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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
Artikeln in härtbarem
Metallwerkstoff. Die Erfindung betrifft außerdem einen Herstellungsprozess
und eine Produktionslinie.
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Gegenwärtig sind
viele Strukturartikel Produkte, die in Form von oder basierend auf
Komponenten, Details und/oder Rohlingen hergestellt werden, die
in einem Werkstoff gefertigt werden, der auf verschiedene Weise
verarbeitet und geformt werden kann und danach durch Erwärmen und
nachfolgendes Abschrecken gehärtet
werden kann. Die verwendeten Werkstoffe sind in der Hauptsache Eisen-
und Stahllegierungen oder andere Metalle. Wenn der Artikel nach
dem Formen einen offenen Querschnitt hat, dann stellt der Härtungsprozess,
der das Erwärmen
und Abschrecken umfasst, eine große Beanspruchung für den Artikel
dar. In dem Werkstoff entsteht häufig
Druck und dieser verursacht Deformationen, die schwer zu reduzieren
sind. Gegenwärtig muss
der gehärtete
Artikel mit offenem Querschnitt häufig gerichtet oder auf eine
andere geeignete Weise umgeformt werden, damit er verwendet werden kann.
Wenn die Toleranzen für
die Form eng sind, führt
dies zu vielen gehärteten
Artikeln, die als zweitklassige Produkte ausrangiert oder vernichtet
werden.
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Wenn
das Erwärmen
in einer Anordnung stattfindet, die einen Induktor beinhaltet, und
die Artikel einen offenen Querschnitt haben, dann ist die Wärmeverteilung
in den Artikeln nicht optimal. Dies wiederum führt zu einer ungleichmäßigen Verteilung der
Härtungstemperatur
[hardenature] in jedem Artikel, was dazu führt, dass weitere Risiken der
Materialbeanspruchung entstehen.
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Erreichung eines
Verfahrens zur Herstellung von Artikeln in einem härtbaren
Werkstoff, das unter anderem die vorgenannten Probleme löst. Das
Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung umfassend die Charakteristika, die in Anspruch 1 spezifiziert
sind. Die Erfindung betrifft außerdem
einen Herstellungsprozess, der die in Anspruch 6 spezifizierten Charakteristika
umfasst, und eine Produktionslinie gemäß Anspruch 9.
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Im
Mittelpunkt des Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung steht, dass Artikel mit offenem Querschnitt beim Härten vermieden
werden. Dies ist möglich,
indem ein Werkstück
mit einem geschlossenen Querschnitt vor dem Härten hergestellt und geformt
wird, das Werkstück
mit dem geschlossenen Querschnitt gehärtet wird, und nach dem Härten das
Werkstück
in Teile mit offenem Querschnitt geteilt wird, die geformt und gehärtet worden
sind. Aus diesen Teilen erhält
man die gehärteten
Artikel mit der gewünschten
Form. Das Werkstück
mit seinem geschlossenen Querschnitt ist relativ stabil und seine
Form verändert
sich beim Härten
nicht in demselben Maß wie
ein offenes Profil. Ein Werkstück
mit geschlossenem Querschnitt erleichtert auch die Verteilung der
Wärme in
dem gesamten Material während
der Induktionserwärmung,
was das Härten
weiter verbessert.
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Das
Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf einige Ausführungsbeispiele
beschrieben, die in den angefügten
Figuren gezeigt werden. Artikel und Teile mit derselben Bezeichnung
und Funktion, die in verschiedenen Objekten enthalten sind, haben
dieselbe Referenzbezeichnung erhalten, aber mit einem Suffix zur
Identifizierung des speziellen Objekts, zu welchem sie gehören.
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1 stellt
einen Prozess zur Herstellung von Artikeln in einem härtbaren
Werkstoff schematisch dar, wobei das Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung angewendet wird.
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2 stellt
eine perspektivische Ansicht eines geformten Teilelements dar.
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3 stellt
eine Endansicht von zwei Teilelementen dar, die zusammengesetzt
und verbunden worden sind, damit ein Werkstück für das Härten gebildet wird.
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4 stellt
eine Endansicht eines weiteren geformten Teilelements dar.
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5 stellt
eine Endansicht eines Teilelements dar, das geknickt und zu einer
Form verbunden wurde, die in 4 gezeigt
wird, und dadurch ein Werkstück
für das
Härten
bildet.
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Das
Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung kann als ein Teil, oder eigentlich als mehrere Teile,
eines Herstellungsprozesses integriert werden (siehe 1).
Ein derartiger Herstellungsprozess kann sehr wohl einen Formungsschritt
A, einen Verbindungsschritt B, einen Härtungsschritt C und einen Trennungsschritt
D beinhalten. Der Härtungsschritt
C umfasst normalerweise einen Erwärmungsschritt C1 und
einen Abkühlungsschritt
C2.
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Der
Herstellungsprozess kann in die Schritte A–D in deutlich verschiedenen
Arbeitsstationen unterteilt werden. Bestimmte Schritte sind derart
unabhängig
vom vorhergehenden und/oder nachfolgenden Schritt, dass die in diesen
Schritten ausgeführte Arbeit
an einem anderen Ort und zu einer anderen Zeit ausgeführt werden
kann. Alle oder einige der Schritte A–D in dem Herstellungsprozess
können
in der Verknüpfung
auch eine kontinuierlichere Bandfertigung (line production) bilden.
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Jeder
Prozessschritt erfordert wenigstens eine spezifische Anordnung für die Arbeit/Verarbeitung,
die bei jedem Schritt auszuführen
ist. Die Arbeit, die in mehreren Prozessschritten ausgeführt wird,
kann in derselben Anordnung ausgeführt werden, wenn es möglich ist,
mehrere Funktionen in einer Anordnung zu koordinieren. Es wäre zweckmäßig, die
Prozessschritte in Reihe anzuordnen, wenn die Produktion automatisiert
werden soll. Die Anordnungen, die dieses Verfahren in dem Herstellungsprozess
ermöglichen,
bilden eine Produktionslinie.
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Die
Produktion basiert auf Rohlingen 1 (siehe 1),
die maschinell hergestellt, geformt und durch Erwärmen und
Abschrecken gehärtet
werden können,
vorzugsweise Eisen- und Stahllegierungen oder andere Metalle. Die
Rohlinge 1 weisen eine Größe und Form auf, die für das gewählte Verfahren der
Formung und die zugeordneten Mittel zum Formen geeignet ist. Die
Rohlinge 1 liegen in Form von Platten oder Streifen vor.
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Der
erste Arbeitsgang für
den Erhalt eines Werkstücks
mit geschlossenem Querschnitt ist das Formen der Rohlinge 1 in
dem Formungsschritt A in die Teilelemente 2. Wenn die Rohlinge 1 als
Metallplatte vorliegen, werden sie den Mitteln zum Formen zugeführt oder
in diese platziert. Vor dem Formen A haben die Platten eine Breite
und Länge,
die zu einem Teilelement 2 mit den festgelegten und erforderlichen
Abmessungen nach dem Formen A führt. Wenn
die Rohlinge 1 als Metallstreifen vorliegen, können sie
vor dem Formen A entweder in Platten geschnitten werden oder ein
kontinuierlich zugeführter
geformter Abschnitt des Streifens kann nach dem Formen A in geeignete
Längen
geschnitten werden. Das Formen findet in einem Walzwerk statt. Das Walzformen
kann durch ein anderes Verfahren der Formung, wie beispielsweise
Pressen, ergänzt
oder ersetzt werden. Die Ausführung
der Mittel zum Formen ist vorher bekannt und wird hier nicht detailliert beschrieben
und wird auch in den Figuren nicht im Detail gezeigt.
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Jedes
Teilelement 2 hat drei Abmessungen mit einer Länge l, einer
Breite b und einer Höhe
h (siehe 2). Das Teilelement 2 ist
vornehmlich kontinuierlich mit einer Länge l, die größer als
sowohl die Breite b als auch die Höhe h ist. Das Verhältnis von Breite
b und Höhe
h ist optional. Es sind jedoch andere Verhältnisse zwischen den Längen der
Seiten möglich.
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Jedes
Teilelement 2 weist zwei Flansche 3 auf, die längs verlaufen
und die äußeren Teile
des Teilelements bilden. Jeder Flansch 3 ist vornehmlich flach
oder weist flache Bereiche auf.
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Das
Teilelement 2 weist außerdem
einen geformten Mittelabschnitt 4 auf, der vornehmlich
U- oder C-förmig
ist. Der Mittelabschnitt 4 hat drei Wände, wobei zwei Seiten 4a und 4b mit
einem Mittelstück 4c miteinander
verbunden sind. Das Mittelstück 4c ist
gewellt. Die anderen Seiten 4a und 4b können außerdem geriffelt,
gefaltet sein oder andere Arten der Materialformung aufweisen (in
den Figuren nicht dargestellt). Der Mittelabschnitt 4 ist
an jeder Seite mit einem Flansch 3 verbunden.
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In
dem Verbindungsschritt B nach dem Formen A werden die zwei Teilelemente 2 und 2' miteinander
verbunden, damit ein Werkstück 5.1 gebildet wird
(siehe 3). Die Teilelemente 2 und 2' werden auf
solche Weise zusammengesetzt, dass die Flansche 3 an dem
einem Element die entsprechenden Flansche 3' an dem zweiten Element berühren. Der/die
flache/n Bereich/e an jedem Flansch berühren den/die flachen Bereich/e
an dem gegenüberliegenden
Flansch.
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Die
Flansche 3 und 3' sind
durch ein Mittel zum Befestigen aneinander befestigt, das vorher
bekannt ist, wie beispielsweise Schweißen. Die Flansche werden so
weit wie möglich
und zweckmäßig an den
flachen Bereichen außen
geschweißt.
Das Werkstück 5.1 erhält dann
versteifte Schweißverbindungen 6.1 an
jedem Außenrand
der zwei gegenüberliegenden
und verbundenen Flansche 3 und 3' längs entlang dem Teilelement/Werkstück. Das
Werkstück 5.1 hat
nun einen hohlen geschlossenen Querschnitt 7.1 (siehe 3).
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Nach
dem Verbindungsschritt B wird das Werkstück 5.1 in dem Härtungsschritt
C gehärtet,
in welchem es während
des Erwärmungsschritts
C1 durch ein Mittel zum Erwärmen erwärmt wird.
(Die Ausführung
des Mittels zum Erwärmen
ist vorher bekannt und wird hier nicht detailliert beschrieben und wird
auch in den Figuren nicht im Detail gezeigt.) Das Werkstück 5.1 wird
auf eine Härtungstemperatur [hardening
hardenature] erwärmt,
die für
den fraglichen Werkstoff geeignet ist. Eine geeignete Härtungstemperatur
für Borstahl
beträgt
beispielsweise etwa 900°C.
Nach dem Erwärmen
wird das Werkstück 5.1 in
einer Abkühlungsstufe
C2 abgeschreckt. Das Werkstück 5.1 wird
dann von dem Mittel für
das Erwärmen
zu einem Mittel für
das Abkühlen
weitergeleitet. (Die Ausführung
des Mittels zum Abkühlen
ist ebenfalls vorher bekannt und wird hier nicht detailliert beschrieben
und wird auch in den Figuren nicht im Detail gezeigt.) Erwärmen und
Abkühlen
können
in einem kontinuierlichen Prozess stattfinden, wobei das Mittel
zum Erwärmen
mit dem Mittel zum Abkühlen
auf eine solche Weise verbunden ist, dass das Werkstück 5.1 diese
zwei Mittel durch eine kontinuierliche Zuführung nacheinander durchlaufen
kann. Dies kann automatisch erreicht werden. Das Mittel zum Erwärmen und
das Mittel zum Abkühlen
können alternativ
in einem Mittel kombiniert werden, damit ein Mittel zum Härten entsteht,
in welchem alle Schritte des Härtungsarbeitsgangs
C, der die Härtungsschritte
C1 und C2 einschließt, in ein
und demselben Mittel stattfinden, sogar ohne die Notwendigkeit,
das Werkstück 5.1 zu
bewegen.
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Wenn
das Werkstück 5.1 nach
dem Erwärmen
C1 und dem Abkühlen C2 gehärtet ist,
werden die Schweißverbindungen 6.1 entfernt,
so dass die zwei Teilelemente 2 und 2' in dem Trennungsschritt
D des Prozesses getrennt werden. Die Schweißverbindungen 6.1 können zweckmäßigerweise
abgeschnitten werden, was einen Verlust von Material an den Flanschen 3 und 3' verursacht.
Die Flansche 3 und 3' müssen daher nach dem Formungsschritt
A eine geringfügige Übergröße haben,
so dass die geformten und gehärteten
Teilelemente 8 (siehe 1), die
das Endprodukt darstellen, die erforderlichen Abmessungen aufweisen.
Das Maß der Übergröße entspricht vornehmlich
dem Materialumfang, der von den Teilelementen 2 und 2' während des
Trennungsprozesses D abgeschnitten wird. Die Flansche 3 und 3' an den Teilelementen 2 und 2' sind, wenn
sie nur geformt sind, folglich breiter als sie schließlich in
ihrer endgültigen
geformten und gehärteten
Form sein werden. Je näher
die Schweißverbindung
an jedem Rand platziert wird, desto geringer wird der Materialverlust sein.
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Die
Schweißverbindungen 6.1 haben
das Absteifen, Versteifen des Werkstücks 5.1 unterstützt, und
dadurch die zwei Teilelemente 2 und 2' während des
Härtens
C. Die Formen der Teilelemente 2 und 2' sind daher
weniger deformiert, als es der Fall wäre, wenn sie den Härtungsprozess
einzeln als zwei Teilelemente mit offenem Querschnitt durchlaufen
hätten.
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Um
den Verbindungsschritt B zu erleichtern, können die Teilelemente 2 und 2' von zwei parallelen Mitteln
zum Formen geformt und zugeführt
werden, so dass die Teilelemente 2 und 2' direkt nach
dem Formen auf die erforderliche Weise mit den Flanschen 3 und 3' verbunden werden,
die einander gegenüberliegen.
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Es
ist selbstverständlich
möglich,
mehr als zwei Teilelemente zu verbinden, um ein Werkstück mit einem
geschlossenen Querschnitt zu erhalten. Diese geformten Teilelemente,
und insbesondere die Flansche, müssen
möglicherweise
eine andere Form haben, als wenn nur zwei Teilelemente miteinander verbunden
werden. Es kann zum Beispiel erforderlich sein, die Flansche in
Relation zu den Seiten des Mittelabschnitts jedes Teilelements abzuwinkeln.
Die konkreten Teilelemente haben möglicherweise eine andere Form
als die oben beschriebene, solange sie einen offenen Querschnitt
haben.
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Ein
weiteres Verfahren ist das Formen der Rohlinge 1 in dem Formungsschritt
A zu einem Teilelement 2'' mit einem offenen
Querschnitt, das zwei vornehmlich C- oder U-förmige Teile 9a und 9b aufweist,
die mit einem Steg 10 (siehe 4) verbunden sind.
Der Steg weist zwei Teile 10a und 10b auf, die einen
Flansch bilden, der an jeder Seite der Längsachse X des Stegs 10 lokalisiert
ist. Entlang seiner Längsachse
X kann der Steg eine Kerbe im Material haben (in den Figuren nicht
dargestellt). Das Teilelement 2'' hat
ebenfalls Flansche 3'' an jeder äußeren langen
Seite parallel zur Längsachse
X des Stegs.
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Das
Teilelement 2'' wird entlang
der Längsachse
X gebogen/geknickt, so dass die äußeren Flansche 3'' des Teilelements sich berühren. Gleichzeitig
berühren
sich auch die zwei Teile 10a und 10b, die Flansche
bilden. Die zwei C- oder U-förmigen
Teile 9a und 9b liegen dann einander gegenüber und
bilden einen Körper
mit einem hohlen geschlossenen Querschnitt 7.2 (siehe 5).
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Wenn
das Teilelement 2'' durch Walzformen hergestellt
wird, kann dieses Biegen während
des Formungsschritts A erfolgen. Es ist auch möglich, dieses Biegen mit einem
anderen Mittel zum Formen, wie beispielsweise Pressen, zu erreichen.
Die Flansche 3'' werden in dem
Verbindungsschritt B miteinander verbunden, wie vorher beschrieben,
damit ein Werkstück 5.2 gebildet
wird. Dieses Werkstück 5.2 hat
eine Schweißverbindung 6.2 entlang
den Flanschen 3'' an der einen
Seite und einen Materialknick 11 an der entgegengesetzten
Seite. Die Seite des Werkstücks
mit dem Materialknick 11 kann mit einer Schweißverbindung ähnlich der
an den Flanschen 3'' verstärkt werden.
Das Werkstück 5.2 hat
nun einen hohlen geschlossenen Querschnitt 7.2 (siehe 5).
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Es
folgt der Härtungsschritt
C, in welchem das Werkstück 5.2 gemäß vorheriger
Beschreibung gehärtet
wird. Diesem folgt der Trennungsschritt D, in welchem die Schweißverbindung 6.2 und
der äußerste Teil
des Materialknicks 11 entfernt werden. Wenn der Materialknick 11 mit
einer Schweißnaht verstärkt wird,
dann wird diese ebenfalls entfernt. Das Entfernen kann durch Mittel
zum Abschneiden, Brennschneiden oder Beschneiden erfolgen. Das Maß der Übergröße der Flansche 3'' und der Teile 12a und 12b,
die einen Flansch bilden, entspricht dem zu entfernenden Materialumfang.
Die Flansche 3'' und der Steg 10 und
die Teile 12a und 12b, die Flansche bilden, sind
nach dem Formen folglich breiter, als sie bei dem endgültig geformten
und gehärteten
Teilelement 8 sein sollen. Schließlich erhält man nach der Trennung zwei
geformte und gehärtete
Teilelemente 8 für
die spätere
Verwendung. Es sind vornehmlich die C- oder U-förmigen Teile 9a und 9b,
Teile des Stegs 10 und die Flansche 3'', die das endgültige Teilelement 8 bilden.
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Selbstverständlich ist
es möglich,
das Teilelement 2'' mit anderen
Verfahren zu formen. Das Teilelement 2'' kann
mehr als zwei vornehmlich C- oder U-förmige Teile 9 enthalten,
wobei jedes parallel geformte Teil mit dem benachbarten geformten
Teil über einen
Steg 10 verbunden ist, wodurch die Anzahl der Stege an
jedem Teilelement 2'' größer als
eins ist. Die Flansche 3'' und der Steg 10 erfordern
möglicherweise
eine andere Form, und die Biegung in jedem Steg, die zur Bildung
des Werkstücks
verwendet wird, muss kleiner sein als im vorgenannten Fall mit nur
einem übereinstimmendem
Steg. Die Stege können zusammengedrückt werden,
wenigstens an jeder Stelle, an der das Material geknickt ist, und
mit einer Schweißverbindung
versehen werden, um durch die Schweißverbindung den erforderlichen
Versteifungseffekt zu erreichen.
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Alle
beschriebenen Flansche 3, 3' und 3'' können mit
geformten Teilen versehen werden, die verwendet werden, um einen
Verriegelungseffekt, wie beispielsweise durch eine Schnappbefestigung, bereitzustellen.
Die Flansche können
auch auf andere Weise aneinander befestigt werden.
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Die
Induktionshärtung
wird erleichtert, wenn der Artikel, der gehärtet wird, einen geschlossenen Querschnitt
hat. Für
die Induktionshärtung
kann das Mittel zum Erwärmen
auf eine solche Weise ausgeführt
werden, dass der Artikel eine Induktionsspule durchläuft. Wenn
die Seiten des Artikels mit der Form des Spuleninneren übereinstimmen,
wie es bei der vorliegenden Erfindung der Fall ist, wird die Wärme gleichmäßiger verteilt,
wodurch das Risiko der Materialbeanspruchung reduziert wird.
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Die
Produktionsrate steigt, wenn mehr als ein Teilelement auf einmal
in dem Härtungsprozess gehärtet wird.
Da wenigstens zwei Teilelemente gleichzeitig, anstatt nur ein Teilelement
auf einmal, gehärtet
werden können,
kann die Produktionsrate während
des konkreten Härtens
verdoppelt werden.
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Es
ist außerdem
möglich,
die Produktionsrate noch weiter zu erhöhen, indem mehr als zwei Teilelemente 2 und 2' verbunden werden,
wie oben beschrieben, oder indem das Teilelement 2'' auf eine solche Weise geformt
wird, dass das gehärtete
Werkstück 5.2 in
mehr als zwei geformte und gehärtete Teilelemente
geteilt werden kann.
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Die
vorliegende Erfindung kann für
die Herstellung und Produktion von Balken, Bauträgern, wie beispielsweise Fahrzeugelemente,
verwendet werden.
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Die
Beschreibung der vorliegenden Erfindung sollte nicht als eine Begrenzung
der Erfindung angesehen werden, sondern nur als ein Beispiel, um das
Verständnis
der Erfindung zu erleichtern. Anpassungen verschiedener Teile in
Relation zu anderen Einzelteilen, Materialauswahl, Größenanpassungen, Formanpassungen,
Ersatzteile und Artikel und alles Sonstige, das für einen
Fachmann erkennbar oder unmittelbar vorstellbar ist, kann selbstverständlich im Bereich
der Erfindung ausgeführt
werden.