WO2008104265A1 - Verfahren zur reparatur eines bauteils - Google Patents

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WO2008104265A1 PCT/EP2008/000873 EP2008000873W WO2008104265A1 WO 2008104265 A1 WO2008104265 A1 WO 2008104265A1 EP 2008000873 W EP2008000873 W EP 2008000873W WO 2008104265 A1 WO2008104265 A1 WO 2008104265A1
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Peter Scheid
Christian Thum
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Airbus Defence and Space GmbH
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EADS Deutschland GmbH
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    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C73/00Repairing of articles made from plastics or substances in a plastic state, e.g. of articles shaped or produced by using techniques covered by this subclass or subclass B29D
    • B29C73/04Repairing of articles made from plastics or substances in a plastic state, e.g. of articles shaped or produced by using techniques covered by this subclass or subclass B29D using preformed elements
    • B29C73/10Repairing of articles made from plastics or substances in a plastic state, e.g. of articles shaped or produced by using techniques covered by this subclass or subclass B29D using preformed elements using patches sealing on the surface of the article

Definitions

  • the invention relates to a method for repairing a component according to the preamble of claim 1.
  • the shank is formed with a step surface and a repair piece prefabricated with a corresponding step surface is introduced into the shank as repair material.
  • the term “shank” refers to a recess formed on a workpiece, the depth of which increases conically toward the center of the recess.
  • stepped shank as used herein for the recess formed in the invention is intended to express that although the recess depth increases towards a center of the recess, the recess surface is not cone-shaped but has at least one step.
  • a shank with a predetermined step surface is often simpler and more precise in practice than the formation of a corresponding conical surface.
  • the introduction of a prefabricated repair piece with a corresponding step surface therefore requires, if at all, at most slight shape adjustments.
  • With sufficiently precise training of the stepped stiffening as well as the prefabricated repair piece is advantageously a "flush" repair of the damage possible, especially without a separate step for reworking the Schaftung or for adapting the shape of the repair piece.
  • the repaired according to the invention component site tends to be more resistant to later occurring mechanical loads.
  • a preferred application of the invention is for the repair of structural components in the aerospace industry. It can be repaired both planar and curved components or component surfaces, in particular z. B. plate or cup-shaped components. In the component to be repaired, it may, for. B. may be a curved in one or two directions fuselage shell.
  • the component is a fiber composite component (eg made of CFRP) or a light metal component.
  • the stepped stock can be z. B. be formed by means of a laser.
  • the shank is made by machining such as milling.
  • a rotary cutting tool used for this, z. B. a router, this case z. B. are performed on the surface of the component, that successively several concentric circular surfaces or annular surfaces are milled with different depths in the surface, so that overall the desired gradation results.
  • the stepped Shuftung for example, using an appropriately trained tool guide such. B. be prepared in the aforementioned DE 43 20 750 A1 cutter guide.
  • the step surface has rounded and / or chamfered step edges.
  • a damaged area of the component is completely removed by the staking process.
  • a post-processing of the stepped creation before the introduction of the repair piece is often unnecessary, especially if the Schftungsvorgang z.
  • B. a milling cutter in an automated manner and / or using a mechanical positive guidance (see, for example, DE 43 20 750 A1) is guided over the component surface.
  • a milling cutter in an automated manner and / or using a mechanical positive guidance see, for example, DE 43 20 750 A1
  • it is even conceivable to design the stepped shaft by means of a suitably stepped milling tool in a single operation.
  • the step surface can z. B. have at least two stages. Preferably, the step surface on at least three stages.
  • the step surface preferably has steps as a function of the component thickness or material thickness. With 2 mm thickness typically 4 steps are realized, with 4 mm thickness typically 8 to 10 steps etc.
  • Each step can consist of a ring-shaped, in particular annular, around the damage center and extending substantially parallel to the component surface recess surface, which via an annular closed and substantially orthogonal to the component surface extending edge surface with a higher or lower, again substantially parallel to the component surface extending recess surface is connected.
  • a hard or hardened part for example of the same material as the component itself, is used as the repair piece.
  • the invention is suitable for the flush repair of damage of different sizes.
  • the repair piece to be introduced into the shank is taken from an assortment of repair pieces of different size and / or shape.
  • a suitably suitable geometry of the shank can be provided for the sheathing process and the matching repair piece can be selected.
  • FIG. 1 is a perspective view of a stepped component and a matching repair piece
  • Fig. 2 illustrates the insertion of the repair piece into the socket
  • Fig. 3 shows the component in the repaired state
  • FIG. 4 is a partial perspective cutaway view of the repaired component of FIG. 3.
  • FIG. 4 is a partial perspective cutaway view of the repaired component of FIG. 3.
  • FIG. 1 shows a plate-shaped fiber composite component 10, on the upper flat side or upper side 12 of which a first "stepped shank" 14 has been formed for the purpose of repairing a material damage in order to remove the damaged material region and immediately adjacent material regions from the component 10 ,
  • the Shuftung 14 has four stages comprising each annular "terrace surfaces" 16-1, 16-2, 16-3 and 16-4 (parallel to the component top 12).
  • a stepped transition from the terrace surface to the terrace surface or from the radially outermost terrace surface 16-1 to the component top side 12 and from the radially innermost terrace surface 16-4 to a recess bottom surface 18 takes place in the radial direction. These transitions occur in each case over an orthogonal to the component top 12 extending edge surface.
  • the terrace surfaces have 16-1 to 16-4 viewed in the radial direction identical dimensions. Since also the edge surfaces in the axial direction considered identical dimensions (height difference between adjacent terrace surfaces), is seen by the step surface of the Shuftung 14 a total of a conical surface approximated.
  • a prefabricated repair piece 20 is further shown, which is adapted in shape to the shape of the Schftung 14.
  • the repair piece 20 has on its lower side in the figure 22 a corresponding to the step surface of the Schwarzftung 14 stepped surface.
  • the corresponding step surface of the repair piece 20 effectively forms the "negative image" of the step surface of the socket 14.
  • the repair piece 20 serves as a repair material for replacing the material removed from the component 10 by the stamping operation.
  • a similar, in particular z. B. uses an identical fiber composite material.
  • FIG. 2 illustrates the introduction of the repair material in the form of the prefabricated repair piece 20 into the socket 14.
  • To anchor the repair Piece 20 in the Schftung 14 may be provided, for example, a bond.
  • FIG. 3 shows the completely repaired component 10 with the repair piece 20 inserted flush into the socket 14 and bonded there.
  • the repair piece 20 has a flat upper side 24, around the flat surface 12 of the component 10 also for the repaired component (FIG. Fig. 3).
  • FIG. 4 shows the repaired component 10 of FIG. 3 in a perspective, partially sectioned detail view. From this it is easy to see the full-surface and stepped, and thus very stable, contact between the material of the repair piece 20 and the material of the component 10 realized here.
  • the described method realizes a high-quality repair.
  • the repair can be done in a short time and provides good reproducible results.
  • This is z. B. a mobile use at the site of the damage (eg airport, manufacturer, operator, etc.) allows.
  • already prefabricated repair pieces can be used.
  • For the repair of fiber composite components are therefore in particular already fully cured repair pieces into consideration, which advantageously also have a long-term storage stability and thus z. B. in an assortment can be kept in stock.
  • the repair piece can optionally - when using a so-called "copy router” - be used directly as a copy template to form by the copying process to the repair piece matching step surface of the Schftung. If the stepped creation is formed by means of milling tools with corner radius and / or edges remaining after a first milling operation are rounded and / or chamfered by a subsequent finishing operation, a reduction in the notch effect occurs during use of the completely repaired component and unwanted effects can occur mechanical voltage peaks are built.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reparatur eines Bauteils (10), insbesondere Faserverbundbauteils, umfassend die Schritte: Schäftung des Bauteils (10) im Bereich einer Schadensstelle und Einbringung von Reparaturmaterial in die Schäftung (14). Um hierbei in einfacher Weise ein reproduzierbares Reparaturergebnis mit hoher Qualität zu ermöglichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Schäftung (14) mit einer vorbestimmten Stufenfläche ausgebildet wird und als Reparaturmaterial ein mit einer korrespondierenden Stufenfläche vorgefertigtes Reparaturstück (20) in die Schäftung (14) eingebracht wird.

Description

Verfahren zur Reparatur eines Bauteils
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reparatur eines Bauteils nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der DE 43 20 750 A1 bekannt. In dieser Veröffentlichung wird zur Reparatur eines Bauteils aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) vorgeschlagen, eine so genannte Schaffung des Schadensbereiches um das Schadenszentrum (z. B. Loch) durch Ausfräsen mit an- schließendem Ausschleifen zu einer konischen Fläche auszubilden. Auf diese Konusfläche wird sodann ein Reparaturflicken geklebt.
Zur Vereinfachung des Schäftungsvorganges wird in der DE 43 20 750 A1 ferner eine spezielle Werkzeugführung für einen Fräser oder dergleichen vorgeschlagen, mittels welcher eine Schaffung ausgearbeitet werden kann, deren abgewickelte Fläche (gegebenenfalls nach entsprechender Nachbearbeitung) ebenfalls einen senkrechten Kreiskegel ergibt.
Das Ergebnis der bekannten Reparatur ist nicht in allen Anwendungsfällen zufrie- denstellend. Außerdem erfordert die Bedienung der Werkzeugführung eine gewisse Erfahrung, um ein möglichst gut definiertes Schäftungsverhältnis (Verhältnis zwischen Radius der Konusfläche und Tiefe der Konusfläche bzw. Bauteildicke) zu erzielen. Ungenauigkeiten der Schäftungsform hätten zur Folge, dass ein "anpassungsfähiges" Reparaturmaterial erforderlich ist, beispielsweise ein nach der Einbringung in die Schaffung noch in einem separaten Arbeitsschritt formanzupassender und auszuhärtender Reparaturflicken. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei welchem in einfacher Weise ein reproduzierbares Reparaturergebnis hoher Qualität erzielbar ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Für die Erfindung ist wesentlich, dass die Schäftung mit einer Stufenfläche ausgebildet wird und als Reparaturmaterial ein mit einer korrespondierenden Stufenflä- che vorgefertigtes Reparaturstück in die Schäftung eingebracht wird.
Ganz allgemein bezeichnet der Begriff "Schäftung" eine an einem Werkstück ausgebildete Ausnehmung, deren Tiefe zum Zentrum der Ausnehmung hin konusartig zunimmt.
Der hier verwendete Begriff "gestufte Schäftung" für die bei der Erfindung ausgebildete Ausnehmung soll zum Ausdruck bringen, dass die Ausnehmungstiefe zwar zu einem Zentrum der Ausnehmung hin zunimmt, die Ausnehmungsfläche jedoch nicht konusförmig ist sondern wenigstens eine Stufe aufweist.
Die Ausbildung einer Schäftung mit einer vorbestimmten Stufenfläche ist in der Praxis oftmals einfacher und präziser möglich als die Ausbildung einer entsprechenden Konusfläche. Die Einbringung eines vorgefertigten Reparaturstücks mit einer korrespondierenden Stufenfläche erfordert daher, wenn überhaupt, allenfalls geringfügige Formanpassungen. Bei hinreichend präziser Ausbildung der gestuften Schäftung sowie des vorgefertigten Reparaturstücks ist vorteilhaft eine "bündige" Reparatur des Schadens möglich, insbesondere auch ohne einen separaten Arbeitsschritt zur Nachbearbeitung der Schäftung oder zur Formanpassung des Reparaturstücks. Außerdem ist die gemäß der Erfindung reparierte Bauteilstelle tendenziell widerstandsfähiger gegenüber später auftretenden mechanischen Belastungen.
Eine bevorzugte Anwendung der Erfindung besteht für die Reparatur von Struk- turbauteilen in der Luft- und Raumfahrtindustrie. Es können sowohl ebene als auch gekrümmte Bauteile bzw. Bauteiloberflächen repariert werden, insbesondere z. B. platten- oder schalenförmige Bauteile. Bei dem zu reparierenden Bauteil kann es sich z. B. um eine in einer oder zwei Richtungen gekrümmte Flugzeugrumpfschale handeln.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Bauteil ein Faserverbundbauteil (z. B. aus CFK) oder ein Leichtmetallbauteil ist.
Die gestufte Schäftung kann z. B. mittels eines Lasers ausgebildet werden. In ei- ner bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Schäftung durch eine spanabhebende Bearbeitung wie beispielsweise ein Fräsen. Ein hierfür verwendetes rotierend spanabhebendes Werkzeug, z. B. ein Fräser, kann hierbei z. B. so an der Oberfläche des Bauteils geführt werden, dass nacheinander mehrere konzentrische Kreisflächen oder Kreisringflächen mit unterschiedlichen Tiefen in die Oberfläche gefräst werden, so dass sich insgesamt die gewünschte Stufung ergibt. Die gestufte Schäftung kann beispielsweise unter Verwendung einer entsprechend ausgebildeten Werkzeugführung wie z. B. der in der eingangs erwähnten DE 43 20 750 A1 beschriebenen Fräserführung ausgearbeitet werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Stufenfläche abgerundete und/oder abgefaste Stufenkanten aufweist. Durch diese Maßnahme können vorteilhaft Kerbwirkungen und mechanische Spannungsspitzen an der fertigen Reparaturstelle vermindert werden. Abgesehen von einer entsprechenden Füh- rung eines Fräswerkzeugs kommt hierfür auch der Einsatz von Fräswerkzeugen mit einem Eckenradius in Betracht.
Bevorzugt wird durch den Schäftungsvorgang ein beschädigter Bereich des Bau- teils vollständig entfernt. Eine Nachbearbeitung der gestuften Schaffung vor dem Einbringen des Reparaturstücks ist oftmals entbehrlich, insbesondere wenn beim Schäftungsvorgang z. B. ein Fräser in automatisierter Weise und/oder unter Verwendung einer mechanischen Zwangsführung (vgl. z. B. DE 43 20 750 A1) über die Bauteiloberfläche geführt wird. Bei Schadensstellen mit kleineren Abmessun- gen ist es sogar denkbar, die gestufte Schäftung mittels eines entsprechend gestuften Fräswerkzeugs in einem Arbeitsgang auszubilden.
Die Stufenfläche kann z. B. mindestens zwei Stufen aufweisen. Bevorzugt weist die Stufenfläche mindestens drei Stufen auf. Bevorzugt weist die Stufenfläche Stu- fen in Abhängigkeit der Bauteildicke bzw. Materialdicke auf. Bei 2 mm Dicke werden typischerweise 4 Stufen realisiert, bei 4 mm Dicke typischerweise 8 bis 10 Stufen etc.
Jede Stufe kann aus einer ringförmig, insbesondere kreisringförmig, um das Schadenszentrum herum und im Wesentlichen parallel zur Bauteiloberfläche verlaufenden Ausnehmungsfläche bestehen, welche über eine ringförmig geschlossen und im Wesentlichen orthogonal zur Bauteiloberfläche verlaufende Kantenfläche mit einer höher oder tiefer liegenden, wieder im Wesentlichen parallel zur Bauteiloberfläche verlaufenden Ausnehmungsfläche verbunden ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass als Reparaturstück ein hartes bzw. ausgehärtetes Teil, beispielsweise aus dem gleichen Material wie das Bauteil selbst, verwendet wird. Ein solches "fertiges" Reparaturstück, kann insbesondere z. B. durch Kleben in der Schäftung am Bauteil befestigt werden. Die Erfindung eignet sich zur bündigen Reparatur von Schäden unterschiedlicher Größen. In dieser Hinsicht ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass das in die Schäftung einzubringende Reparaturstück aus einem Sorti- ment von Reparaturstücken unterschiedlicher Größe und/oder Form entnommen wird. Je nach geometrischer Abmessung der Schadensstelle kann für den Schäf- tungsvorgang eine entsprechend geeignete Schäftungsgeometrie (Formgestaltung der Stufenfläche) vorgesehen werden und das dazu passende Reparaturstück ausgewählt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung eines gestuft geschäfteten Bauteils sowie eines dazu passenden Reparaturstücks,
Fig. 2 veranschaulicht das Einsetzen des Reparaturstücks in die Schäftung,
Fig. 3 zeigt das Bauteil im reparierten Zustand, und
Fig. 4 ist eine perspektivische, teilweise geschnittene Detaildarstellung des reparierten Bauteils von Fig. 3.
Fig. 1 zeigt ein plattenförmiges Faserverbundbauteil 10, an dessen in der Figur oberen Flachseite bzw. Oberseite 12 zum Zwecke einer Reparatur eines Materialschadens zunächst eine "gestufte Schäftung" 14 ausgebildet wurde, um den beschädigten Materialbereich und unmittelbar benachbarte Materialbereiche von dem Bauteil 10 zu entfernen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt die Schäftung 14 vier Stufen umfassend jeweils kreisringförmige "Terrassenflächen" 16-1 , 16-2, 16-3 bzw. 16-4 (parallel zur Bauteiloberseite 12). Wie es aus der Figur ersichtlich ist, erfolgt in radialer Richtung ein gestufter Übergang von Terrassenfläche zu Terrassenfläche bzw. von der radial äußersten Terrassenfläche 16-1 zur Bauteiloberseite 12 und von der radial innersten Terrassenfläche 16-4 zu einer Ausnehmungsbodenfläche 18. Diese Übergänge erfolgen jeweils über eine orthogonal zur Bauteiloberseite 12 sich erstreckende Kantenfläche.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel besitzen die Terrassenflächen 16-1 bis 16-4 in Radialrichtung betrachtet identische Abmessungen. Da auch die Kantenflächen in Axialrichtung betrachtet identische Abmessungen (Höhenunterschied zwischen benachbarten Terrassenflächen) besitzen, wird durch die Stufenfläche der Schäftung 14 insgesamt gesehen eine Konusfläche angenähert.
In Fig. 1 ist ferner ein vorgefertigtes Reparaturstück 20 dargestellt, welches in seiner Form an die Form der Schäftung 14 angepasst ist. Insbesondere besitzt das Reparaturstück 20 an seiner in der Figur unteren Seite 22 eine korrespondierend zur Stufenfläche der Schäftung 14 ausgebildete Stufenfläche. Die korrespondie- rende Stufenfläche des Reparaturstücks 20 bildet gewissermaßen das "negative Abbild" der Stufenfläche der Schäftung 14.
Das Reparaturstück 20 dient als Reparaturmaterial zum Ersatz des durch den Schäftungsvorgang von dem Bauteil 10 entfernten Materials. Im dargestellten Aus- führungsbeispiel wurde zur Fertigung des Reparaturstücks 20 ein artgleiches, insbesondere z. B. ein identisches Faserverbundmaterial verwendet.
Fig. 2 veranschaulicht die Einbringung des Reparaturmaterials in Form des vorgefertigten Reparaturstücks 20 in die Schäftung 14. Zur Verankerung des Reparatur- Stücks 20 in der Schäftung 14 kann beispielsweise eine Verklebung vorgesehen sein.
Fig. 3 zeigt das fertig reparierte Bauteil 10 mit dem bündig in die Schäftung 14 eingebrachten und dort verklebten Reparaturstück 20. Im dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt das Reparaturstück 20 eine ebene Oberseite 24, um die hier ebene Oberfläche 12 des Bauteils 10 auch für das reparierte Bauteil (Fig. 3) zu erhalten.
Fig. 4 zeigt das reparierte Bauteil 10 von Fig. 3 in einer perspektivischen, teilweise geschnittenen Detailansicht. Daraus ist gut der hier realisierte vollflächige und gestufte, und somit sehr stabile Kontakt zwischen dem Material des Reparaturstücks 20 und dem Material des Bauteils 10 zu erkennen.
Zusammenfassend wird mit dem beschriebenen Verfahren eine qualitativ hochwertige Reparatur realisiert. Die Reparatur kann mit geringem Zeitaufwand durchgeführt werden und liefert gut reproduzierbare Resultate. Damit ist z. B. ein mobiler Einsatz am Ort des Schadens (z. B. Flughafen, Hersteller, Betreiber etc.) ermöglicht. Vorteilhaft können bereits vorgefertigte Reparaturstücke zum Einsatz kommen. Für die Reparatur von Faserverbundbauteilen kommen daher insbesondere bereits vollständig ausgehärtete Reparaturstücke in Betracht, die vorteilhaft auch eine langzeitige Lagerstabilität aufweisen und somit z. B. in einem Sortiment auf Vorrat gehalten werden können.
Das Reparaturstück kann gegebenenfalls - bei Verwendung einer so genannten "Kopierfräse" - direkt als Kopiervorlage verwendet werden, um durch den Kopiervorgang eine zum Reparaturstück passende Stufenfläche der Schäftung auszubilden. Falls die gestufte Schaffung mittels Fräswerkzeugen mit Eckenradius ausgebildet wird und/oder nach einem ersten Fräsvorgang verbleibende Kanten durch eine nachfolgende Nachbearbeitung abgerundet und/oder abgefast werden, so tritt bei der Verwendung des fertig reparierten Bauteils eine Verminderung der Kerbwir- kung auf und es können ungewollte mechanische Spannungsspitzen aufgebaut werden.
Ebenfalls abweichend vom beschriebenen Ausführungsbeispiel kann insbesondere für schalen- oder plattenförmige Bauteile vorgesehen sein, dass die Schaffung das Bauteil vollständig durchsetzt, also keine Bodenfläche besitzt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Reparatur eines Bauteils (10), insbesondere Faserverbundbauteils, umfassend die Schritte:
- Schaffung des Bauteils (10) im Bereich einer Schadensstelle, und
- Einbringung von Reparaturmaterial in die Schaffung (14),
dadurch gekennzeichnet, dass die Schaffung (14) mit einer Stufenfläche ausgebildet wird und als das Reparaturmaterial ein mit einer korrespondierenden Stufenfläche vorgefertigtes Reparaturstück (20) in die Schaffung (14) eingebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Schaffung durch eine spanabhebende Bearbeitung erfolgt.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Stufenfläche abgerundete und/oder abgefaste Stufenkanten aufweist.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Stufenfläche mindestens zwei Stufen aufweist.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei als Reparatur- stück (20) ein hartes bzw. ausgehärtetes Teil verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das einzubringende Reparaturstück (20) aus einem Sortiment an Reparaturstücken unterschiedlicher Größe und/oder Form entnommen wird.
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