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Erfindungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Schleifkontaktvorrichtungen wie
etwa die Scherenstromabnehmer, die Stangenstromabnehmer (insbesondere
für Busse),
die Stromschienen-Schleifstücke
oder die Industrie-Schleifstücke
zur Stromabnahme bzw. Stromübertragung
von einem ortfesten elektrischen Leiter, etwa einer Fahr- bzw. Oberleitung
oder einer Stromschiene, zu einem Fahrzeug, etwa einer Zuggarnitur,
einem Bus oder einer U- bzw. S-Bahn, bei Stillstand oder während der
Fahrt. Die Erfindung betrifft insbesondere das Schleifelement (oder "Schleifleiste") der Schleifkontaktvorrichtungen.
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Stand der
Technik
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Die
Schleifvorrichtungen, wie etwa die bei der Eisenbahn benutzten Scherenstromabnehmer,
umfassen typischerweise eine bewegliche Stützvorrichtung und eine Schleifleiste.
Die Stützvorrichtung
trägt die Schleifleiste
und ermöglicht,
sie in Kontakt mit einem ortsfesten elektrischen Leiter zu bringen,
etwa einer Fahrleitung (generell ein dotierter Kupferdraht) oder
einer Stromschiene, so dass die Stromübertragung von dem ortsfesten
Leiter zu dem Fahrzeug während
der Fahrt oder bei Stillstand gewährleistet ist. Im Falle der
Scherenstromabnehmer umfasst die Schleifleiste das Schleifelement
des Scherenstromabnehmers.
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Die
Schleifleisten werden als austauschbare Verschleißprodukte
betrachtet, die eine Reihe von Benutzungseigenschaften haben müssen. Insbesondere
und vor allem müssen
die Schleifleisten gut den Strom leiten, das heißt, dass ihr elektrischer Widerstand
klein sein muss, um die Energieverluste und die Erwärmungen zu
reduzieren. Außerdem
müssen
die Schleifleisten Schleifeigenschaften haben, die gut an die ortsfesten
Leiter angepasst sind, das heißt
zu keiner schnellen Abnützung
der Schleifleiste und des ortsfesten Leiters führen. Insbesondere ist es wichtig,
dass es beim ortsfesten Leiter zu keinem Fressen und keinem Abrieb
kommt. Zudem, im Falle der Scherenstromabnehmer, müssen die
Schleifleisten leicht sein, um die mechanische Trägheit der
Stromabnahmevorrichtung zu minimieren, was insbesondere ermöglicht,
die Amplitude der vertikalen Bewegungen des Scherenstromabnehmers
zu minimieren, wenn das Fahrzeug in Fahrt ist, und so die Öffnung des
Kontakts zwischen dem Schleifelement und der Fahrleitung zu verhindern
und Lichtbögen
zu vermeiden. Außerdem
müssen
die Schleifleisten resistent sein gegen Verschleiß und Abrieb,
verursacht durch die unvermeidbaren Lichtbögen zwischen dem ortsfesten
Leiter und dem Reibelement. Überdies
müssen
die Schleifleisten im Falle der Scherenstromabnehmer eine hohe Festigkeit
für mechanische
Stöße bzw.
Schläge gegen
die Fahrleitung haben, denn ein Brechen der Schleifleiste kann zu
großen
Schäden
beim Stromabnahmesystem selbst oder sogar bei der Fahrleitung führen. Sie
müssen
auch Temperaturen aushalten, die bei den härtesten Einsätzen eventuell
300 bis 400 °C
erreichen. Schließlich
müssen
die Schleifleisten leicht zu montieren und zu ersetzen sein.
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Bekannt
ist die Verwendung von im Wesentlichen metallischen Schleifleisten,
die Einrichtungen zur Verbesserung der Reibungseigenschaften und
eventuell Einrichtungen zur Erhöhung
der Leitfähigkeit
umfassen. Zum Beispiel kennt man Schleifleisten aus Eisen mit einer
Schmiervorrichtung, Schleifleisten aus porösem gesintertem Eisen mit Additiven
(etwa intermetallischen Verbindungen und Blei), um die Reibungseigenschaften
zu verbessern, und Kupferzusätzen,
um die Leitfähigkeit
zu verbessern, Schleifleisten aus porösem gesintertem Kupfer mit
Additiven (etwa intermetallischen Verbindungen und Blei), um zufriedenstellende
Reibungseigenschaften zu erhalten, und Schleifleisten aus faserverstärktem (aluminiumoxidfaserverstärktem) Aluminium,
die ihm zufriedenstellende Reibungseigenschaften verleihen. Diese
Schleifleisten haben jedoch eine geringe Festigkeit gegenüber dem
durch Lichtbögen
verursachten Abrieb, führen
bei dem ortsfesten Leiter zu einem erheblichen Verschleiß und haben – außer im Fall
der Aluminiumschleifleisten – ein
hohes Gewicht.
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Es
ist auch bekannt, Schleifleisten zu verwenden, die eine Verschleißleiste
auf der Basis von synthetischem Grafit, amorphem Kohlenstoff oder
einer Mischung aus diesen, eventuell kupfer- oder kupferlegierungsimprägniert,
um die elektrische Leitfähigkeit
zu verbessern, und eine metallische Trägerleiste für die mechanischen Funktionen
umfassen, denn die Leisten aus Kunstgrafit sind zu brüchig für eine alleinige
Verwendung. Die Herstellungskosten dieser Misch- bzw. Verbundleisten
sind generell höher
als die der im Wesentlichen metallischen Schleifleisten.
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Die
französische
Patentanmeldung
FR 2 736 595 (dem
amerikanischen Patent
US 5 657
842 entsprechend) beschreibt einen Fahrzeugstromaufnehmer
aus einem kohlenstofffaserverstärkten
Kohlenstoff-Verbundwerkstoff, der Siliciumkarbid enthält, um die
Festigkeit des Aufnehmers zu erhöhen
und seinen Verschleiß zu
reduzieren. Das Siliciumkarbid (SiC) wird durch physikalisch-chemische
Reaktion bei hoher Temperatur zwischen den Kohlenstofffasern und
dem flüssigen
Silicium erzeugt. Aufgrund der Größe der Fasern und der entsprechenden
entwickelten Oberfläche
verwandelt diese Reaktion einen großen Teil der Fasern in SiC,
was die elektrische Leitfähigkeit
des Material beträchtlich
reduziert. Diese Lösung
hat aufgrund des Vorhandenseins von SiC auch den Nachteil, den Abrieb
des Aufnehmers gegenüber
der Fahrleitung zu erhöhen.
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Infolgedessen
hat die Anmelderin eine Schleifleiste entwickelt, die eine höhere Lebensdauer,
eine höhere
Leitfähigkeit
und eine geringere Aggressivität
gegenüber
dem ortsfesten Leiter aufweist, die – vorzugsweise – keinen
Träger
benötigt
und die ermöglicht,
die Betriebskosten der Fahrzeuge zu reduzieren, die Schleifkontaktvorrichtungen
benutzen.
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Beschreibung
der Erfindung
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Der
Gegenstand der Erfindung ist eine Schleifleiste für Schleifkontaktvorrichtungen
wie etwa einen Scherenstromabnehmer, die eine Verschleißleiste
aus einem Verbundwerkstoff des Typs Kohlenstoff-Kohlenstoff (oder
C/C) umfasst, eventuell metallimprägniert, zum Beispiel mit Kupfer
oder einer kupferhaltigen Legierung (etwa Messing oder Bronze),
mit Aluminium oder einer Aluminiumlegierung oder mit Magnesium oder
einer Magnesiumlegierung.
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Die
Metallimprägnierung
ist vorteilhaft bei den sogenannten Niederspannungsanwendungen,
bei denen die Spannung unter etwa 3 kV liegt. Bei diesen Anwendungen
ist der Strom sehr stark und infolgedessen müssen die elektrische und die
thermische Leitfähigkeit
der Schleifleiste sehr hoch sein. Hingegen ist die Metallimprägnierung
bei den sogenannten Hochspannungsanwendungen nicht notwendig, bei
denen die typische Spannung über
10 kV liegt.
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Ein
C/C-Verbundwerkstoff ist ein festes Material, das Kohlenstofffasern
(oder ein "Fasersubstrat") enthält, eingebettet
in eine Kohlenstoffmatrix. Die Kohlenstofffasern sind zum Beispiel
Pechfasern, Ex-Polyacrylnitril-Fasern oder Ex-Viscose-Fasern. Diese
Fasern können
sich in verschiedenen Formen präsentieren,
zum Beispiel in Form von 2D- oder 3D-Geweben, von Unidirektionalgelegen
oder von Fasern mit zufälliger
bzw. regelloser Anordnung.
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Die
Kohlenstoffmatrix verbindet die Fasern oder Garne bzw. Strähnen miteinander.
Sie kann auf verschiedene Arten gewonnen werden, zum Beispiel durch
Pyrolyse einer durch CVD abgeschiedenen Kohlenstoffverbindung oder
durch Verkoksung (oder "Karbonisierung") nach Imprägnierung
oder intensiver Vermischung mit einem Pech oder einem Harz, etwa
einem Phenol- oder Furfurylharz, oder durch eine Kombination dieser
Methoden.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsart
der Erfindung besitzt der C/C-Verbundwerkstoff
eine texturierte dreidimensionale oder 3D-Form wie die, die aus
einem 3D- oder dreidimensionalen
oder quasi-dreidimensionalen Gewebe gewonnen wird, wie die, die
aus einem 2D-Gewebe mit Kohlenstoffbrücken zwischen den 2D-Ebenen
oder aus Unidirektionalgelegen mit Kohlenstoffbrücken zwischen den Schichten
oder eventuell aus Gelegen mit kurzen, regellos in Ebenen verteilten
aber im Wesentlichen längs
diesen ausgerichteten Garnen bzw. Strähnen mit Kohlenstoffbrücken zwischen
den Schichten gewonnen wird.
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Die
Anmelderin hat bei diesen Versuchen überraschenderweise festgestellt,
dass die bei den erfindungsgemäßen Leisten
festgestellte Erwärmung
deutlich geringer und gleichmäßiger ist
als bei den Leisten nach dem Stand der Technik.
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Die
Erfindung hat auch Schleifkontaktvorrichtungen zum Gegenstand wie
etwa die Scherenstromabnehmer, die Stangenstromabnehmer, die Stromschienen-Schleifstücke oder
die Schleifstücke
für industrielle Zwecke,
die wenigstens eine erfindungsgemäße Schleifleiste umfassen.
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Figuren
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Die 1 zeigt
einen Querschnitt einer typischen Scherenstromabnehmer-Schleifleiste 1 nach
dem Stand der Technik in Kontakt mit einer Fahrleitung 10.
Die dargestellte Leiste umfasst eine Verschleißleiste 2 und einen
Verstärkungsträger 4.
Der Verstärkungsträger 4 verbessert
die mechanische Festigkeit der Verschleißleiste 2, wenn diese
auf der Basis von Grafit, amorphem Kohlenstoff oder einer Mischung
aus diesen beiden hergestellt ist, und außerdem ermöglicht er, die Schleifleiste
auf dem Scherenstromabnehmer zu befestigen.
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Die 2 zeigt
einen Querschnitt einer typischen Schleifleiste 1 nach
dem Stand der Technik, versehen mit Einrichtungen 3 zur
Detektion von Schäden
und/oder Verschleiß.
Die 3 zeigt einen Querschnitt einer typischen Schleifleiste 1 nach
dem Stand der Technik mit elektrischen Verbindungseinrichtungen 5, 6.
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Die 4 zeigt
die Seitenansicht (a) und Draufsicht (b) einer typischen Schleifleiste 1 nach
dem Stand der Technik, die einen Verstärkungsträger (4) umfasst, der
sich über
die gesamte Länge
der Schleifleiste erstreckt.
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Die 5 zeigt
im Längsschnitt
Einrichtungen (7, 8, 11) zur Befestigung
der erfindungsgemäßen Schleifleiste
auf dem Scherenstromabnehmer 9.
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Die 6 illustriert
schematisch als Querschnitt die interne Struktur einer erfindungsgemäßen Schleifleiste.
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Die 7 illustriert
schematisch die bevorzugte Orientierung der 3D- oder quasi-3D-Textur der erfindungsgemäßen Schleifleiste
zum ortsfesten Leiter.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Schleifleiste 1,
bestimmt zur Stromabnahme bzw. -übertragung
von einem ortsfesten Leiter 10 wie etwa einer Boden-Stromschiene,
einer Oberleitung oder einer Fahrleitung zu einem stehenden oder
fahrenden Fahrzeug, umfasst ein Verschleißleiste 2 und ist
dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißleiste 2 ganz oder
teilweise aus einem Verbundwerkstoff des Typs Kohlenstoff/Kohlenstoff
(C/C) ist, eventuell metallimprägniert,
zum Beispiel mit Kupfer oder einer kupferhaltigen Legierung (etwa
Messing oder Bronze), mit Aluminium oder einer Aluminiumlegierung
oder Magnesium oder einer Magnesiumlegierung.
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Die
Form der Schleifleiste oder der Verschleißleiste ist meist länglich,
kann aber auch andere Formen haben.
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Die
Art des Fasersubstrats bestimmt die Struktur des C/C-Verbundwerkstoffs.
Die Textur ist sozusagen "fein" wenn das Fasersubstrat,
das im Allgemeinen komprimiert ist, durch eine Matte aus einzelnen
Fasern oder einen Filz gebildet wird, mit einer gleichmäßigen und
zufälligen
Verteilung der einzelnen Fasern, die eventuell auf kurze Längen geschnitten
sind (< 0,5 mm).
In diesem Fall ist das Substrat so fein verteilt, dass es praktisch
keine kubischen Volumenelemente mit Abmessungen größer als
oder gleich 100 μm × 100 μm × 100 μm gibt, die
keine Kohlenstofffaser enthalten, egal ob im Innern des Substrats
im komprimierten Zustand oder im fertigen Verbundwerkstoff.
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Die
Kohlenstoffmatrix kann man durch verschiedene Techniken gewinnen,
etwa durch Infiltration, Imprägnierung
oder intensive Mischung einer kohlenstoffreichen Lösung, etwa
einem Pech oder einem Phenolharz, die anschließend verkokt wird, wobei um
die Fasern herum ein Kohlenstoffskelett zurückbleibt, also ein verkokter
Niederschlag, und diese Operation so oft als notwendig wiederholt
wird (typisch 3 oder 4 mal), durch Infiltration eines kohlenstoffreichen
Gases unter thermodynamischen Bedingungen, die das Kracken des Gases
begünstigen,
so dass auf den Fasern eine Pyrokohlenstoffabscheidung bildet, oder
durch eine Kombination dieser Techniken. Erfindungsgemäß ist es
vorzuziehen, die Kohlenstoffmatrix mittel CVD (oder Pyrokohlenstoffabscheidung)
auszubilden, um eine gleichmäßigere Abscheidung
zu erhalten und Unterbrechungen bzw. Risse der Verbindungen zwischen
den Fasern zu vermeiden, die auftreten können, wenn die Matrix durch Imprägnierung
gewonnen wird (wobei diese Risse durch das Schrumpfen des Imprägnierungsprodukts
während
der Verkokung verursacht werden). Die Verdichtung während der
Dampfphasenabscheidung hat übrigens den
Vorteil, eine sogenannte "Pyrokohlenstoffabscheidung" zu erzeugen, die
sehr orientiert und folglich grafitierbar ist, und die fähig ist,
Elektrizität
und Wärme
auch ohne Grafitierung gut zu leiten.
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Die
Restporosität
des Verbundwerkstoffs ohne Metall, das heißt die für eine Imprägnierung verfügbare Porosität des Verbundwerkstoffs
vor der eventuellen Metallimprägnierung,
beträgt
bevorzugt zwischen etwa 5 und 50 % und besonders bevorzugt zwischen
etwa 5 und 35 % (wobei die Quantität des in dem Verbundwerkstoff
enthaltenen Metalls dann jeweils ungefähr zwischen 5 und 80 Gew.%
und zwischen 5 und 50 Gew.% enthalten ist). Wie die weiter unten
präsentierten
Versuche zeigen, führt
eine Restporosität
von mehr als ungefähr 50
% zu einem hohen Verschleißgrad,
wenn der Grafitierungsgrad sehr niedrig ist (Fall E-2). Der C/C-Verbundwerkstoff
kann auf diese bzw. auf seine Porosität gebracht werden durch eine
Verdichtungsbehandlung mit einem Naß- oder einem Gasverfahren
oder einer Kombination von beidem. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die
Verdichtung nur mit dem Gasverfahren zu realisieren.
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Es
hat sich als sehr vorteilhaft erwiesen, wenn das genannte Fasersubstrat
eine grobe Textur mit großen
Hohlräumen
aufweist, das heißt
deren Querschnitt wenigstens etwa 0,1 mm2 beträgt. Eine
solche Textur erleichtert insbesondere die Verdichtung des Verbundwerkstoffs
und – wenn
notwendig – die
Metallimprägnierung
des Verbundwerkstoffs.
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Bei
einer bevorzugten Realisierungsart der Erfindung, umfasst der C/C-Verbundwerkstoff
ein Fasersubstrat (21, 22, 23) auf der
Basis von Kohlenstofffasern, die der Verstärkung dienen, und eine Kohlenstoffmatrix
(211, 221, 231), und ist dadurch gekennzeichnet:
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a)
dass das genannte Fasersubstrat im Wesentlichen parallele 2D-Schichten
(21, 22) umfasst, die eine grobe Textur mit großen Hohlräumen (24)
definiert, das heißt
deren Querschnitt bevorzugt wenigstens etwa 0,1 mm2 beträgt, und
Kohlenstoffbrücken
(23) umfasst, welche die genannten großen Hohlräume durchqueren;
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b)
dass die genannte Matrix wenigstens eine das genannte Fasersubstrat
umhüllende
Kohlenstoffschicht (211, 221, 231) umfasst.
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Die
Kohlenstoffbrücken,
welche die genannten großen
Hohlräume
unterteilen, sind zwischen 10 und 100 μm dick und führen zur Bildung von Hohlräumen mit
kleineren Dimensionen, lassen aber bevorzugt die von den großen Hohlräumen stammende
grobe Textur des Verbundwerkstoffs bestehen.
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Die
Hüllschicht
oder die Hüllschichten 211, 221, 231 verleihen
dem Fasersubstrat eine starke Kohäsion und erleichtern den Durchgang
des Stroms zwischen den Fasern und zwischen den Garnen bzw. Strähnen.
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Die
Hüllschicht
oder die Hüllschichten
können
gewonnen werden durch Imprägnierung
mit einem Harz, gefolgt von einer Verkokungsoperation. Sie werden
bevorzugt durch Gasphasenpyrolyse gewonnen, um eine Grafitierung
der Kohlenstoffverbindungen zwischen den Fasern zu ermöglichen.
Es ist auch möglich – mittels
der einen oder der anderen dieser Methoden oder durch eine Kombination
von beiden – mehrere
Hüllschichten
auszubilden.
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Die
Kohlenstoffhüllschichten
haben eine typische Gesamtdicke zwischen 2 und 100 μm und bevorzugt zwischen
5 und 30 μm.
Die Brücken
haben eine typische Länge
von 5 bis 100 μm
und eine Dicke von 5 bis 100 μm.
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Die
Brücken 23 werden
bevorzugt durch Vernadelung gewonnen, was ermöglicht, das Verfahren zu vereinfachen
und die Diffusion des Gases oder die Imprägnierung bei der Ausbildung
der Matrix zu begünstigen.
Die Vernadelung ist vorzugsweise mäßig, das heißt, dass
nur ungefähr
10 % der Fasern abgelenkt werden, was ermöglicht, die Vorteile der groben
Textur beizubehalten. Die Brücken
können
eventuell durch Karbonisierung eines kohlenstoffreichen Harzes gewonnen
werden oder von der 3D-Struktur des Fasersubstrats selbst stammen.
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Die
Gelege können
durch regellos in Schichten angeordnete und bevorzugt im Wesentlichen
in der Richtung dieser Schichten orientierte Fasern gebildet werden
(zum Beispiel durch Kompression). Die besten Resultate erzielt man
jedoch mit einem Fasersubstrat, das hauptsächlich durch Gewebe aus Endlosfasern
gebildet wird. Es hat sich als sehr vorteilhaft erwiesen, die Struktur
der dreidimensionalen oder quasi-dreidimensionalen Textur in Bezug
auf den ortsfesten Leiter zu orientieren, bevorzugt so, das die
Ebenen, Schichten oder Gelege der Struktur quer zum ortsfesten Leiter
liegen.
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Bei
der bevorzugten Realisierungsart der Erfindung folgt auf den Brückenausbildungsschritt
ein komplementärer
Abscheidungsschritt einer Hüllschicht
durch Gasphasenpyrolyse. Die Pyrokohlenstoffschicht (211, 221, 231),
die eine partielle Verdichtung erzeugt, überzieht die Fasern des Fasersubstrats
und die Brücken
so, dass die Fasern und die Brücken
sowohl einen Zentralteil (210, 220, 230),
der generell unorentiert ist und der vor allem eine mechanische
Kohäsionsfunktion
des Verbundwerkstoffs erfüllt,
und einen Oberflächenteil
(211, 221, 231) umfassen, der im Wesentlichen
orientiert ist, die Kohäsionsfunktion
vervollständigt
und die elektrische und die thermische Leitfähigkeit deutlich erhöht.
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Infolge
der partiellen Verdichtung des Substrats in der Gasphase erhält man Hüllschichten
aus Pyrokohlenstoff mit einer Dicke zwischen 2 und 100 μm.
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Die
genannten Kohlenstoffbrücken
können
die Form von transversalen Wänden
(oder Schalen bzw. Hüllen
(voiles)) oder von Filamenten (oder Säulen) aus Kohlenstoff aufweisen,
welche die genannten großen Hohlräume durchqueren.
Nach Imprägnierung
durch ein Harz oder ein Pech und Karbonisierung stellt man kleine
Kohlenstoffpartikel fest.
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Das
so gewonnene Material hat eine typische offene Porosität von 15
bis 30 % des C/C-Verbundwerkstoffs.
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Es
ist manchmal vorteilhaft, einen dichteren C/C-Verbundwerkstoff zu
verwenden, wobei die genannte Matrix auch Kohlenstoffpartikel umfassen
kann, die in den genannten Hohlräumen
enthalten und durch Imprägnierung
mit Pech oder Harz mit hohem Kohlenstoffgehalt und dann Karbonisierung
erzeugt werden. Im Allgemeinen enthalten die Hohlräume Kohlenstoffpartikel,
die nicht oder kaum an den Wänden
der genannten Hohlräume
haften. Ein solches erfindungsgemäßes Material hat die folgende
volumenbezogene Zusammensetzung: Fasersubstrat zwischen 20 und 40
%; Pyrokohlenstoffhülle
zwischen 40 und 60 %; Pyrokohlenstoff- oder Kohlenstoffwände zwischen
1 und 4 %; Kohlenstoffpartikel zwischen 10 und 17 %; Restporosität zwischen
5 und 15 %.
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Nach
der Erfindung werden die genannten 2D-Schichten des Fasersubstrats
mit grober Textur bevorzugt durch Garne aus Kohlstofffasern gebildet,
die mehr als 1000 Filamente in Form von Geweben umfassen, wobei
die Gamüberkreuzungen
oder ihre Stapelung zu Hohlräumen
mit Querschnitten von wenigstens gleich 0,1 mm2 führen. Die
Verwendung von Geweben ist dadurch besonders vorteilhaft, dass sie
zu einer großen Kontinuität des Fasersubstrats
führt,
was die elektrischen und thermischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs
verbessert. Es ist auch möglich – aber weniger
vorteilhaft – Garne
aus Kohlenstoff zu verwenden, die ebenfalls mehr als 1000 Filamente
umfassen, aber mit einer Länge
von mehr als 3 mm geschnitten und zufällig verteilt sind.
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Bei
der bevorzugten Realisierungsart der Erfindung werden die 2D-Schichten
durch Kohlenstofffasergame gebildet und die Brücken durch Vernadelung. Die
Brücken,
die sich in Form von Filamenten präsentieren, werden dann durch
Fasern gebildet, die aus Garnen extrahiert und in einer zu den 2D-Schichten
im Wesentlichen rechtwinkligen Richtung abgelenkt werden und die
Hohlräume
und die Nachbargarne durchqueren. Die Hüllschicht oder Hüllschichten 211, 221, 231 überziehen
die Fasern 210, 220 und die abgelenkten Fasern 230,
welche die genannten Brücken
bilden. Es ist besonders vorteilhaft, wenn wenigstens eine Hüllschicht durch
eine Pyrokohlenstoffabscheidung gebildet wird.
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Der
erfindungsgemäße Verbundwerkstoff
besitzt vorzugsweise einen kristallinen Organisationsgrad, der dem
des Grafits nahe kommt, das heißt
dass er einen Grafitierungsindex besitzt, der bevorzugt größer als oder
gleich 0,4 ist. Eine solche Organisation kann man durch eine thermische
Behandlung des C/C-Verbundwerkstoffs mit Temperaturen gleich oder
größer als
2200°C erzielen.
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Die
erfindungsgemäße Schleifleiste
kann durch ein Verfahren hergestellt werden, das folgende Schritte
umfasst:
- a) man gibt die Elemente des Fasersubstrats
(etwa 2D-Gewebeschichten) in eine Form;
- b) man komprimiert das Fasersubstrat so, dass man einen Volumenanteil
des Substrats zwischen 20 und 40 % erhält. Die Kompression orientiert
gegebenenfalls die kurzen Fasern entsprechend Ebenen, die im Wesentlichen
quer zur Kompressionsachse liegen;
- c) man bildet Brücken
im Innern der genannten großen
Hohlräume
des genannten C/C-Verbundwerkstoffs, welche
die entgegengesetzten Flächen
der genannten Hohlräume
verbinden, um einen C/C-Verbundwerkstoff zu erhalten, der kleine
Hohlräume
umfasst, teilweise abgegrenzt durch Brücken und mit offener Porosität;
- d) man bildet wenigstens eine Hüllschicht, bevorzugt durch
Pyrokohlenstoffabscheidung auf dem genannten Fasersubstrat, um Pyrokohlenstoffschichten
auszubilden, die das Fasersubstrat umhüllen, und um so eine starke
Kohäsion
des Fasersubstrats zu erzielen und einen C/C-Verbundwerkstoff zu
gewinnen, dessen Pyrokohlenstoff-Volumenanteil zwischen 40 und 60
% enthalten ist und der große
längliche
Hohlräume
umfasst, mit offener Porosität;
e) eventuell verdichtet man den C/C-Verbundwerkstoff durch Kohlenstoffabscheidung
auf den genannten Brücken
und der (den) Hüllschicht(en)
mit einem zwischen 1 und 4 % enthaltenen Volumenanteil, um einen
steifen C/C-Verbundwerkstoff zu gewinnen, mit offener Porosität, enthalten zwischen
15 und 35 Vol%.
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Die
Brücken
gewinnt man bevorzugt durch Vernadelung des Fasersubstrats nach
bekannten Techniken. Es ist eventuell möglich, die Vernadelung vorteilhaft
mit der Bildung von sekundären
Brücken
in Form von Wänden
oder Filamenten durch die weiter oben beschriebenen thermochemischen
Methoden zu kombinieren.
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Man
kann eventuell Brücken
in Form von Filamenten durch Imprägnierung des Fasersubstrats
mit einer verdünnten
Lösung
eines kohlenstoffreichen Harzes bilden, vorzugsweise einer wässrigen
Lösung,
Polymerisierung derselben und dann Karbonisierung des polymerisierten
Harzes.
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Nach
einer anderen Variante kann man Brücken in Form von Wänden (oder
Schalen bzw. Hüllen (voiles))
durch Imprägnierung
des C/C-Verbundwerkstoffs mit einer flüssigen, bevorzugt wässrigen
Lösung
eines filmbildenden Materials bilden, um Wände mit einer typischen Dicke
unter 1 μm
auszubilden. Das filmbildende Material wird ausgewählt unter
den organischen polymeren Materialien natürlichen oder synthetischen Ursprungs
und vorzugsweise wasserlöslich.
Vorzugsweise wählt
aus unter dem Amidon, den Proteinen, dem Agar-Agar, dem Polyvinylalkohol,
den kohlenstoffreichen wasserlöslichen
Harzen.
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Vorzugsweise
verdichtet man den C/C-Verbundwerkstoff durch Pyrokohlenstoffabscheidung
auf den genannten Brücken,
um Filamente oder Wände
mit einer Dicke zwischen 10 und 100 μm und spezifischer zwischen
10 und 60 μm
zu erhalten, die sich fest mit der (oder den) Schichten) verbinden,
die das Fasersubstrat umhüllt
(umhüllen).
Die Verdichtung durch Pyrokohlenstoffabscheidung führt zu einer
Verdickung der Brücken, welche
die elektrische und thermische Leitfähigkeit des C/C-Verbundwerkstoffs
erhöht.
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Man
kann auch verdichten durch Kohlenstoffabscheidung auf den genannten
Schalen bzw. Hüllen (voiles),
indem man das genannte Fasersubstrat, gebildet durch kleine Hohlräume, mit
einer verdünnten
Lösung
eines kohlenstoffreichen Harzes imprägniert und nach Eliminierung
des Lösungsmittels
das Harz karbonisiert, um Brücken
mit einer Dicke zwischen 5 und 50 μm zu gewinnen, die wenig an
den das Fasersubstrat umhüllenden
Pyrokohlenstoffschichten haften.
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Es
ist auch möglich,
C/C-Verbundwerkstoff durch Imprägnierung
mit Pech oder einem kohlenstoffreichen Harz zu verdichten, mit anschließender Karbonisierung.
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Je
nach Anwendung, insbesondere wenn die Benutzungsbedingungen die
Temperatur des Oberflächenbereichs
der Leiste während
eines relativ langen Zeitraums über
600 °C erwärmen, kann
man den vorhergehend gewonnenen steifen und dichten C/C-Verbundwerkstoff
einer Grafitierungsbehandlung unterziehen.
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Die
Metallimprägnierung
kann realisiert werden durch Infiltration von flüssigem Metall in die Restporosität des C/C-Verbundwerkstoffs,
das heißt,
in die nach der Aufbauphase der Kohlenstoffmatrix des Verbundwerkstoffs
offen gebliebenen Poren, und durch Erstarrung des infiltrierten
Metalls. Die Infiltration erfolgt generell in einem Autoklav unter
hohen Drücken
(typisch 20 bis 200 bar), um eine gute Infiltration des flüssigen Metalls
in die Poren zu gewährleisten.
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Der
C/C-Verbundwerkstoff der Verschleißleiste kann nach einer eventuellen
Metallimprägnierung wenn
notwendig ebenfalls mit einem flüssigen
Endfertigungsprodukt imprägniert
werden, etwa einem Polymer (das insbesondere ermöglicht, nach der Polymerisation
seine mechanischen Eigenschaften zu erhöhen) oder einer organischen
Verbindung (etwa einem Pech, einem Teer oder einem Öl, das insbesondere
ermöglicht,
ihn hydrophob zu machen oder die Reibung zu begrenzen). Das Endfertigungsprodukt
füllt die
Restporosität
ganz oder teilweise.
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Die
erfindungsgemäße Schleifleiste 1 umfasst
einen Träger 4,
versehen mit Befestigungseinrichtungen 6 zum Befestigen
der Leiste auf einer Schleifkontaktvorrichtung. Aufgrund der mechanischen
Eigenschaften der Verschleißleiste 2 kann
die Schleifleiste 1 selbsttragend sein, das heißt, dass
sie keinen Verstärkungsträger 4 umfasst,
was ermöglicht,
die Stromabnahmevorrichtungen einfacher und leichter zu machen.
Im Falle der Scherenstromabnehmer kann die erfindungsgemäße Schleifleiste
dann direkt auf dem Scherenstromabnehmer 9 befestigt werden,
wie in der 5 dargestellt, wo sie mit Hilfe
der Befestigungseinrichtungen 7 und 8 befestigt
ist, nämlich
einem Befestigungsflansch 7 und Schrauben oder Bolzen 8 sowie
eventuell, wie dargestellt in der 5b),
einer Einfügung 11 des
Schwalbenschwanztyps zur Kooperation der Verschleißleiste 2 und
des Befestigungsflansches 7.
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Die
erfindungsgemäße Schleifleiste 1 kann
Einrichtungen 3 zur Detektion von Beschädigungen und/oder der Abnützung der
Schleifleiste umfassen. Sie kann auch elektrische Verbindungseinrichtungen 5, 6 umfassen,
etwa ein in die Verschleißleiste 2 eingebettetes
elektrisches Kabel 5 oder eine metallische Lasche 6.
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Die
erfindungsgemäße Schleifleiste
wird vorteilhaft in Schleifkontaktvorrichtungen wie Scherenstromabnehmern,
Stangenstromabnehmern, Schleifstücken
für Stromschienen
und Schleifstücken
für die
Industrie verwendet.
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Vergleichende
Versuche
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Es
wurden mehrere erfindungsgemäße Schleifleisten
aus C/C-Verbundwerkstoff, kupferimprägniert oder nicht, untersucht,
um ihre Eigenschaften mit – denen
der kupferimprägnierten
Grafitschleifleisten nach dem Stand der Technik zu vergleichen.
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Die
Tabelle I liefert für
jede Familie die Struktur und das Verdichtungsverfahren der für diese
Versuche hergestellten erfindungsgemäßen Schleifleisten.
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Die
Architektur A1 entspricht gestapelten und miteinander vernadelten
Kohlenstofffasermatten, die ein Substrat der zufälligen Art mit einem Faservolumenanteil
von 16 % bilden. Die Architektur A2 entspricht Geweben aus Endloskohlenstofffasern,
vorimprägniert,
gestapelt und miteinander komprimiert, wobei der Volumenanteil der
Fasern 40 % beträgt.
Die Architektur A3 entspricht gestapelten und miteinander vernadelten
Geweben aus Endloskohlenstofffasern mit einem Volumenanteil der
Fasern von 15 %. Die Architektur A4 entspricht Geweben aus geschnittenen
und gezwirnten Kohlenstofffasern, gestapelt und miteinander vernadelt, mit
einem Faservolumenanteil von 15 %.
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Das
Verdichtungsverfahren D1 entspricht nur einem Nassverfahren. Das
Verfahren D2 entspricht einer Verdichtung nur durch ein Gasverfahren.
Das Verfahren D3 entspricht einem Gasverdichtungsverfahren, gefolgt
von einem Nassverdichtungsverfahren.
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Jede
Schleifleisten-Familie umfasst ein Schleifband oder mehrere Schleifbänder, die
vor der Kupferimprägnierung
einem bestimmten Grad der Verdichtung (charakterisiert durch die
vor der Imprägnierung
vorhandene Restporosität)
und der Grafitierung (charakterisiert durch die Temperaturen der
thermischen Behandlung nach der Verdichtung) unterzogen wurden.
Die Familie E umfasst 6 Leisten, die unterschiedlichen Verdichtungs-
und Grafitierungsgraden entsprechen.
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Alle
Leisten wurden mit Kupfer imprägniert,
außer
den Leisten E-5 und E-6, die nicht mit Metall imprägniert worden
sind. Die Kupferimprägnierung
wurde für
alle untersuchten Leisten nach demselben Verfahren durchgeführt, nämlich einer
Erwärmung
der Leisten unter Vakuum bis auf eine Temperatur von 1200 °C, gefolgt von
einem Eintauchen in ein Bad aus flüssigem Kupfer (unter einem
auf der Oberfläche
des Imprägnierungsbades
lastenden Druck von 140 bar), dann Entnahme der Leisten aus dem
Bad und Abkühlung
der Leisten unter einem Stickstoffdruck von 100 bar.
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Die
Tabelle II liefert die Werte der Fabnkationsparameter für jede Familie:
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Die
erfindungsgemäßen Leisten
wurden Schleiftests unter folgenden Bedingungen unterzogen: einer Anpresskraft
5,6 daN, einer Stromstärke
200 A/cm (linear), einer Geschwindigkeit von 15 km/h, um so eine Fahrleitungsabtastung
bei ungefähr
300 km/h zu simulieren. Die Texturebenen der quasi-dreidimensionalen Textur
der Leisten lagen quer zu der Fahrleitung.
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Die
Tabelle III liefert Versuchsresultate von erfindungsgemäßen Leisten
und vergleicht sie mit dem typischen Wert einer grafitimprägnierten
Schleifleiste nach dem Stand der Technik, wie sie in mehreren europäischen Eisenbahnnetzen
verwendet wird. Die elektrische Resistivität wurde mit der 4-Punkt-Methode
gemessen.
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Die
Schlagfestigkeitsresultate zeigen, dass die erfindungsgemäßen Leisten
deutlich weniger fragil sind als die nach dem Stand der Technik
auf der Basis von kupferimprägniertem
Grafiit, das heißt,
dass die erfindungsgemäßen Leisten
eine ausreichende Schlagfestigkeit haben, um nicht wegen jedem kleinen
Anriss zu brechen. Die Resultate dieser Versuche zeigen auch, dass
die Produkte auf der Basis von kupferimprägnierten C/C-Werkstoffen niedrigere
Verschleißgrade
aufweisen als die nach dem Stand der Technik auf der Basis von kupferimprägniertem
Grafit (die mehr und mehr den im Wesentlichen metallischen Schleifleisten
bevorzugt werden).
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Die
Versuche, welche die Stromabnahme bei Stillstand simulieren (mit
einer Stromstärke
von 140 A/cm linear über
eine Leiste mit einer Breite von 50 mm), haben gezeigt, dass die
Fahrleitung sich mit den erfindungsgemäßen C/C-Verbundwerkstoffleisten
deutlich weniger erwärmen
als mit den Kohlenstoffleisten nach dem Stand der Technik. Mit den
erfindungsgemäßen Leisten
stabilisierte sich die gemessene Temperatur schnell (in weniger
als einer halben Stunde) auf einen typischen Wert von 40 °C, während sich
die Temperatur mit den Leisten nach dem Stand der Technik innerhalb
von 10 Minuten auf Werte über
110 °C erhöhte. Für die Anmelderin
resultiert dieser Unterschied aus dem Vorhandensein von großen im Wesentlichen
endlosen Fasern in dem Verbundwerkstoff und von Brücken zwischen
den Fasern.
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Die
Versuche auf der Simulationsbank, wo eine Abtastung bei hoher Geschwindigkeit
(ungefähr
300 km/h) simuliert werden, haben gezeigt, dass die erfindungsgemäßen Scherenstromabnehmer
sich weniger verschleißen
als die Scherenstromabnehmer nach dem Stand der Technik, wenn die
Stromstärke
sehr hohe Werte erreicht. Die Abnützung betrug bei den Scherenstromabnehmern
nach dem Stand der Technik typisch 12 bis 16 mm/100 km, während sie
bei den erfindungsgemäßen Leisten
aus C/C-Verbundwerkstoff
(nicht-metallimprägniert)
0,3 mm/100 km betrug und bei den erfindungsgemäßen Leisten aus kupferimprägniertem C/C-Verbundwerkstoff
1,13 mm/100 km. Bei einer Extrapolation der Resultate hätte die
Version E mit einer sehr hohen Verdichtung durch Pyrokohlenstoffabscheidung
und mit einer Restporosität
gegen 10 % eine exzellente Lebensdauer und würde ermöglichen, auf eine Metallimprägnierung
zu verzichten.
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Die
Anmelderin hat festgestellt, dass die Verbindungen zwischen den
2D-Schichten der
quasi-3D-Textur, hergestellt durch Brücken zwischen den genannten
2D-Schichten, relativ
locker bzw. lose sind, aber einen exzellenten Widerstand gegen die
Schichtenaufblätterung
bilden und dabei im Wesentlichen physische 3D-Eigenschaften beibehalten,
etwa die praktisch isotropen elektrischen und thermischen Leitfähigkeiten.
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Die
Anmelderin hat festgestellt, dass diese Verbindungen zu einer Porosität führen, welche
die Herstellung eines Imprägniermetallgitters
ermöglicht,
das – wie
die Beispiele zeigen – einen
sehr geringen Abnützungsgrad
gewährleistet.
Das Imprägniermetallgitter
füllt die
Poren zwischen etwa 10 und 20 μm
zu ungefähr 30
bis 40 % in Bezug auf das Porenvolumen, wobei das restliche Porenvolumen
nach der Metallimprägnierung ungefähr 30 bis
35 % beträgt.
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Die
Anmelderin hat auch bemerkt, dass erstaunlicherweise die Metallimprägnierung
der erfindungsgemäßen Scherenstromabnehmer
bei den Niederspannungsanwendungen überflüssig sein kann, insbesondere dann,
wenn die partielle Verdichtung durch Gasphasenpyrolyse gewonnen
wird (das heißt,
wenn die Umhüllung
der Fasern auf der Basis von Pyrokohlenstoff erfolgt).
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Vorteile der Erfindung
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Die
erfindungsgemäßen Schleifleisten
ermöglichen,
die Betriebskosten zu senken, da sich die Abnützung pro km um einem Faktor
reduziert, der bis zu 20 oder mehr betragen kann.
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Die
erfindungsgemäßen Schleifleisten
haben auch den Vorteil einer größeren Betriebssicherheit
als die Leisten nach dem Stand der Technik aus imprägniertem
Grafit, da sie mechanische Stöße bzw.
Schläge aushalten
ohne zu brechen.
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Die
erfindungsgemäßen Schleifleisten
ermöglichen
außerdem,
die an den Scherenstromabnehmern befestigten Stromabnahmevorrichtungen
einfacher und leichter zu machen, indem man die Metallträger, die zur
Unterstützung
der fragilen Grafitprodukte nach dem Stand der Technik notwendig
sind, reduziert oder sogar eliminiert.
