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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Rumpfstruktur die zum Beispiel im Flugzeugbau oder im Raumfahrtbereich eingesetzt werden kann.
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Im allgemeinen weisen die Rümpfe moderner Verkehrsflugzeuge eine Rumpfanordnung auf, die aus einer außenseitigen Haut und einer innenseitigen Haut besteht, sowie Strukturbauteilen. Die Strukturbauteile, also beispielsweise Stringer oder Spanten, sind dabei mit der jeweiligen Haut insbesondere für eine hohe Stabilität des Rumpfs verbunden und bilden eine quer- und längsversteifte Tragkonstruktion, welche die Außenhaut stützt. Diese Einheiten, auch Schalen genannt, werden anschließend zu Sektionen bzw. Röhrenabschnitten zusammengefügt. Im weiteren Zusammenbau bilden diese Einheiten dann in der Summe den Druckrumpf. Des Weiteren ist die innenseitige Haut mit einer Verkleidung versehen, wobei die Verkleidung beispielsweise zusätzliche Einrichtungen aufweist, wie beispielsweise Gepäckfächer, die über den Köpfen der Passagiere angeordnet sind, sog. head racks.
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Solche Rümpfe haben jedoch den Nachteil, dass sie relativ aufwendig in der Herstellung und Montage sind, da die tragende Konstruktion bzw. Primärstruktur des Rumpfes aus einer Außenhaut und einer Innenhaut sowie Strukturbauteilen gebildet wird. An der Innenhaut muss zusätzlich eine Verkleidung, beispielsweise für den Passagierraum, vorgesehen werden. Die Verkleidung hat hierbei jedoch selbst keine tragende Funktion. Dieser Aufbau hat außerdem den Nachteil, dass er ein relativ hohes Gewicht durch die Vielzahl an Bauteilen aufweist.
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Aus der
DE 10 2006 002 248 A1 ist eine strukturgebende Konstruktion für einen Flugzeugrumpf bekannt. Die strukturgebende Konstruktion umfasst eine Außenhaut, sowie mehrere quer zur Rumpflängsrichtung im Abstand nebeneinander verlaufende Spante. Wenigstens eine Teilanzahl der Spante weist im Querschnitt einen rinnenartig ausgeführten Spanthauptabschnitt auf, welcher mit seinen Rinnenrändern der Außenhaut benachbart ist. Der Rinnenraum des Spanthauptabschnitts dient zur Unterbindung mindestens einer Versorgungsleitung. Zum Kabineninneren hin ist die Rumpfkonstruktion durch eine Innenverkleidung abgeschlossen, unter der sich eine Isoliermaterialanordnung befindet, welche den Raum zwischen der Verkleidung und der Außenhaut ausfüllt.
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Obwohl auf beliebige Rumpfarten und andere Bauteile anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrundeliegende Problematik in Bezug auf einen Rumpf eines Verkehrsflugzeuges näher erläutert.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Rumpfstruktur bereitzustellen, die eine Gewichtseinsparung zulässt und außerdem eine kompaktere Bauweise aufweist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Rumpfstruktur mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Demgemäß wird eine Rumpfstruktur zum Einsatz in einem Luft- oder Raumfahrzeugs bereitgestellt, wobei die Rumpfstruktur eine Außenhaut aufweist und Strukturbauteile, die mit der Außenhaut verbunden sind, sowie eine Innenverkleidung, die mit der Außenhaut und den Strukturbauteilen eine tragende Struktur bildet, wobei die Strukturbauteile an der Außenhaut befestigt sind und die Innenverkleidung an den Strukturbauteilen mittels einer Klebeverbindung, Nietverbindung, Schraubverbindung und/oder Schweißverbindung befestigt ist und wobei die Strukturbauteile Stringer und Spanten umfassen.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, die Innenverkleidung nicht einfach nur als Sichtschutz zu verwenden, sondern auch als Teil der Primärstruktur auszubilden, d. h. als tragende Struktur.
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Dies wird erreicht, indem eine Rumpfstruktur bereitgestellt wird die aus der Außenhaut, der Innenverkleidung und dazwischen angeordneten Strukturbauteilen, wie beispielsweise Stringer und Spanten, besteht. Die Innenverkleidung wird dabei direkt mit den Strukturbauteilen verbunden.
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Somit erlaubt es die Erfindung die Innenverkleidung als tragende Struktur zu nutzen, wobei auf eine zusätzliche tragende Innenhaut verzichtet werden kann. Dadurch kann erheblich an Gewicht, sowie an Herstellungs- und Montagekosten eingespart werden.
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Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weisen die Strukturbauteile, wie Stringer und Spanten, ein Hohlprofil auf, wie beispielsweise ein Omega- und/oder Y-Hohlprofil. Es ist jedoch auch jedes andere Hohlprofil denkbar. Ein solches Holprofil hat den Vorteil, einer verbesserten strukturellen Integrität.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird in dem Hohlprofil beispielsweise ein Leitungssystem bestehend aus einer oder mehreren Leitungen hindurchgeführt werden. Dies hat den Vorteil, dass die Leitungen hierbei nicht wie bisher aufgelöst in der Rumpfstruktur geführt werden. Des Weiteren kann den Hohlprofilen eine zusätzliche Integrität verliehen werden.
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Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform weist das Leitungssystem als Leitungen beispielsweise Elektroleitungen und/oder Leitungen zum hindurchleiten von flüssigen oder gasförmigen Medien auf. Hierbei kann beispielsweise Luft der Klimaanlage bzw. der Belüftung durch eine jeweilige Leitung hindurchgeführt werden. Grundsätzlich ist hierbei aber auch denkbar, die Luft direkt durch das Hohlprofil zu leiten, d. h. ohne eine Leitung, wie beispielsweise einen Schlauch, hierfür vorzusehen, der durch das Hohlprofil geführt wird.
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In einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform ist das Leitungssystem oder Teile des Leitungssystems von einem Schlauch oder einem Gewebe umgeben. Der Schlauch und/oder das Gewebe können dabei im Wesentlichen das Leitungssystem über die gesamte Länge umgeben oder zumindest einen oder mehrere Abschnitte davon. Der Schlauch bzw. das Gewebe sind beispielsweise elastisch oder zumindest teilweise elastisch ausgebildet. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass der Schlauch oder das Gewebe das Leitungssystem bestehend beispielsweise aus mehreren Leitungen zusammenhält und zusätzlich stabilisiert, so dass Leitungen sich beispielsweise nicht so einfach ineinander verschlingen können. Der Schlauch oder das Gewebe können dabei beispielsweise aus einem Verbundwerkstoff wie CFK, AFK, GFK, GLARE und/oder HSS-GLARE gebildet sein, wobei durch die Ausbildung als Gewebe, eine gewisse Flexibilität des Verbundwerkstoffs erreicht werden kann.
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Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist wenigstens eine Einrichtung zum Messen von Signallaufzeiten bei den Leitersystemen vorgesehen. Die Signallaufzeiten werden hierbei ausgewertet und wahlweise zusätzlich protokolliert. Dies hat den Vorteil, dass beispielsweise anhand der Signallaufzeiten bestimmt werden kann, ob sich der Rumpf des Flugzeugs beispielsweise ausdehnt oder zusammenzieht. Daraus können Rückschlüsse beispielsweise für Wartungsintervalle gezogen werden.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist das Hohlprofil innen und/oder außen mit einer geeigneten Isolierung versehen sind. Dies hat den Vorteil, dass das Hohlprofil entsprechend nach innen bzw. außen isoliert werden kann, je nachdem welche Art von Leitungssystem in dem Hohlprofil geführt ist. So können beispielsweise Leitungen für die Klimaanlage oder andere Aggregate hindurchgeführt werden, bei denen in den Leitungen warme oder heiße, flüssige oder gasförmige Medien geführt werden. Diese können entweder selbst oder durch die Isolierung des Hohlprofils geeignet isoliert werden.
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In einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform bestehen die Außenhaut, die Strukturbauteile und/oder die Innenverkleidung aus wenigstens einem oder mehren Verbundwerkstoffen, wie beispielsweise CFK, GFK, AFK, GLARE und/oder HSS-GLARE. Insbesondere Bauteile aus CFK und GLARE haben den Vorteil, dass sie eine hohe Stabilität bei einem gleichzeitigen geringen Gewicht aufweisen.
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Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform können die Außenhaut, die Strukturbauteile und/oder die Innenverkleidung auch ein Metall- bzw. eine Metalllegierung aufweisen, beispielsweise aus Aluminium, Stahl und/oder Titan. Alternativ können die vorgenannten Bauteile auch eine Kombination aus Metall bzw. einer Metalllegierung und wenigstens einem oder mehreren Verbundwerkstoffen, wie beispielsweise CFK, GFK, AFK, GLARE und/oder HSS-GLARE, aufweisen. Die Werkstoffe werden hierbei beispielsweise unter Gesichtspunkten, wie Gewicht, Stabilität, Korrosion usw. miteinander kombiniert.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Figur der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:
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1 eine schematische Querschnittansicht einer erfindungsgemäßen Rumpfstruktur.
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2 eine schematische Schnittansicht durch ein erfindungsgemäßes Hohlprofil.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Rumpfstruktur 10 in einer Querschnittsansicht gezeigt. Die Darstellung in 1 ist dabei reinschematisch und stark vereinfacht. Sie dient im Wesentlichen zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Prinzips.
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Hierbei weist die erfindungsgemäße Rumpfstruktur 10 eine Außenhaut 12 auf. Des Weiteren bildet gemäß der Erfindung die Innenverkleidung 14 einen Teil der Primärstruktur bzw. der tragenden Struktur, so dass beispielsweise im Gegensatz zum Stand der Technik wahlweise auf eine zusätzliche tragende Innenhaut verzichtet werden kann. Die Innenverkleidung 14 ist als tragende Struktur beispielsweise mit den zugehörigen Strukturbauteilen 16, wie Stringer 18 und Spanten (nicht dargestellt) verbunden. Die Innenverkleidung 14 kann dabei einen oder mehrere Verbundwerkstoffe, wie beispielsweise CFK, GFK, AFK, GLARE und/oder HSS-GLARE, aufweisen. Alternativ kann die Innenverkleidung 14 auch Metall bzw. eine geeignete Metalllegierung aufweisen, bzw. eine Kombination aus wenigstens einem oder mehreren Verbundwerkstoffen mit einem Metall bzw. einer Metalllegierung.
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Die Strukturbauteile 16 sind zunächst beispielsweise an der Außenhaut 12 befestigt. Hierzu kann die Befestigung beispielsweise mittels Nietverbindungen, Schraubverbindungen, Klebeverbindungen und/oder Schweißverbindungen usw. erfolgen. Des Weiteren können zusätzliche Verbindungselemente (nicht dargestellt), wie beispielsweise Clips und/oder Cleats, zur Befestigung von Stringern 18 und Spanten eingesetzt werden.
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Die Innenverkleidung 14 kann dabei als tragende Struktur beispielsweise ebenfalls mittels Klebeverbindungen an den Strukturbauteilen 16 und/oder an der Außenhaut 10 befestigt werden. Beispielsweise kann die Innenverkleidung 14 an Innengurtseiten von Spanten aufgeklebt werden. Grundsätzlich können zur Befestigung der Innenverkleidung 14 und der Strukturbauteile 16 neben Klebeverbindungen bzw. zusätzlich zu diesen auch Nietverbindungen, Schraubverbindungen, und/oder Schweißverbindungen usw. eingesetzt werden.
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Für die Strukturbauteile 16, wie Stringer 18 und Spanten, können Hohlprofile 20 eingesetzt werden, wie beispielsweise Omega- oder Y-Profile oder jede andere Art von Hohlprofil. Die Hohlprofile 20, insbesondere für die Stringer 18, können dabei gemäß der Erfindung zusätzlich zur Leitung von Systemleitungen 22 genutzt werden bzw. als Elektrikrouten beispielsweise für die Flugsteuerung, zur Steuerung von Aggregaten usw.. Dabei kann eine Systemleitung 22 in einem Hohlprofil 20 geführt werden oder auch mehrere bzw. eine Vielzahl hiervon, wie in 1 jeweils gestrichelt angedeutet ist. Die Abmessungen der Systemleitungen 22 und Hohlprofile 20, sowie der Innenverleidung 14 und der Außenhaut 12 sind in 2 dabei rein schematisch und nicht maßstäblich.
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Die Systemleitungen 22 können beispielsweise zusätzlich mit einem Schlauch oder einem Gewebe (nicht dargestellt) beispielsweise aus einem Verbundwerkstoff wie CFK, GFK, AFK, GLARE und/oder HSS-GLARE versehen werden. Der Schlauch bzw. das Gewebe können hierbei elastisch bzw. zumindest teilweise elastisch ausgebildet sein, wobei die Gewebestruktur bereits eine gewisse Elastizität bereitstellen kann.
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Wie in 2 dargestellt ist, kann das jeweilige Hohlprofil 20 wahlweise mit einer zusätzlichen Isolierung 24 versehen werden. Die Isolierung 24 ist dabei in 2 mit einer gestrichelten Linie eingezeichnet. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Systemleitung 22 selbst mit einer geeigneten Isolierung 24 versehen werden (nicht dargestellt). Die Isolierung 24 kann dabei abhängig von dem Leitungstyp oder der Position der Systemleitung gewählt werden, um die Systemleitung und/oder deren Umgebung vor unerwünschter Wärmeentwicklung oder Kälteentwicklung zu schützen. Die Isolierung 24 kann dabei innerhalb des Hohlprofils 20 angeordnet werden, wie in 2 gezeigt ist und/oder außen an dem Hohlprofil 20. Alternativ oder zusätzlich kann auch die entsprechende Systemleitung 22 mit einer Isolierung (nicht dargestellt) versehen werden oder die Systemleitungen 22 mit einer äußeren Isolierummantelung.
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Diese Anordnung der Systemleitungen 22 hat den Vorteil, dass die Systemleitungen 22 nicht mehr aufgelöst im Rumpf angeordnet sind oder nur zum Teil, wie in 1 angedeutet ist. Des Weiteren kann durch die Anordnung eines Teils der Systemleitungen 22 oder im Wesentlichen aller Leitungen innerhalb der Hohlprofile 20 eine zusätzliche Verstärkung der Tragstruktur erzielt werden.
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Des Weiteren kann wahlweise ein Flugzeug mit einer entsprechenden Einrichtung bzw. Einrichtungen zum Bestimmen bzw. Messen, Auswerten und Aufzeichnen bzw. Protokollieren von Signallaufzeiten vorgesehen werden, die Signale oder einen Teil von Signalen auswerten, die durch die Systemleitungen 22, hier Elektroleitungen, geleitet werden.
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Aus den Signalzeiten von Elektroleitungen, die beispielsweise in Hohlprofilen 20 der Stringer 18 angeordnet sind und zumindest durch einen oder mehrere Bereiche oder im Wesentlichen entlang des gesamten Rumpfs verlaufen, kann dann geschlossen werden, ob sich der Rumpf beispielsweise ausdehnt oder zusammenzieht. Diese Aufzeichnungen der Signalzeiten können hierbei für Wartungs-Aufzeichnungen genutzt werden und dabei beispielsweise für die Bestimmung von Wartungsintervallen.
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Dadurch können individuell für jedes Flugzeug geeignete Wartungsintervalle bestimmt werden, die zuvor im Stand der Technik allgemein für die jeweiligen Flugzeugtypen anhand von Modellen festgelegt wurden.
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Dadurch können bei Flugzeugen beispielsweise auch größere Wartungsintervalle festgelegt werden, wenn festgestellt wird, dass ein Flugzeug beispielsweise eine geringere Anzahl harter Landungen hatte als ansonsten in den vorgenannten Modellen im Schnitt für Flugzeuge angenommen wird. Dadurch können insgesamt deutlich realistischere Wartungsintervalle festgelegt werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Nutzung der Daten von Signallaufzeiten beschränkt, sondern diese Daten können grundsätzlich für eine Vielzahl weiterer Anwendungen genutzt werden.
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Neben Systemleitungen 22 bzw. Elektrikrouten können die Hohlprofile 20, insbesondere der Stringer 18, auch als Teil der Klimaanlage bzw. Belüftung oder dergleichen genutzt werden. Dabei kann entsprechend Luft über die Hohlprofile 20 geleitet werden. Dazu können wahlweise zusätzlich entsprechende Rohre oder Schläuche (nicht dargestellt) als Systemleitungen 22 fungieren, die in den Hohlprofilen 22 angeordnet werden, durch die dann die Luft oder jedes andere flüssige oder gasförmige Medium geleitet wird. Die Rohre oder Schläuche können dabei wahlweise zusätzlich mit einer geeigneten Isolierung versehen werden, um eine unerwünschte Wärmeentwicklung oder Kälteentwicklung in dem Rohr bzw. Schlauch und/oder seiner Umgebung zu verhindern. Alternativ oder zusätzlich kann wie zuvor beschrieben auch das Hohlprofil 20 selbst isoliert werden.
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Bei diesem erfindungsgemäßen Auslegungsprinzip von Rumpfschalen mit Stringern 18 wird der Bauplan eines Strohhalms nachgebildet.
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Dabei ist eine Doppelringstruktur von Stringern 18 aus einem faserigen Material, wie zuvor bereits genannt, beispielsweise einem Verbundwerkstoff wie CFK, AFK, GFK, GLARE und/oder HSS-GLARE vorgesehen, die wie Strohhalme entlang der Außenhaut 12 und der Innenverkleidung 14 angeordnet sind. Die Doppelringstruktur kann dabei in Form von den zuvor beschriebenen Hohlprofilen 20 realisiert werden, die an der Außenhaut 10 bzw. der Innenverkleidung 14 befestigt werden.
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Diese Haut-Stringer Struktur ist hierbei besonders für GFK- und CFK-Rumpfhäute und GFK- bzw. CFK-Stringer geeignet.
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Ein Vorteil ist hierbei, die erhöhte Festigkeit und das gutmütige Schadverhalten eines solchen Designs. Weitere Vorteile bietet die integrierte Innenverkleidung 14. Die Innenverkleidung 14 hat hierbei nicht nur eine reine Sichtschutzfunktion, wie dies bisher im Stand der Technik der Fall ist, sondern ist gemäß der Erfindung ein Teil der Primärstruktur bzw. der tragenden Struktur. Die Festigkeit dieser Innenverkleidung 14 wird derzeit im Stand der Technik nicht genutzt. Bei der erfindungsgemäßen Rumpfstruktur 10 werden die Innenverkleidungen 14, wie beispielsweise Dado-, Window- und Ceilingpanels usw., zu einem Teil der tragenden Primärstruktur, wodurch auf eine gesonderte Innenhaut zumindest teilweise oder vollständig verzichtet werden kann. Dadurch kann erheblich an Gewicht, sowie an Herstellungs- und Montagekosten eingespart werden.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorliegend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Rumpfstruktur
- 12
- Außenhaut
- 14
- Innenverkleidung
- 16
- Strukturbauteil
- 18
- Stringer
- 20
- Hohlprofil
- 22
- Systemleitung
- 24
- Isolierung