitten 26 bzw. 29 werden Toträume, in denen es zu Kunststoff
ansammlungen und -verbrennungen kommen könnte, vermieden. Außerdem wird durch die
Wahl einer grösseren Anzahl von Durchgangslöchern 25 in der abströmseitigen Lochscheibe
11 eine Vergleichmässigung des zunächst auf drei Teilströme aufgeteilten Massestromes
erreicht. Durch die Wahl einer grösseren Anzahl von Durchgangslöchern in jeder der
beiden Lochscheiben wird dieser Effekt noch verbessert.
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In dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist als Mittel
zur Veränderung des Strömungsquerschnittes anschließend an die Umlenkung des Kunststoff-Massestromes
eine Lochscheibe 10 erläutert. Der Strömungsquerschnitt kann jedoch auch auf andere
Weise verändert werden, z.B.
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dadurch, daß von außen Stege oder Nasen in den Strömungskanal einbringbar
sind, deren Lage und Eindringtiefe gezielt veränderbar ist. Auch diese Stege oder
Nasen können strömungsgünstig geformt sein, so daß Toträume, die zu
Kunststoffansammlungen
führen können, vermieden werden.
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Die beschriebene Lochscheibe 10 muß auch keineswegs kreisförmige Durchgangslöcher
28 aufweisen. Vielmehr kann die Vielfalt der Strömungsquerschnittsveränderungen
auch dadurch gesteigert werden, daß die Durchgangslöcher eine beliebige geometrische
Form aufweisen, z.B. oval oder polygonal geformt sind.