DE69704770T2 - Elektrische kabel - Google Patents

Elektrische kabel

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Elektrokabel mit verbesserten Merkmalen, und insbesondere auf ein Elektrokabel oder eine Leitungsschnur für Haushaltsgeräte, die die Bestimmungen für Verbindungsschnüre erfüllen und gleichzeitig gute mechanische Eigenschaften, insbesondere eine gute Flexibilität, aufweisen und die keine halogenhaltigen Materialien enthalten. Ferner ist eine Leitungsschnur gemäß der Erfindung zu einem geringen Preis erhältlich.
  • Leitungsschnüre für elektrische Haushaltsgeräte sind im Gebrauch starken Beanspruchungen ausgesetzt und müssen mehrere Bestimmungen erfüllen, die in bestimmten Fällen einander widersprechen. Ihre Isolierung sollte daher die internationalen Normen für flexible Elektrokabel erfüllen hinsichtlich der elektrischen Eigenschaften, der Wärmebeständigkeit, der Feuerfestigkeit, der Festigkeit und der Flexibilität und dergleichen, z. B. gemäß IEC 227. Außerdem sollte das Isolationsmaterial zu einem geringen Preis erhältlich sein. Ein weiterer Umstand, der seit kurzem mehr und mehr an Bedeutung gewinnt, ist, daß das Isolationsmaterial leicht aus dem Kabelschrott wiedergewonnen werden sollte.
  • Eines der am häufigsten verwendeten Isolationsmaterialien war Polyvinylchlorid (PVC) verschiedener Arten mit verschiedenen Zusätzen, um die geforderten Merkmale zu erreichen. Die PVC-Isolation hat sich bewährt, da sie die bestehenden Normen bei einem attraktiven Preisniveau gut erfüllt.
  • Die Verwendung von PVC für eine Kabelisolation bleibt nicht ohne gewisse Einwände. Wenn das PVC stark erwärmt wird, z. B. während eines Brandes, wird es thermisch zersetzt, wodurch unter anderem Chlorwasserstoffsäure- Gas mit stark korrosiven Eigenschaften erzeugt wird. Das gebildete Chlorwasserstoffsäure-Gas kann starke Korrosionsschäden hervorrufen, insbesondere an empfindlichen Geräten wie z. B. Computern, wobei Fälle auftreten, in denen bei einem Brand der Korrosionsschaden teuerer ist als die Beschädigung durch das Feuer selbst. Außerdem besteht während eines Brandes die Gefahr, daß PVC unter gewissen Umständen stark toxische Verbindungen bildet, wie z. B. chlorierte Dioxine und Benzofurane.
  • Ferner wurden manchmal andere halogenhaltige Materialien als Feuerschutzmittel in Kabelisolationen verwendet, wie z. B. bestimmte Verbindungen, die Brom enthalten. Bei einem Brand bilden auch diese Verbindungen sehr unerwünschte Halogenverbindungen.
  • Ein weiterer Nachteil der halogenhaltigen Materialien besteht darin, daß sie für die Wiederverwendung schwierig wiederzugewinnen sind.
  • Daher wurde seit kurzem versucht, die Verwendung von PVC und anderen halogenhaltigen Materialien für Kabelisolationen zu vermeiden, wobei jedoch Schwierigkeiten aufgetreten sind bei der Bewahrung der geforderten Merkmale entsprechend den Normen, ohne die Kosten zu steigern oder ohne andere Nachteile. Halogenfreie Materialien, die die Normen erfüllen, sind im Stand der Technik bekannt, jedoch sind einige von diesen, wie z. B. vernetzte Kunststoffmaterialien, zu teuer für die Verwendung in großem Maßstab. Andere Materialien, wie z. B. Polyurethane, können nicht leicht wiedergewonnen werden. Derzeit existiert kein anderes bereits bekanntes Material oder Materialkombination, die die anwendbaren Normen erfüllt und gleichzeitig halogenfrei ist und einen geringen Preis aufweist.
  • Die vorliegende Erfindung beseitigt diesen Nachteil und schafft ein Elektrokabel oder eine Leitungsschnur, die die anwendbaren europäischen Normen für Verbindungskabel aus PVC erfüllt, jedoch keine Halogenmaterialien enthält. Gleichzeitig weist die Leitungsschnur eine gute Flexibilität und Verschleißfestigkeit auf und ist aus einem Material gefertigt, das bei geringen Kosten zur Verfügung gestellt werden kann.
  • Kurzbeschreibung der Erfindung
  • Gemäß der Erfindung wird ein Elektrokabel geschaffen, das wenigstens einen Leiter umfaßt, der mit einer Isolation versehen ist und mit einem Mantel aus Polymermaterial umhüllt ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel aus einer inneren und einer äußeren Mantelschicht besteht, wobei die innere Mantelschicht aus wenigstens einem halogenfreien und flexiblen, thermoplastischen Ethylen-Copolymer besteht, das einen Silikongummi und einen anorganischen feuerhemmenden Füllstoff enthält, während die äußere Mantelschicht aus einem vernetzten thermoplastischen Polymer besteht, das ein halogenfreies, wärme- und verschleißfestes Polymer ist, das auf Ethylen und/oder Propylen basiert.
  • Die positiven Merkmale des Kabels werden erhalten durch Unterteilen seines Mantels in zwei konzentrische Mantelschichten, die jeweils optimale Eigenschaften aufweisen. Die innere Mantelschicht bietet die Flexibilität, während die äußere Mantelschicht für die notwendige Verschleiß- und Temperaturfestigkeit sorgt. Der kombinierte Mantel wird vorzugsweise hergestellt durch Koextrusion der zwei Schichten über dem isolierten Leiter oder den Leitern.
  • Es ist für einen Fachmann überraschend, daß durch Unterteilen des Mantels in zwei Mantelschichten und durch die Wahl der spezifischen halogenfreien Polymermaterialien gemäß der Erfindung ein elektrisches Kabel oder eine Leitungsschnur geschaffen werden können, die alle bestehenden Normen erfüllen und gleichzeitig einen niedrigen Preis aufweisen. Vorher bekannte Materialkombinationen waren nicht in der Lage, die Normen zu erfüllen, oder haben spezifische teuere Polymermaterialien erfordert. Das Material gemäß der Erfindung weist ferner vorteilhafte Merkmale hinsichtlich der Herstellung auf, wie z. B. eine gute Extrusionsfähigkeit.
  • Die beigefügte Zeichnung zeigt eine Ausführungsform eines Elektrokabels oder einer Leitungsschnur gemäß der Erfindung.
  • Stand der Technik
  • US-A-5.091.453 beschreibt eine feuerhemmende Polymerverbindung, die prinzipiell frei von Halogenverbindungen ist und für die Verwendung in Elektrokabeln geeignet ist. Die Verbindung umfaßt ein Ethylen-Copolymer, einen Silikongummi und einen anorganischen Füllstoff. Dieses Dokument sagt jedoch nichts über die Anordnung eines Kabels mit einem Mantel in mehreren Schichten und über die Anpassung der Zusammensetzung jeder der Schichten, so daß das Kabel insgesamt mit einer optimalen Kombination der gewünschten Merkmale versehen ist.
  • Aus DE-A1-3.606.683, DE-A1-2.943.236, SE-B-464.436, DK-B-144.839 und EP-A-0-212.645 sind verschiedene Ausführungsformen von Elektrokabeln oder Leitungsschnüren bekannt, die einen Mantel aufweisen, der in zwei konzentrischen Schichten vorgesehen ist, um spezifische gewünschte Merkmale zu erreichen, wie z. B. eine Verschleißfestigkeit, Feuerfestigkeit und dergleichen. In allen Fälle wird jedoch ein Mantelmaterial verwendet, das relativ teuer und/oder schwierig wiederzugewinnen ist, wie z. B. Polyamid, Alkyd-Lack und optional vernetzte Polyurethane. Wie bereits vorher erwähnt worden ist, sind solche Materialkombinationen ungeeignet, insbesondere für Elektrokabel, die in Haushaltsgeräten verwendet werden sollen.
  • In EP-A-0.120.382 wird ein Niederspannungs-Elektrokabel mit zwei konzentrischen Mantelschichten beschrieben, die über einem zentralen Leiter extrudiert worden sind. Dieses Dokument bezieht sich jedoch nur auf ein Mantelmaterial aus PVC.
  • Genaue Beschreibung der Erfindung
  • In der Figur ist eine schematische Querschnittsansicht eines Kabels gemäß der Erfindung gezeigt. Das Kabel ist allgemein mit 1 bezeichnet und enthält drei isolierte Leiter 2, die jeweils einen von einer Isolation 4 umhüllten Leiter 3 umfassen. Der Leiter 3 besteht normalerweise aus mehreren Kupferdrähten, die miteinander verdrillt sind. Die isolierten Leiter 2 sind mit einer inneren Mantelschicht 5 und einer äußeren Mantelschicht 6 umhüllt. Die äußere Mantelschicht 6 ist deutlich dünner als die innere Mantelschicht 5, jedoch ist zu beachten, daß die Figur nicht unbedingt die Dicke der verschiedenen Schichten im richtigen Maßstab zeigt. Außerdem kann das Kabel gemäß der Erfindung selbstverständlich mehr oder weniger als drei Leiter umfassen.
  • Die Isolationsschicht 4, die den jeweiligen Leiter 3 umhüllt, kann aus einem geeigneten Isolationsmaterial mit guten elektrischen Eigenschaften bestehen, das im Stand der Technik bekannt ist, wie z. B. verschiedene Typen von Gummi oder Kunststoffmaterialien. Seine Zusammensetzung und Abmessungen sind nicht kritisch und sind kein wesentlicher Teil der Erfindung. In einer Ausführungsform jedoch können die Isolationsschichten mit zwei Schichten in derselben Weise wie die Mantelschichten konfiguriert sein und können aus den gleichen Materialien wie diese bestehen. Die innere Mantelschicht 5 sollte eine gute Flexibilität, gute feuerhemmende Eigenschaften und eine gute technische Bearbeitbarkeit aufweisen. Außerdem sollte es möglich sein, sie mit geringen Kosten herzustellen.
  • Das Material der inneren Mantelschicht 5 besteht aus wenigstens einem halogenfreien, flexiblen und thermoplastischen Ethylen-Copolymer, das einen Silikongummi oder ein bestimmtes anderes Polymer oder Oligomer auf Silikonbasis sowie einen anorganischen feuerhemmenden Füllstoff enthält. Andere Typen von Polyolefinen können ebenfalls verwendet werden, wie z. B. Polyethylen oder Polypropylen. Der Mantel umfaßt vorzugsweise 1-2 Gew.-% Silikongummi, 20-50 Gew.-% anorganischem feuerhemmenden Füllstoff und als Rest Ethylen-Copolymer. Das Material kann ferner kleine Mengen herkömmlicher Zusatzstoffe enthalten, wie z. B. Stabilisatoren, UV- Schutzmittel, Färbemittel und dergleichen. Solche Zusätze sind im Stand der Technik wohlbekannt.
  • Das Ethylen-Copolymer der inneren Mantelschicht besteht vorzugsweise aus einem oder mehreren der Copolymere Ethylen/Acrylsäure, Ethylen/Butylacrylat, Ethylen/Ethylacrylat, Ethylen/Methylacrylat und/oder Ethylen/Vinylacetat. Unter diesen werden Ethylen/Butylacrylat und Ethylen/Vinylacetat bevorzugt.
  • Silikongummi, die in Polymerverbindungen verwendet werden, sind im Stand der Technik bekannt und bestehen z. B. aus Organosiloxan-Polymeren, die Siloxyl-Gruppen enthalten, mit denen verschiedene gesättigte und ungesättigte Kohlenwasserstoffgruppen verknüpft sind. Ein geeignetes Beispiel ist Polydimethylsiloxan, jedoch können auch andere Typen von Silikongummi verwendet werden.
  • Der anorganische feuerhemmende Füllstoff kann aus einem oder mehreren der Materialien Calciumcarbonat, Magnesiumoxid, Magnesiumhydroxid, Magnesiumcarbonat, Aluminiumhydroxid und Aluminiumtrioxid bestehen. Von diesen wird Calciumcarbonat bevorzugt, insbesondere in Form von Kreide, die billig ist und ferner Vorteile hinsichtlich der Verarbeitung aufweist, da sie während der Bearbeitung und der Extrusion des Materials höheren Temperaturen standhält. Magnesium- und Aluminiumverbindungen können ebenfalls verwendet werden, sind jedoch teurer.
  • Ein Polymermaterial, das sich als vorteilhaft für die innere Mantelschicht erwiesen hat, ist ein Material, das unter dem Namen Borealis 4805 von Borealis A/S, Lyngby, Dänemark, vertrieben wird. Dieses Material fällt in den Umfang der obenerwähnten US-A-5.091.453. Es können auch andere Polymermaterialien verwendet werden, wobei diese von einem Fachmann auf der Grundlage der definierten Spezifikationen gewählt werden können.
  • Die äußere Mantelschicht sollte eine gute Verschleißfestigkeit, eine gute Wärmebeständigkeit und eine gute technische Bearbeitbarkeit aufweisen. Außerdem kann sie feuerhemmende Eigenschaften aufweisen, jedoch ist dies nicht unbedingt notwendig, wenn die Schicht dünn ist.
  • Das äußere Mantelschichtmaterial in einem Kabel gemäß der Erfindung sollte ein halogenfreies, wärmebeständiges und verschleißfestes sowie optional vernetztes thermoplastisches Polymer auf der Basis von Ethylen und/oder Propylen sein. Diese Schicht besteht vorzugsweise aus Polyethylen, Polypropylen oder einer Mischung oder einem Copolymer hieraus, und/oder aus einem oder mehreren Copolymeren von Ethylen/Acrylsäure, Ethylen/Butylacrylat, Ethylen/Methylacrylat und Ethylen/Vinylacetat, wobei diese Materialien optional vernetzt sind. Die äußere Mantelschicht besteht vorzugsweise aus einem nicht vernetzten Copolymer von Ethylen und Propylen, das wenigstens 5 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 20 Gew.-%, und speziell 5 bis 10 Gew.-% Propylen enthält. Ein höherer Gehalt an Propylen ergibt ein härteres und wärmebeständigeres Material, jedoch kann die hohe Härte eine negative Auswirkung auf die Flexibilität haben.
  • Die äußere Mantelschicht kann möglicherweise auch einen anorganischen feuerhemmenden Füllstoff enthalten, wie z. B. einen der obenerwähnten Stoffe. Wie bereits vorher erwähnt worden ist, ist dies jedoch nicht notwendig, wenn die Schicht dünn ist, wie im Fall einer bevorzugten Ausführungsform. Außerdem kann die äußere Mantelschicht kleine Mengen herkömmlicher Zusätze enthalten, wie für die innere Mantelschicht angegeben worden ist.
  • Um eine ausreichende Verschleißfestigkeit zu erhalten, ist es günstig, daß das Polymermaterial für die äußere Mantelschicht eine Shore-Härte D von wenigstens 43 und vorzugsweise zwischen 48 und 52 aufweist. Die Dicke der äußeren Mantelschicht kann an die Härte des Materials angepaßt sein, so daß eine geeignete Kombination von Verschleißfestigkeit und Flexibilität erhalten wird.
  • Zahlreiche Polymermaterialien, die geeignet sind für die Verwendung als äußere Mantelschicht, sind bereits bekannt und im Handel erhältlich, wie z. B. Borealis FR 4802 und FR 4804 von Borealis A/S. Lyngby, Dänemark. Diese Materialien fallen in den Umfang der obenerwähnten US-A-5.091.453. Andere nützliche Materialien sind solche, die bezeichnet sind mit DI-4031 von ECC und Megolon S 550 von Lindsay & Williams. Die Hauptkomponenten dieser Materialien sind Polyethylen, Ethylen-Copolymere, wie z. B. Ethylen/Vinylacetat und/oder Ethylen/Butylacrylat, Polypropylen und feuerhemmende Füllstoffe, wie z. B. Mg(OH)&sub2; oder Al(OH)&sub3;. Weitere Polymermaterialien, die verwendet werden können, sind ebenfalls bereits bekannt und können von einem Fachmann gewählt werden.
  • In einem Kabel gemäß der Erfindung weist die innere Mantelschicht an ihrer dünnsten Stelle eine geeignete Dicke von wenigstens 0,6 mm und vorzugsweise 0,7 bis 0,9 mm auf. Die äußere Mantelschicht hat eine geeignete Dicke von höchstens 0,2 mm, vorzugsweise 0,05 bis 0,1 mm. Die äußere Mantelschichtdicke hängt von der Zusammensetzung des Schichtmaterials ab, so daß ein härteres Material dünner gemacht werden sollte, um eine ausreichende Flexibilität zu erreichen. Bei einer dünneren Außenschicht ist ein geringerer Gehalt oder gar kein Gehalt an feuerhemmendem Füllstoff erforderlich. Die erwähnten Abmessungen beziehen sich hauptsächlich auf Leitungskabel für elektrische Haushaltsgeräte, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sind. Andere Anwendungen können andere Abmessungen der Schichten erfordern, wie in der Technik offensichtlich ist.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird ein Kabel gemäß der Erfindung hergestellt mittels Koextrusion der zwei Mantelschichten über den isolierten Leitern. Dies ermöglicht eine Herstellung des Kabels in einer wirtschaftlich vorteilhaften Weise. Es ist somit möglich, daß die Polymermaterialien in den zwei Schichten kompatibel sind, so daß eine gute Haftung zwischen den Schichten erreicht wird. Es ist jedoch auch möglich, eine Verklebung mittels einer dazwischenliegenden Verklebungsschicht mit einem geeigneten Klebstoff zu erreichen. Dies ist jedoch weniger wünschenswert, da der Herstellungsprozeß somit komplizierter und teurer wird.
  • Wie bereits oben erwähnt worden ist, ist das Kabel gemäß der Erfindung insbesondere geeignet für die Verwendung als Leitungsschnur für elektrische Haushaltsgeräte. Solche Leitungsschnüre sind häufig erheblichen Beanspruchungen ausgesetzt, wobei insbesondere eine gute Flexibilität gefordert wird. Eine Anwendung mit der Leitungsschnur gemäß der Erfindung, die sich als sehr geeignet herausgestellt hat, ist eine Leitungsschnur für einen Staubsauger. Moderne Staubsauger sind häufig mit einer Schnurrolle ausgestattet, mit der die Schnur wiederholt aufgewickelt und abgewickelt wird, jedesmal dann, wenn der Staubsauger benutzt wird. Dies führt zu einer starken Abnutzung und Biegung der Leitungsschnur, wobei die Leitungsschnur gemäß der Erfindung diese Belastungen gut aushält. Als Beispiele für typische Leitungsschnüre, auf die die Erfindung angewendet werden kann, können hier eine runde und flache Staubsaugerleitungsschnur, die zwei Leiter von jeweils 0,75 mm² und Außenabmessungen von 6 bis 7,6 mm bzw. 3,8 · 6 bis 5,2 · 7 mm aufweist, eine Leitungsschnur für ein Kühl/Gefriergerät, das drei Leiter von jeweils 0,75 mm² enthält und Außenabmessungen von 6,4 bis 8,0 mm aufweist, sowie eine Leitungsschnur für eine Wasch- oder Geschirrspülmaschine erwähnt werden, die drei Leiter von jeweils 1,5 mm² enthält und Außenabmessungen von 8,0 bis 9,8 mm aufweist. Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf diese Anwendungen beschränkt.
  • Eine Leitungsschnur gemäß der vorliegenden Erfindung erfüllt gut die Anforderungen der EU-Norm IEC 227 und HD 21. Die letztgenannte Norm bezieht sich auf Kabel mit einer PVC-Isolation, wird jedoch von den halogenfreien Kabeln gemäß der vorliegenden Erfindung gut erfüllt. Als ein Beispiel kann erwähnt werden, daß die Leitungsschnur gemäß einem der Tests um eine Haspel gewickelt werden muß und in diesem Zustand für eine Stunde auf 150ºC gehalten wird. Eine Leitungsschnur mit einem Doppelschichtmantel gemäß der Erfindung besteht diesen Test gut, während eine Leitungsschnur mit nur der inneren Mantelschicht diesen Test nicht besteht. Dies zeigt, daß die Kombination gemäß der Erfindung wesentlich ist, um die geforderte Leistungsfähigkeit zu erreichen.
  • In der obigen Beschreibung wurden verschiedene Beispiele für die Wahl des Materials und der Konfiguration für ein Kabel gemäß der Erfindung gezeigt. Es ist jedoch zu beachten, daß diese Beispiele keinesfalls eine einschränkende Bedeutung haben. Für einen Fachmann sind auch andere Ausführungsformen und Veränderungen innerhalb des Umfangs der Ansprüche offensichtlich.

Claims (10)

1. Elektrokabel (1), das wenigstens einen elektrischen Leiter (3) umfaßt, der mit einer Isolation (4) versehen ist und von einem Mantel aus Polymermaterialien umhüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel aus einer inneren und einer äußeren Mantelschicht besteht, wobei die innere Mantelschicht (5) aus wenigstens einem halogenfreien, flexiblen, thermoplastischen Ethylen- Copolymer besteht, das einen Silikongummi oder ein weiteres Polymer oder Oligomer auf Silikonbasis sowie einen anorganischen feuerhemmenden Füllstoff enthält, und wobei die äußere Mantelschicht (6) aus einem halogenfreien, wärme- und verschleißfesten, optional vernetzten thermoplastischen Polymer auf der Basis von Ethylen und/oder Propylen besteht.
2. Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Mantelschicht (5) 1-12 Gew.-% eines Silikongummis, 20-50 Gew.-% eines anorganischen feuerhemmenden Füllstoffes und als Rest Ethylen-Copolymer enthält.
3. Kabel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Copolymer der inneren Mantelschicht (5) aus einem oder mehreren der Copolymere Ethylen/Acrylsäure, Ethylen/Butylacrylat, Ethylen/Ethylacrylat, Ethylen/Methylacrylat und Ethylen/Vinylacetat, und vorzugsweise Ethylen/Butylacrylat und/oder Ethylen/Vinylacetat besteht.
4. Kabel nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer der äußeren Mantelschicht aus Polyethylen, Polypropylen oder einer Mischung oder einem Copolymer hieraus und/oder aus einem oder mehreren Copolymeren von Ethylen/Acrylsäure, Ethylen/Butylacrylat, Ethylen/Ethylacrylat, Ethylen/Methylacrylat und Ethylen/Vinylacetat besteht, wobei diese Materialien optional vernetzt sind.
5. Kabel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer der äußeren Mantelschicht aus einem nicht vernetzten Copolymer von Ethylen und Propylen besteht, das wenigstens 5 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 20 Gew.-% und höchst vorzugsweise 5 bis 10 Gew.-% Propylen enthält.
6. Kabel nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Mantelschicht ferner einen anorganischen feuerhemmenden Füllstoff enthält.
7. Kabel nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der anorganische feuerhemmende Füllstoff aus Calciumcarbonat, Magnesiumoxid, Magnesiumhydroxid, Magnesiumcarbonat, Aluminiumtrioxid oder Aluminiumhydroxid oder irgendeiner Mischung hieraus, und vorzugsweise aus Calciumcarbonat besteht.
8. Kabel nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Mantelschicht (5) an ihrer dünnsten Steile eine Dicke von wenigstens 0,6 mm, vorzugsweise 0,7 bis 0,9 mm aufweist.
9. Kabel nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Mantelschicht eine Dicke von höchstens 0,2 mm, vorzugsweise 0,05 bis 0,1 mm aufweist.
10. Kabel nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß es mittels Koextrusion der zwei Mantelschichten (5, 6) über dem isolierten Leiter oder den Leitern (2) hergestellt wird.
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