DE834899C - Verfahren und Vorrichtung zum Schweissen von thermoplastischen Kunststoffen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Schweissen von thermoplastischen KunststoffenInfo
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Description
- Verfahren und Vorrichtung zum Schweißen von thermoplastischen Kunststoffen Die Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf die Befestigung bzw. auf das Schweißen von Stücken aus thermoplastischem Kunststoff aneinander und ist insbesondere dort von Nutzen, wo es sich um lineare Kunststoffe mit geringen elektrischen Verlusten handelt, die nach den bekannten elektrischen Heizverfabren nicht leicht aneinander zu befestigen sind. Solch ein bildsamer Kunststoff ist das Polyäthylen, welches sich durch geringe elektrische Verluste auszeichnet und, soweit bisher bekannt, nach den bekannten Induktions- bzw. Widerstandsheizverfahren nicht geschweißt werden kann. Weitere Kunststoffe, welche nach der Erfindung aneinander befestigt werden können, sind Po]ymerisate des Vinylidenchlorids und des Vinylchlorids. Polyäthylen, polymerisiertes Vinylidenchlorid und viele ähnliche thermoplastische Kunststoffe sind in so hohem Maße fest gegen die Feuchtigkeit, insbesondere wenn sie in Bogen- bzw. Tafelform sind, daß sie ausgezeichnete Packmittel für Lebensmittel abgeben.
- Es ist demzufolge das Hauptziel der Erfindung, ein Verfahren und Mittel vorzusehen, um Stücke aus warmbildsamen Kunststoffen aneinanderzuschweißen, insbesondere wenn sie in der Form dünner Bogen verwendet werden.
- Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine Apparatur vorzusehen bzw. zu schaffen, welche ein der- artiges Verfahren rasch und in zweckmäßiger Weise ausführt und dabei ein sauberes und marktfähiges Produkt ergibt.
- Ein noch weiteres Ziel der Erfindung ist es solche Mittel vorzusehen, die ein Mindestmaß an Kraft verbrauchen und leicht zu handhaben sind.
- Andere und weitere Ziele und Merkmale der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor; es zeigt Fig. 1 einen Aufriß, teilweise im Schnitt, einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 2 einen anderen Satz von Backen für die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung, Fig. 3 einen Aufriß nach Linie 3-3 der Fig. 2, Fig. 4 einen weiteren Satz Backen für die Vorrichtung nach Fig. 1, Fig. 5 einen aus Polyäthylenbogen gemäß der Erfindung hergestellten Sack, Fig. 6 eine andere Art der Schweißung bzw. Befestigung der Bogen aus thermoplastischem Material, Fig. 7 eine Ansicht nach Linie 7-7 der Fig. 6, Fig. S einen weiteren Satz Backen für die Vorrichtung, Fig. 9 einen Seitenriß der Fig. S nach Linie 9-9 derselben, Fig. 10 eine andere Anordnung der Backen, Fig. in ebenfalls eine andere Anordnung der Backen und Fig. 1 2 schließlich einen Seitenriß der Fig. @ 1.
- Es wurde festgestellt, daß man Bogen aus thermoplastischen Kunststoffen von geringem elektrischem Verlust durch die Anwendung schwingender Energie bei mäßigem Kraftbedarf, jedoch unter erheblichem Druck am Schweißpunkt, miteinander verschweißen kann, wenn Schritte unternommen werden, um Verluste an Wärme, welche während des Vibrierens des Kunststoffes in demselben entwickelt wird, zu verhindern. Wenn die Verhältnisse von Druck, Frequenz, Schwingungsamplitude und Wärmespeicherungsvermögen des zu schweißenden Kunststoffes richtig gewählt sind, können zwei Kunststoffbogen, je nach Dicke der Bogen und Größe der Schweißfläche. in etwa 7 bis 30 Sekunden miteinander verschweißt werden. Die jeweilige Schweißung scheint infolge der Wärme vor sich zu gehen, welche durch die unelastischen Deformationen des bildsamen Kunststoffes beim Vibrieren desselben entwickelt wird, und der dabei angewendete Druck trägt mit dazu bei, die Kunststoffe aneinanderzupressen, so daß die sich gegenüberstehenden Flächen anscheinend ineinander eintauchen bzw. miteinander verdrückt werden. Bei Durchführung der Erfindung wurden Schritte unternommen, um das Entweichen dieser Wärme aus der Gegend des bildsamen Kunststoffes, in welchem dieselbe erzeugt wird, zu verhindern, und dies erleichtert die Durchführung einer festen und befriedigenden Schweißung. Das Verfahren der Erfindung ist insbesondere deshalb wertvoll, weil warmbildsame Kunststoffe im allgemeinen und Polyäthylen im besonderen dazu neigen, an einem heißen Werkzeug anzuhaften oder beim Erhitzen zu verlaufen, so daß das Schweißen nach den üblichen Heizverfahren schwierig und oft unmöglich ist. So z. B. schmelzen dünne Bogen rasch, wenn sie mit einem Eisen erwärmt werden.
- Die Fig. 1 zeigt nun eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Diese Vorrichtung besteht in der Hauptsache aus einem Paar Backen A und B, der eine über dem anderen angeordnet, zwischen welche das zu schweißende Material gelegt wird. Der untere Backen A dient als Amboß und der obere Backen B als Hammer.
- Ein Oszillator D treibt den @ Hammer an, während ein oben auf dem Oszillator angebrachtes Gewicht E auf den Werkstoff C durch die Oszillatorkonstruktion und den Hammer hindurch einen konstanten Druck ausübt. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß jedes der Arbeitsmittel 1, B, D. und E viele verschiedene Formcn annehmen kann. Die besonderen Einzelheiten dieser Ausführungsformen, wie sie in Fig. 1 dargestellt sind. sollen nunmehr beschrieben werden.
- Der Oszillator 1 ist Ciii solcher des Magnetostriktionstyps üblicher Bauart und besteht aus einer aus Lamellen aufgebauten Nickelstange 10 mit Streifen, welche die Abmessungen von 0.254 X X 254 mm haben uiid iii irgciidei1icr bekannten Weise, z. b. durch Flachkopfniete 11. aneinander befestigt sind.
- Am unteren Ende der Stange l o ist eine metallene Hülse 12 starr befestigt, z. B. durch Sillierlot 13.
- Das äußerte Ende der Hülse ist bei 14 mit einem Gewinde versehen und der Hammer B dort in die Hülse eingeschraubt. Ein praktisch starres Rohr 15, welches aus einem hitzehärtbaren Kunstharz hergestellt werden kalln und durch irgendwelche äußeren, hier nicht dargestelltell Hilfsmittel gehalten wird, umgibt die Stange 10. Dieses Rohr beschränkt die Stange in ihrer seitlicheii Bewegung und verhindert deren Auskllickell, stört jedoch in keiner Weise die Longitudinalschwingungen (Dehnungsschwingungen) derselben. Eine Spule 16 mit beispielsweise mehreren hundert Windungen aus isoliertem Draht umgibt das Rohr. Die -iii,:ahl der Windungen der Spule i 6 wird so gewählt, dak sie zu den Impedanzen der hier nicht dargestellten Stromquelle und der Belastung paßt Die Spule ist mit ihren Klemmen I, an eine hicr nicht dargestellte Wechselspannung mit einer Frequenz von etwa 7600 Hz mit genügender Frequenzsteuerung gelegt, um die Stange in starke Resonanzwchwingungen zu ihrer Longitudinalgrundschwingung zu bringen. Wie wohlbekannt ist. kann an die Klemmen i 7 auch ein pulsierender (.leichstrom gelegt werden.
- Auf einem Ständer 19, welcher mittels eines elastischen Gummikissens 20 auf der Stange 10 gelagert wird, ist eine Schale 18 befestigt. Dieses Kissen wird vorzugsweise aus Gummi von etwa 6,35 mm Dicke verfertigt und übt praktisch keine Dämpfungswirkung auf den Kopf der Stange 10 aus Der Ständer Ig wird in den Führungen 2 1 gehalten Auf der Schale 18 befindet sich das Gewicht E, welches sich aus einzelnen Gewichten 23, 24 zusammensetzt.
- Der Hammer B besteht aus einem Zylinder 26 aus beispielsweise kalt gewalztem Stahl, der innen an seinem oberen Ende mit Gewinde versehen ist. um in den Gewindeteil 14 der Hülse 12 geschraubt zu werden. Eine harte Kunstharzstirnplatte 27, beispielsweise aus einem hitzehärtbaren Kunstharz, wie Bakelit oder Micarta, wird an die untere Fläche des Zylinders 26 durch irgendeinen geeigneten Kitt, wie z. B. Vulcalock-Ritt, angekittet.
- Der Amboß A besteht aus einer Stange oder einem Zylinder 30, dessen genaue Länge vorzugsweise so gewählt wird, daß sie so nahe wie möglich einem Viertel der Wellenlänge der verwendeten Longitudinalschwingung (Dchnungsschwingung) gleichkommt; dieser Amboß trägt eine zweite Stirnplatte 31, welche auf seine obere, dem Hammcc ß zugekehrte Fläche gekittet ist. Diese Stirnplatte ist ähnlich der Hammerstirnp]atte und in ähnlicher Weise am Amboß befestigt. Die beiden Stirnplattcn 27 1111d 3 1 sind Wärmeisolatoren und können jede etwa rd. 1,6 mm dick sein. Der zu seli'veißende bbildsame Werkstoff, hier als zwei Bogen 33 und 34 dargestellt, wird zwischen die beiden Stirnplatten gelegt. Die Fläche der Stirnplatten ist kreisförmig. kann aber, wie weiter unten ausgeführt werden wird, erheblich variiert werden.
- Um zwei oder mehrere derartige Kunststoffbogen zusammenzuschweißen, werden die Bogen in die gewütischte l.age zwischen den Backen A und B eingebracht, die Backen durch das Gewichte aneinandergepreitt und eine Wechselspannung an die Klemmen 1 7 der Spule 1 6 gelegt. Bei Versuchen mit Pol! äthylen erfolgte das Zusammenschweißen in einer Zeit von ; bis zu 30 Sekunden, je nach den vorliegenden Betriebsbedingungen, wie z. B. Abstimmen zwecks Resonanz), angewandte Kraft, Dicke und Fläche des zu schweißenden Musters und angewandter Druck. Die angewandten Drucke schwanken zwischen rd. 4,2 bis 7 kg/cm2. Bei einer der Spule 1 6 zugeführten Energie von etwa 50 Watt schien ein Druck von rd. 4,2 kg/cm2 das Optimum darzustellen. Diese Leistung wurde bei Resonanz aufgenommen, wenn die Energiequdle die Spulenklemmen 17 mit einer Spannung von 1 25 bis 175 V versorgte. Eine höhere Spannung führt zu rascherem Verschweißen.
- Ein mit der Vorrichtullg nach Fig. I hergestellter Behälter ist in Fig. 5 dargestellt. Eine Wassermenge 41 ist in einem aus Polyäthylenbogen bestehenden Sack 40 enthalten. Der Kunststoffbogen hatte ursprünglich die Form eines Abschnitts eines schaffen Schlauches, und ein Ende davon, der Boden, wurde dadurch gedichtet, daß man die Wandungen miteincallder abflachte und die beiden gegenüberstehenden Bogen 42 und 43 nach dem erfindugsgemäßen Verfahren in der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung aneinanderschweißte. Die Schweißstellen 44 sind sämtlich kreisförmig und überlappen sich, so daß ein fortlaufender Streifen verschwei1.Nten Materials gebildet wird, um das Bodenende des Schlauches zu schließen. Der Sack 40 wurde sodanu teilweise mit Wasser 41 gefüllt und dann obell in der gleichen Weise gedichtet wie unten. Dieser Sack hat sich unter den Verhältnissen üblicher Handhabung als wasserdicht und fest erwiesen.
- Der an den Backen A und B verfügbare Druck kann für ein gegebenes Gewicht E in der Weise erhöht werden, daß man zwischen ihnen eine lineare Berührung vorsieht, wie es in Fig. 2 gezeigt ist.
- Dort ist der AmboßA, von welchem lediglich das Oberteil des Zylinders 30 gezeigt wird, mit einer diametralen Nut 50 in seiner oberen Fläche versehen, und das harte, hitzebeständige, bildsame Stirnstück, in Form einer Stange oder eines Streifens 51 von rechteckigem oder sonstigem Querschnitt, ist in der Nut mit einer seiner Schmalseiten eingebettet. Wie vorher beschrieben, kann ein Kitt verwendet werden; jedoch ist auch ein Haftsitz allein ausreichend. Die andere Längskante des Streifens steht aus der Nut hervor und hat einen etwas abgerundeten Querschnitt, so daß also messerscharfe Kanten vermieden werden.
- Diese Außenkante bildet die Stirnplatte des Ambosses. Das Schultermaterial am äußersten oberen Ende der Stange 30 zu jeder Seite der Nut 50 kann. wie dargestellt, an den äußeren Enden weggeschnitten werden. Der verbleibende Rest bildet einen mechanischen Anschlag 54 zu jeder Seite der Stirnplatte und verhindert somit das Zertrennen des zu schweißenden Materials. Der Hammer ist in der gleichen Weise wie der Amboß mit einer diametralen Nut 52 und einem darin eingebetteten Streifen bzw. einem Stab 53 aus einem harten Kunstharz versehen, mit mechanischen Anschlägen zu jeder Seite desselben. Die gegenüberstehenden Längskanten der Streifen 51 und 53 schaffen die einzig wirksame Berührung mit dem zu schweißenden bildsamen Material, und da dadurch eine erhebliche Verminderung der Berührungsfläche zustande kommt, wie aus Fig. 3 ohne weiteres hervorgeht, ist der durch ein gegebenes Gewicht E verfügbare Backendruck ganz beträchtlich höher.
- Einer der Vorzüge dieser Anordnung ist der, daß die Neigung der Stange 10 zum Ausknicken unter der Kraft des Gewichtes E, welch letzteres erforderlich ist, um einen gewünschten Anpreßdruck zu erzielen, geringer wird.
- Die Fig. 6 und 7 zeigen eine Naht, die mit einem Amboß mit linearer Stirnfläche sowie mit einem Hammer linearer Stirnfläche geschweißt wurde.
- Der Kunststoffschlauch 55 wurde in diesem Fall am oberen Ende 56 umgebördelt, da das Bogenmaterial sehr dünn war; es besaß eine Dicke von o,o5o8 mm. Eine.Reihe von linienförmigen Nähten wurde nunmehr nahe dem umgebördelten oberen Rand 56 hergestellt, um eine Schweißnaht 57 in der Form einer fortlaufenden Linie zu erhalten.
- Der Schnitt der Fig. 7 zeigt deutlich, in welcher Weise dies bewerkstelligt wurde. Wenn es auch zweckmäßig ist, die dünneren Kunststoffbogen wie bei 56 vor dem Verschweißen umzubördeln, so ist dies doch an und für sich Geschmackssache.
- Die in Fig. 4 dargestellten Backen sind eine Abänderung der in Fig. 3 dargestellten, um eine längere lineare Berührungsfläche zwischen den- selben zu erhalten, so daß eine Naht gleich der Naht 57 in Fig. 6 in einem einzigen Arbeitsgang geschweißt werden kann. Sowohl der Amboß A wie der Hammer haben Arme 60, welche sich in Richtung der Stäbe 61 und 63 erweitern und mit hier nicht dargestellten Nuten versehen sind, um diese Stäbe zu halten. Die Konstruktion dieser Arme sollte so sein, daß, wenn die Vorrichtung im Betrieb ist, ein gleichmäßiger Druck durch die ganze Länge der Backen hindurch aufrechterhalten l>leibt.
- Lineare Berührung mit dem zu verschweißenden Material kann auch durch Anordnungen, wie sie in den Fig. 8 bis 1 2 einschließlich dargestellt sind, erhalten werden. In den Fig. 8 uiid 9 z. B. sind der Amboß A und die Stange 30 durch einen z-ylindrischen Amboß 65 ersetzt, welcher aus dem gleichen Kunststoff verfertigt werden kann wie die Stirnplatte 27 des Hammers B. Bei dieser Anordnung kann eine Schweißnaht zwischen den beiden Bogen 33 und 34 dadurch hergestellt werden, daß man dieselben zwischen den Backen hindurchzieht, z. B. nach links in der Richtung des Pfeiles 66, wie in der Fig. 8, oder auf den Beschauer zu, wie in der Fig. 9. Fig. Io ist gleich Fig. 9, abgesehen davon, daß der Hammer der Fig. 2 mit dem länglichen Stirnelement 53 verwendet wird anstatt des Hammers der Fig. 1.
- In den Fig. ii und 1 2 ist die Anordnung nach Fig. 10 in der Weise abgeändert, daß man den Zylinder 65 durch einen rollenförmigen Amboß 70 ersetzt. Diese Rolle besitzt an ihrem Umfang eine Erhöhung 7 1, welche mit dem länglichen Stirnelement 53 zusammen arbeitet, sowie flache abgesetzte Schultern 72, die den mechanischen Anschlägen 54 des Hammers B der Fig. 2 gegenüberliegen.
- Die Rolle kann aus einem Stück eines Kunstharzes gemacht werden, welches gleich dcm des Stirnelements 53 des Hammers ist; sie ist so angeordiiet, daß sie sich um eine Achse dreht, welche zu der Richtung, in welcher der bildsame Kunststoff 33, 34 gezogen wird, lotrecht steht. Eine Achse 73, welche in Ständern 74 gelagert ist, trägt eine Rolle 70. Die Ständer 74 sind auf einer Grundplatte 75 montiert.
- Das zu verschweißende Material wird bei dieser Anordnung zwischen den beiden Backen mit einem Mindestmaß an verzögernder Reibung hindurchgeführt.
- Offensichtlich können auch andere Formen eines Oszillators D als der des magnetostriktiven Typs, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, verwendet a erden. So sind z. B. piezoelektrische, elektrodynamische und elektromagnetische Oszillatoren recht wohl bekannt. Weiterhin kann der Druck auf die Backen A und B auch durch anderc Mittel als das Gewicht E ausgeübt werden, wie z. B. durch Federn. Dampf oder Luft oder eine Flüssigkeit unter Druck, und bei solchen Mitteln können die Backen wohl besser waagerecht als lotrecht angeordnet werden. Weiterhin ist die Frequenz der Schwingung nicht von ausschlaggebender Bedeutung vielmehr erscheint es als in erster Linie von Wichtigkeit. daß Hitze örtlich in genügender .lcnge entwickelt wird, um das Verschweißen zu unterstützen. Außerdem kann cine Wärmeisolation an den Backen auch durch andere Werkstoffe als hitzchärtbares Kunstharz vorgenommen werden. Wachspapier ist mit Erfolg verwendet worden, ebenso ein unter dem Namen Fisehpapicr bekanntes dünnes Papier. Bei einem Versuch bildeten zusatzliche Bogen des zu verschweißenden Kunststoffes die Isolierung. Es wurde festgestellt daß, wenn ein unisolierter Hammer verwendet wurde, um vier dünne Bogen von rd. 0,0508 mm Stärke zu verschweißen, beiverendung gerillgcr E;raft die beiden Bogen, welche dem unsiolierten Hammer zunächst waren, nicht verschweißt wurden, während die nächsten beiden vom Hammer entfernten Bogen erfolgreich verschweißt warn.
Claims (15)
- P A T E N T A N S P R Ü C H E: 1. Verfahren zum Verschweißen von Stücken aus thermoplastischen Kunststoffen, dadurch gekennzeichnet, daß die Stucke (33, 34) zwischen einem Paar Backen (A, B) erfaßt werden, deren einer in Richtung auf den aiidcren in schwingende Bewegung solcher Frequenz und Intensität versetzt wird, daß im thermoplastischen Material Wärme erzeugt wird, daß femer die so in dem thermoplastischen Material erzeugte Wärme durch Teile aus einem geeigneten, wärmespeichernden Werkstoff gespeichert wird und daß endlich die beiden Backen mit so hohem Druck zusammengepreßt werden, daß die Stücke aus thermoplastischem Material an ihren Berührungsflächcn miteinander verschmelzen.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Backen (A, B) aus wärmeisolierendem Werkstoff bestehell, so daß die während der Schwingungsbewegung in dem thermoplastischen Material erzeugte Wärme gespeichert wird.
- 3. Verfahren nach .nspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Backen (A, B) und den zu verschweißenden Stucken (33, 34) aus thermoplastischem Material Teile (27, 31) aus wärmeisolierendem Werkstoff angeordnet sind.
- 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der auf das thermoplastische Material durch die erwähnten Backen ausgeübte Druck sich auf etwa 4.2 kg cm² beläuft.
- 5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die schwingende Bewegung von mindestens einem der crn-ähntcn Backen bei der Frequenz mechanischer Resonanz erfolgt.
- 6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1. gekennzeichnet durch ein Paar sich gegenüberstehender Backen (A, B). zwischen welchen die aneinander zu befestigenden Stücke (33, 34) angeordnet werden, und durch einen Oszillator D) nebst Gewichten (E), um zum mindesten einen der erwähnten Backen in schwingende Bewegung zu versetzen, sowie durch die Anordnung von einem oder mehreren Teilen aus wärmeisolierendem Werkstoff, um zu verhindern, daß die während der Schwingungsbewegung in den Stücken erzeugte Wärme abfließt.
- 7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnplatte jeden der erwähnten Backen (A, B) mit einer wärmeisolierenden Werkstoffauflage (27, 31) genügend harter Konsistenz versehen ist.
- 8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Backen (A,B) aus wärmeisolierendem Werkstoff bestehen.
- 9. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine durchgehende Masse am zweiten Backen befestigt ist, die von dem ersten Backen genügend weit entfernt ist. um in der Anordnung des zweiten Backens einen Wellenpfad zu schaffen, welcher praktisch eine ungerade Zahl von Viertelswellenlängen der Schwingungsfrcquenz lang ist.
- 10. Vorrichtung nach Anspruch 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiches Kissen (20) aus schalldämpfendem Material zwischen dem Oszillator (L)) und dem Backen, auf welchen er aufgelegt wird, angeordnet ist.
- I l. Vorrichtung gemäß Anspruch 6 bis lo, dadurch gekennzeichnet, daß die Backen (A, B) mit glcichgcrichtetcn Nuten (50, 52) in den gegenüberstehenden Flächen versehen sind, und daß die erwähnten wärmeisolierenden Teile in Form von Streifen (51, 53) in jeder Nut eingebettet sind und auf ihre ganze Länge daraus hervorstehen, wobei die Streifen beider Backen so angeordnet sind, daß sie das bildsame Material zwischen sich halten.
- 12. Vorrichtung gemäß Anspruch 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der eine der beiden Backen aus einer Rolle (65) besteht.
- 13. Vorrichtung gemäß Anspruch 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer ,der Backen aus einer Rolle (70) mit einem vorspringenden Teil (71) und abgesetzten Schultern (72) besteht.
- 14. Vorrichtung gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der eine der beiden Backen eine verhältnismäßig schmale Kante besitzt, welche der Rolle (70) gegenübersteht, deren Erhöhung (71) der vorerwähnten Kante gegenübersteht.
- 15. Vorrichtung gemäß Anspruch 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Backen- und Rollenmaterial neben der erwähnten Kante bzw. der Erhöhung so angeordnet ist, daß es einen Anschlag bildet, welcher verhindert, daß die Stücke (33, 34) durch die Kante und Erhöhung voneinander getrennt werden.
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