DE60105133T2 - Wärmeaktivierbare verstärkungshülse - Google Patents

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich auf eine verstärkte Hülse, die an einen Rahmenaufbau gekoppelt ist, um die Strukturfestigkeit und -steifigkeit des Rahmens an ausgewählten Stellen zu erhöhen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Hülse, die an einen Säulenabschnitt eines Automobilrahmens gekoppelt ist, wobei die Hülse ein Verstärkungsmedium trägt, das chemisch aktiviert wird und sich als Antwort auf einen vorgegebenen Wechsel der Umgebungsbedingungen ausdehnt.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Über viele Jahre hinweg war es eine Anliegen der Automobilindustrie, verbesserte Fahrzeugkarosseriestrukturen zu konstruieren, die Aufprallbelastungen, die auf das Fahrzeug an oder nahe der Fahrgastzelle einwirken, absorbieren oder ablenken. Nachdem es in der Automobilindustrie lange Zeit üblich war, die die Fahrgastzelle des Fahrzeugs umgebende Oberfläche zu verstärken, enthalten die Strukturen, die zur Verstärkung des die Fahrgastzelle umgebenden Rahmens verwendet werden, oft Metallkomponenten. Diese Metallverstärkungselemente neigen dazu, das Gewicht des Automobils in unerwünschter Weise zu erhöhen. In anderen Beispielen enthalten die Verstärkungselemente komplexe Anordnungen, die Schweißen oder mechanische Halterungen zur Befestigung des Verstärkungselementes am Rahmen benötigen.
  • Demzufolge existiert ein Bedarf nach einer leicht zu installierenden Vorrichtung mit geringem Gewicht zur Verstärkung der Rahmenstruktur des Automobils, insbesondere im Bereich der Fahrgastzelle.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine verstärkte Hülse zu definieren, welche die Fähigkeit eines Automobilrahmenaufbaus zur Energiedissipation einer auf den Fahrzeugrahmen einwirkenden Aufprallbelastung verbessert, um Deformationen des Rahmens an speziellen Stellen zu vermeiden.
  • Um diese und andere Ziele zu erreichen, wird eine Hülse mit einem Träger und einem Verstärkungsmedium, das von dem Träger getragen wird, zur Verfügung gestellt. Der Träger ist aus einem Polymermaterial hergestellt und enthält eine innere und äußere Oberfläche.
  • Die Schrift WO 97/43501 offenbart ein Strukturverstärkungselement, das aus einem länglichen Träger und einem Verstärkungsmedium besteht, das den Träger mit dem Verstär kungsmedium trägt, das sich entlang der Länge des Trägers erstreckt. Die Schrift WO 97/43501 bildet den nächstliegenden Stand der Technik gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Das Verstärkungsmedium erstreckt sich entlang mindestens eines Längenabschnitts des Äußeren des Trägers. Das Verstärkungsmedium ist ein Harz auf Epoxidbasis. Vorzugsweise besteht das Verstärkungsmedium aus einem durch Wärme aktivierten Strukturschaum, der sich auf Wärme hin typischerweise mit einer schäumenden Reaktion ausdehnt. Die bevorzugten Verstärkungsmaterialien sind Strukturschäume, die von L & L Produkts in Romeo, Michigan, unter den Bezeichnungen L5206, L5207, L5208 und L5209 erhältlich sind.
  • Die Hülse wird dadurch gebildet, dass (I) ein Träger zur Verfügung gestellt wird; (II) der Träger dadurch verstärkt wird, dass ein Verstärkungsmedium daran angewendet wird und (III) dass das Verstärkungsmedium auf eine Temperatur erwärmt wird, die ausreicht, um eine Ausdehnung des Verstärkungsmediums und eine Anhaften an die benachbarten Oberflächen zu verursachen, entweder über eine Verbindungsformulierung in dem Verstärkungsmedium selbst oder über eine separate adhäsive Schicht.
  • Ein allgemeines Verfahren zur Installation der Hülse in einem Rahmenelement enthält (I) die Bereitstellung eines Trägers mit einem hohlen Abschnitt; (II) das Koppeln der Hülse an den Träger und (III) das Erwärmen des energieabsorbierenden Mediums auf eine Temperatur, die ausreicht, eine Expansion des Verstärkungsmediums zu verursachen, wie etwa über die Aktivierung eines Treibmittels.
  • In einer Ausführungsform ist die Hülse an einen Säulenabschnitt eines Automobilrahmens gekoppelt. Die Hülse wird von einem hohlen Abschnitt des Säulenrahmens aufgenommen, wobei die Hülse einen Träger und ein Verstärkungsmedium enthält, das von dem Träger getragen wird. Das Verstärkungsmedium erstreckt sich entlang mindestens eines Längenabschnitts eines Trägers und wird auf das Erwärmen des Schaums auf dessen thermische Aktivierungstemperatur chemisch aktiviert.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Eigenschaften und erfinderischen Aspekte der vorliegenden Erfindung werden beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung, der Ansprüche und Zeichnungen offensichtlicher werden, wobei im Folgenden eine kurze Beschreibung der Zeichnungen gegeben wird:
  • 1 ist eine Aufrissansicht eines typischen Automobilrahmenaufbaus.
  • 2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer verstärkten Hülse, die gemäß der Lehre der Erfindung gebildet ist.
  • 3 zeigt eine Querschnittsansicht der Hülse der 2 entlang der Linie 3-3.
  • 4 zeigt die Hülse der 2 im nicht ausgehärteten Zustand, in einem Automobilrahmen am B-Säulenabschnitt des Rahmens installiert.
  • 5 zeigt eine Querschnittsansicht der Hülse der 2 im ausgehärteten Zustand, in einem Automobilrahmen am B-Säulenabschnitt des Rahmens installiert.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • 2 zeigt eine verstärkte Hülse 20, die gemäß der Lehre dieser Erfindung gebildet ist. Die Hülse 20 enthält einen Träger 22 und ein Verstärkungsmedium 24, das vom Träger 22 getragen wird.
  • Der Träger 22 ist ein längliches Element mit offenen Endabschnitten 26, 28. An dem Ende 26 enthält der Träger 22 eine U-förmige Aussparung 36 und eine längliche Öffnung 32, wobei sich jede an dazu passenden Komponenten auf dem Automobilrahmen ausrichtet oder alternativ eine Belüftung der Hülse 20 erlaubt. Am gegenüberliegenden Ende 28 definiert der Träger 22 eine Öffnung (nicht abgebildet), die sich ebenfalls an dazu passenden Komponenten eines Automobilrahmens ausrichtet oder alternativ eine Belüftung der Hülse 20 erlaubt. Die äußere Oberfläche des Trägers 22 trägt eine sich nach außen erstreckende C-förmige Stütze 30 zwischen den Endabschnitten 26, 28.
  • Innen ist der Träger 22 durch eine innere Platte 40 verstärkt, was am besten in 3 zu sehen ist. Die Platte 40 ist näherungsweise am mittleren Abschnitt des Trägers 22 angeordnet und enthält zwei Öffnungen 42, 44, die einen Durchgang von Komponenten durch den Träger 22 erlauben. Es sollte klar sein, dass die Öffnungen 42, 44 ebenfalls eine Luftzufuhr für den Träger 22, wenn nötig, erlauben.
  • Die innere Oberfläche des Trägers 22 trägt auch die verstärkenden Rippen 38. Die Rippen 38 erstrecken sich axial entlang des Trägers 20, beginnend jeweils am Ende 26, 28 und erstrecken sich nach innen in Richtung der Platte 40. Die Rippen 38 enden an den jeweiligen Seiten der Platte 40.
  • Vorzugsweise ist der Träger 22 aus einem gussfähigem Material hergestellt. Ein bevorzugtes Polymermaterial ist glasfaserverstärktes Nylon. Der Träger 22 kann unter Verwendung bekannter Techniken, wie etwa Spritzgussverfahren, Spritzgussverfahren mit Einsatzteilen, Druckgießen oder Blasformen gebildet werden. Ein Vorteil, den Träger 22 aus einem gussfähigen Material herzustellen, liegt in der Möglichkeit, den Träger 22 in einer Vielzahl von Konfigurationen zu formen. Insbesondere kann der Träger 22 unter Verwendung einer Form hergestellt werden, die nahezu die gleiche Konfiguration aufweist, wie die Komponente, mit der der Träger 22 gekoppelt wird beziehungsweise in die der Träger 22 eingeführt wird. Dies erleichtert den Zusammenbau des Trägers 22 mit der passenden Komponente, ohne dass mechanische Halterungen oder Schweißen notwendig wären.
  • Wenden wir uns nun der Erörterung des Verstärkungsmediums 24 zu. Wie in den 2, 4 und 5 abgebildet, trägt der Träger 22 das Verstärkungsmedium 24 entlang zumindest eines Abschnitts seiner äußeren Oberfläche. Der vorrangige Zweck des Verstärkungsmediums 24 liegt darin, die Strukturfestigkeit und -steifigkeit der Hülse 20 zu erhöhen. In der bevorzugten Ausführungsform ist das Verstärkungsmedium 24 ein Strukturschaum. Der Strukturschaum 24 erhöht die kompressive Festigkeit und strukturelle Steifigkeit der Hülse 20, ohne signifikant zum Gesamtgewicht der Hülse 20 beizutragen.
  • Typischerweise wird der Strukturschaum 24 am Träger 22 in Bereichen angebracht, an denen eine Haftverbindung und eine Lastvermittlung notwendig sind. Es dürfte klar sein, dass der Strukturschaum 24 den gesamten Träger 24 einschließen kann oder lediglich an ausgewählten Stellen ange bracht werden kann. Der Strukturschaum 24 bedeckt im Wesentlichen den gesamten in 2 abgebildeten Träger 22. Es sei jedoch bemerkt, dass es nicht notwendig ist, im Wesentlichen die gesamte Oberfläche des Trägers 22 bei allen Anwendungen abzudecken, für die die Hülse verwendet wird. Stattdessen kann der Strukturschaum 24 auf ausgewählte Bereiche des Trägers 22 angewendet werden, wobei andere Abschnitte des Trägers 22 unbeschichtet bleiben. Bei dem in 2 abgebildeten Beispiel bleiben lediglich die Endabschnitte 26, 28 und der Bereich der C-förmigen Stütze 30 unbeschichtet.
  • Der Strukturschaum 24 wird im Allgemeinen am Träger 22 in einem festen oder halbfesten Zustand angebracht. Der Strukturschaum 24 wird an den äußeren Umfang des Trägers 22 in einem halbfesten Zustand unter Verwendung allgemein bekannter Spritztechniken angebracht. Während des Anwendungsprozesses wird der Strukturschaum 24 auf eine Temperatur erhitzt, die es dem Strukturschaum 24 erlaubt, geringfügig zu fließen. Diese Temperatur ist jedoch nicht ausreichend, um eine Ausdehnung oder ein Aushärten des Schaums 24 zu verursachen. Nach dem Abkühlen härtet der Strukturschaum 24 und haftet an der äußeren Oberfläche des Trägers 22. Wo der Träger 22 aus einem Polymer hergestellt ist, ist es beispielsweise möglich, den Strukturschaum 24 in die Form für den Träger 22 während des Prozesses des Abformens des Trägers 22 zu spritzen. Diese Anordnung erlaubt eine im Wesentlichen vollständige Umschließung des äußeren Umfangs des Trägers 22.
  • Alternativ kann der Strukturschaum 24 auf den Träger 22 als vorgeformte Pellets angewendet werden, die geringfügig erwärmt werden, um den Pellets eine Anhaftung an die äußere Oberfläche des Trägers 22 zu ermöglichen. Bei diesem Arbeitsgang wird der Strukturschaum 24 lediglich soweit erwärmt, dass ein geringfügiges Fließen des Strukturschaums 22 verursacht wird, aber nicht soweit, um eine thermische Ausdehnung des Strukturschaums 24 zu verursachen. Es sei bemerkt, dass andere ausdehnbare Materialien verwendet werden können, wie etwa, ohne eine Begrenzung darzustellen, eine verkapselte Mischung von Materialien, die sich auf eine Aktivierung durch Temperatur, Druck, chemische Weise oder andere Umweltbedingungen ausdehnen.
  • Der Strukturschaum 24 ist ein Material auf Epoxidbasis, das ein Ethylencopolymer oder Terpolymer enthalten kann. Ein Copolymer oder Terpolymer ist aus jeweils zwei oder drei unterschiedlichen Monomeren zusammengestellt, d.h. kleine Moleküle mit hoher chemischer Reaktivität, die in der Lage sind, sich mit ähnlichen Molekülen zu verbinden, um ein Polymer zu bilden.
  • Im Stand der Technik ist eine ganze Anzahl Strukturverstärkungsschäume auf Epoxidbasis bekannt, die auch als Strukturschaum 24 verwendet werden können. Ein typischer Strukturschaum enthält ein Material auf Polymerbasis, wie etwa ein Epoxidharz oder ein Polymer auf Ethylenbasis, das sich, wenn es mit geeigneten Bestandteilen zusammengestellt wird (typischerweise ein Treibmittel, ein Füllstoff, ein Härter, etc.), auf eine zuverlässige und vorhersagbare Weise auf die Anwendung von Wärme oder eines anderen Aktivierungsreizes hin ausdehnt und aushärtet. Das resultierende Material weist eine Dichte auf, die ausreichend ist, einem unterstützten Gegenstand die gewünschte Festigkeit zu verleihen. Vom Standpunkt der Chemie für ein thermisch aktiviertes Material aus gesehen wird der Strukturschaum 24 üb licherweise anfänglich als thermoplastisches Material vor dem Härten verarbeitet. Nach dem Härten wird der Strukturschaum 16 typischerweise ein thermisch ausgehärtetes Material.
  • Ein Beispiel einer bevorzugten Formulierung des Strukturschaums 24 ist ein Material auf Epoxidbasis, das ein Ethylencopolymer oder Terpolymer enthalten kann, das von L & L Produkts in Romeo, Michigan, unter den Bezeichnungen L5206, L5207; L5208 und L5209 im Handel erhältlich ist. Ein Vorteil der bevorzugten Strukturschaummaterialien 24 gegenüber Materialien gemäß dem Stand der Technik liegt darin, dass die bevorzugten Materialien auf verschiedene Weisen verarbeitet werden können. Die bevorzugten Materialien können durch Spritzguss, Extrusion oder einem miniapplikatorartigen Extruder. Dies ermöglicht die Formulierung und Schaffung von Bauteilkonstruktionen, die die Möglichkeiten der meisten Materialien gemäß dem Stand der Technik übertreffen.
  • Während die bevorzugten Materialien zur Herstellung des Strukturschaums 24 offenbart worden sind, kann der Strukturschaum 24 aus anderen Materialien gebildet werden, vorausgesetzt, dass die gewählten Materialien durch wärme aktiviert werden oder auf andere Weise durch eine Umgebungsbedingung (z. B. Feuchtigkeit, Druck, Zeit oder ähnliches) aktiviert werden und sich in einer vorhersagbaren und zuverlässigen Weise unter für die gewählte Anwendung geeigneten Bedingungen ausdehnen. Ein derartiges Material ist das Harz auf Epoxidbasis, offenbart in der Schrift US 6,263,635 A . Einige andere mögliche Materialien enthalten, ohne darauf beschränkt zu sein, Polyolefin-Materialien, Copolymere und Terpolymere mit mindestens einer Monomerart als Alphaolefin, Phenol-/Formaldehyd-Materialien, Phenoxy-Materialien und Polyurethan-Materialien mit hohen Glasübergangstemperaturen. Im Allgemeinen enthalten die gewünschten Charakteristiken des Strukturschaums 24 eine hohe Steifigkeit, eine hohe Festigkeit, eine hohe Glasübergangstemperatur (typischerweise höher als 70° Celsius) und gute Korrosionsbeständigkeitseigenschaften.
  • In Anwendungen, bei denen ein durch Wärme aktiviertes, thermisch ausdehnbares Material verwendet wird, stellt die Temperatur, bei der eine Materialreaktion oder -ausdehnung und möglicherweise Aushärtung stattfinden wird, eine bei der Auswahl und Formulierung des Materials einschließlich des Strukturschaums 24 beteiligte wichtige Überlegung dar. Beispielsweise ist es in den meistens Anwendungen unerwünscht, dass das Material bei Raumtemperatur oder anderweitig bei der Umgebungstemperatur in der Umgebung einer Produktionslinie aktiv ist. Typischerweise wird der Strukturschaum 24 bei höheren Verarbeitungstemperaturen aktiv, wie etwa solchen, die in einem Automobilmontagewerk angetroffen werden, wenn der Schaum 16 zusammen mit den Automobilkomponenten bei erhöhten Temperaturen oder bei höheren angewendeten Energieniveaus verarbeitet wird. Während die bei einem Automobilmontagevorgang angetroffenen Temperaturen im Bereich von 148,89° Celsius bis 204,44° Celsius (300° Fahrenheit bis 400° Fahrenheit) liegen können, bewegen sich Karosserie- und Lackierarbeiten üblicherweise bei 121° Celsius (250° Fahrenheit) oder geringfügig darunter. Wenn nötig können die Treibmittel hinsichtlich der Aktivierung geändert werden, um eine Ausdehnung bei anderen Temperaturen außerhalb der obigen Bereiche zu verursachen.
  • Im Allgemeinen weisen ausdehnbare Schäume gemäß dem Stand der Technik einen Ausdehnungsbereich auf, der von ungefähr null bis über tausend Prozent reicht. Der Ausdehnungsgrad des Strukturschaums 24 kann bis auf 1500 Prozent oder höher erhöht werden.
  • Installation
  • 1 zeigt ein Automobil 1 mit einer vorderen Türöffnung 2, einen Dachabschnitt 3, einer A-Säule 4 und einer B-Säule 5. Die vordere Türöffnung 2 wird in der longitudinalen Richtung des Fahrzeugs durch die vordere bzw. A-Säule 4 und die hintere bzw. B-Säule 5 begrenzt. Unten wird die Türöffnung 2 durch eine Schwelle 6, oben durch den Dachabschnitt 3 begrenzt. Die A-Säule 4, die B-Säule 5, der Dachabschnitt 2 und die Schwelle 6 bilden einen Rahmen 7, der die Fahrgastzelle umgibt, die sich im Inneren benachbart der Türöffnung 2 befindet.
  • Konventionell sind die Säulen 4, 5 hohle Träger mit einem abgeschlossenen Profil. Gemäß der vorliegenden Erfindung nehmen die hohlen Mitten der Säulen 4, 5 jeweils die Hülse 20 auf, am besten zu sehen in den 1, 2, 4 und 5. Die Hülse 20 ist so konfiguriert, dass die C-Stütze 30, die Öffnung 32 sowie andere, in den Figuren nicht abgebildete Öffnungen und der U-förmige Abschnitt 36 sich zusammen mit den passenden Komponenten ausrichten, die durch die Säulen 4, 5 gebildet bzw. von diesen gehalten werden.
  • In 4 abgebildet befindet sich, wenn die Hülse 20 in die Säule 5 installiert wird, ein geringfügiger Zwischenraum zwischen dem Inneren der B-Säule 5 und der Hülse 20. Dem ist so, da der Strukturschaum 24 sich im unausge härteten Zustand befindet und dies es dem Strukturschaum 24 ermöglicht, eher an ein mit Elektrocoat vorbehandeltes Metall anzuhaften als an ein nicht vorbehandeltes Metall.
  • Insbesondere ermöglicht der Zwischenraum einen Elektrocoat-Durchfluss, was es der Grundierung ermöglicht, alle Metalloberflächen zu bedecken, um ein Anhaften des Strukturschaums zu erleichtern und einer Korrosion des Metalls vorzubeugen.
  • 5 veranschaulicht die Position des Strukturschaums 24 in der Automobilrahmenstruktur nach dem Aushärtezyklus. Wie abgebildet, haftet der Strukturschaum 24 an der inneren Oberfläche der Automobilrahmenstruktur und füllt im Wesentlichen die Lücke zwischen der inneren Oberfläche der Säule 5 und der Hülse 20.
  • Der Strukturschaum 24 ist vollständig dadurch ausgehärtet, dass der Strukturschaum 24 Temperaturen in einem Bereich unterzogen wurde, die von einem Farbofen des Typs erzeugt werden, der zum Aushärten vom Automobilkarosseriefarbe oder -grundierung verwendet wird. Es sollte klar sein, dass Farböfen bekannterweise Temperaturen von 121° Celsius (250° Fahrenheit) oder darüber erreichen. Demzufolge sollte es auch klar sein, dass der Strukturschaum dadurch ausgehärtet werden kann, dass die Hülse einfach auf eine Temperatur von 121° Celsius (250° Fahrenheit) erwärmt wird.
  • Die hohen Temperaturen, die bei der Aushärtung des Strukturschaums 24 verwendet werden, verursachen auch die Aktivierung der thermischen Ausdehnungseigenschaften des Strukturschaums 24. Die Anwendung des Strukturschaums 24 am Träger 22 erhöht die strukturelle Festigkeit und Steifig keit des Trägers 22. Im Ergebnis erhöhen sich die insgesamte strukturelle Festigkeit und Steifigkeit der Hülse 20.
  • Es sollte klar sein, dass verschiedene Alternativen der Ausführungsformen der Erfindung, die hierin beschrieben wurde, bei der Anwendung der Erfindung verwendet werden können. Die folgenden Ansprüche sind dazu gedacht, den Geltungsbereich der Erfindung zu definieren und dass das Verfahren und die Vorrichtung innerhalb des Geltungsbereichs dieser Ansprüche und ihrer Äquivalente dadurch abgedeckt sind.

Claims (13)

  1. Verstärkte Hülse (20), umfassend: Einen länglichen Träger (23) und ein Verstärkungsmedium (24), das von dem Träger (28) getragen wird, wobei das Verstärkungsmedium (24) entlang mindestens eines Längenabschnitts des Trägers (22) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (22) hohl ist und an einer Innenwand sich axial erstreckende Rippen (38) aufweist.
  2. verstärkte Hülse nach Anspruch 1, wobei der Träger (22) aus einer Polymerzusammensetzung hergestellt ist.
  3. Verstärkte Hülse nach Anspruch 2, wobei die Polymerzusammensetzung aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Sheet-Molding-Compounds, faserverstärkten Polymeren und mineralverstärkten Polymeren besteht.
  4. Verstärkte Hülse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Träger (22) an ein Automobilrahmensystem (7) gekoppelt ist.
  5. Verstärkte Hülse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verstärkungsmedium (24) ein Harz auf Epoxidbasis ist.
  6. Verstärkte Hülse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verstärkungsmedium (24) ein durch Wärme aktivierter Strukturschaum ist, der sich beim Erwärmen ausdehnt.
  7. Verstärkte Hülse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Träger (22) einen Abstandsabschnitt aufweist, der einen Zwischenraum zwischen der Hülse (20) und einer Oberfläche eines Automobilrahmens (7) erzeugt, wenn die Hülse an den Automobilrahmen (7) gekoppelt wird.
  8. Verstärkte Hülse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die weiterhin eine Stütze (30) umfasst, die an dem länglichen Träger befestigt ist.
  9. Automobilsäule (4, 5), umfassend: einen länglichen Hohlträger, der eine verstärkte Hülse (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 enthält.
  10. Verfahren zum Verstärken eines Rahmenelementes, das ein Bereitstellen eines Hohlträgers, ein Koppeln einer Hülse (20) nach einem der Ansprüche 6 oder 7 mit dem Hohlträger und ein Erwärmen umfasst, um die Ausdehnung des Verstärkungsmediums (24) zu verursachen.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Rahmenelement ein Abschnitt der Säule (4, 5) eines Automobilrahmens (7) ist.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei die Wärme mit mehr als 121 °C angewendet wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Wärme zwischen 149 °C und 205 °C angewendet wird.
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