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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Mehrlagenlaminatmaterial für Platten
und Formkörper
aus vorzugsweise im Autoklavverfahren herzustellendem faserverstärkten Kunststoff
mit mindestens einer Faserlage und mindestens einer Zusatzlage.
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Faser-Kunststoff-Verbunde
werden seit vielen Jahren anstelle von Metall verwendet, da sie
in Faserrichtung eine Zugfestigkeit vergleichbar zu Stahl aufweisen,
das Gewicht jedoch nur etwa ein Vierzehntel beträgt. Faserverstärkte Kunststoffe
weisen in der Regel hohe spezifische Steifigkeiten und Festigkeiten
auf, so dass sie für
Anwendungen im Leichtbau besonders gut geeignet sind. Die thermischen
und mechanischen Eigenschaften derartiger Faserstoffe können über verschiedene
Parameter eingestellt werden. Neben der Faser-Matrix-Kombination können z.B.
der Faserwinkel, der Faservolumenanteil oder die Schichtreihenfolge
variiert werden. Insbesondere sind faserverstärkte Kunst stoffe in den letzten
Jahren Fahrzeugbau und in der Luftfahrt wie auch im Sport eingesetzt
worden, um bei möglichst
geringem Gewicht eine große
Steifigkeit zu erzielen. Zu erwähnen
sind dabei Flügelaufbau,
Verkleidungen und Monocoques (Motorsport) sicherer und mit großer Leistungsbreite
zu gestalten. Für
diese Anwendungen werden als Faserstruktur u. a. Aramidgewebe oder
Hybridgewebe verwendet.
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Faserverstärkte Kunststoffe
gehören
seit langen zum Stand der Technik. Auch ist es bereits bekannt,
zwischen zwei Faserlagen eine zusätzliche Schicht einzubringen.
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Die
DE 40 02 062 A1 offenbart
einen faserverstärkten
Kunststoff, bei dem eine Vielzahl von Fasermateriallagen vorbestimmter
Art und Beschaffenheit mittels eines Kunststoffes aufeinander laminiert sind,
wobei die Schichten zwischen den Fasermateriallagen aus Thermoplast
gebildet sind. Insbesondere soll der offenbarte faserverstärkte Kunststoff
zum Arbeitsschutz dienen und beim Durchdringen des Werkstoffes,
durch beispielsweise ausbrechende Werkstücke, die hinter dem Schutz
befindlichen Personen vor Verletzung durch Sekundärsplitter
schützen.
Nachteilig hierbei ist, dass der faserverstärkte Kunststoff bei ungünstiger
Belastung vollständig
brechen kann und Splitter- und Faserteile von dem Bauteil in die
Umgebung mit hoher Geschwindigkeit abgegeben werden.
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In
der
DE 10 2004
024 878 A1 ist ein Sandwichelement mit zwei Deckschichten
und einer dazwischen angeordneten Mittellage offenbart, wobei die
Mittellage als ein gekrümmtes
Schalentragwerk ausgebildet ist und in einer beschriebenen Ausführung auch
aus einem Netzgewebe aus Kunststoff gebildet sein kann. Mit dieser
Anordnung soll das Sandwichbauteil eine gute Steifigkeit und Tragfähigkeit
bei geringem Gewicht aufweisen. Nachteil an dem offenbarten Gegenstand
ist, dass das Sandwichelement im Falle eines Bruches zerbricht bzw.
zersplittert und die sich Bruch- bzw. Splitterteile nachteilig auf
Dritte auswirken können.
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Auch
bei den derzeit im Motorsport verwendeten Faser-Kunststoff-Verbunden
brechen und splittern außen
an den Fahrzeugen angebrachte Bauteile, wie Spoiler, Diffusoren,
Abdeckung und dergleichen bei einem Aufprall gegen eine anderes
Fahrzeug oder einen beliebigen Gegenstand der Streckenbegrenzung
und werden über
die Fahrbahn verteilt. Nachfolgende Fahrzeuge können sich an den scharfkantigen
Splittern leicht die Reifen beschädigen, woraus ein erhebliches
Risiko für
den Fahrer und weitere Beteiligte erwächst.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mehrlagenlaminatmaterial
bereitzustellen, das im Falle eines Bruches ein Auseinandersplittern
eines daraus hergestellten Bauteils sowie der Fasern verhindert
und die Bruchteile zusammenhält.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass die mindestens eine Zusatzlage des Mehrlagenlaminatmaterials
ein im wesentlichen gleichmäßiges Gewirke
ist.
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Mit
der Erfindung ist es vorteilhafterweise möglich, ein Bauteil zur Verfügung zu
stellen, das gegenüber
einem herkömmlichen
Carbonteil mit ausschließlich
mehreren Faserlagen bei identischer Lagenzahl eine höhere Steifigkeit
bei geringerem Gewicht und im wesentlichen unveränderter Dicke aufweist. Vorzugsweise
kann das erfindungsgemäße Mehrlagenlaminatmaterial
mit dem Autoklavverfahren oder dem Nasslaminatverfahren hergestellt
werden.
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Vorteilhafterweise
werden bei einem Bruch des Bauteils, d.h. der Faserstruktur mit
der Matrix, die Bruchstücke
durch das Gewirke als Einheit weiterhin zusammengehalten. Das mattenartige
Gewirke bleibt auch im Falle des Bruchs dehnbar und elastisch. An der
Bruchstelle verlaufen die Filamente des Gewirkes und halten die
Bruchstücke
fest aneinander. Ein Splittern der Fasern kann verhindert und somit
auch eine Gefahr für
Dritte aufgrund von Fasersplittern ausgeschlossen werden. Eventuell
beim Bruch gebildete Fasersplitter bleiben an dem defekten Bauteil hängen und
werden nicht in die Umgebung abgegeben. Meist können die Bruchteile erst bei
einer zweiten erheblichen Krafteinwirkung, insbesondere in Scherrichtung
zu der Bruchstelle, getrennt werden.
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Es
ist auch vorteilhaft, dass das Mehrlagenlaminatmaterial als eine
Art Sandwich aufgebaut, wobei abwechselnd mehrere Faserlagen und
Gewirkelagen aufeinander angeordnet sein können. Es ist auch möglich und
günstig,
ein Bauteil aus nur zwei Faserlagen mit dazwischen angeordneter
Gewirkelage herzustellen.
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Die
besonderen Vorteile des Gewirkes liegen in dem dreidimensionalen
Flechtwerk, wodurch ein vollständiges
Durchbrechen des Bauteils verhindert werden kann. Ferner trägt die dreidimensionale
Ausbildung des Gewirkes dazu bei, dass der erfindungsgemäße faserverstärkte Kunststoff
mehrfach und in alle Richtungen gebrochen werden kann, ohne dass die
Bruchstücke
abgetrennt werden. Es ist vorteilhafterweise auch möglich, das
erfindungsgemäße Material über Kreuz
zu brechen, ohne dass Teile abgetrennt werden. Die Bruchstücke werden
durch das elastische Gewirke stets zusammengehalten.
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Auch
ist es vorteilhaft, dass erfindungsgemäß ein Gewirke aus einem monofilamenten
oder einem multifilamenten Thermoplasten verwendbar ist. Beispielsweise
könnte
Kulierwirkware, Kettenwirkware oder Vergleichbares zum Einsatz kommen.
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Besonders
günstig
ist es, ein thermoplastisches Gewirke zu verwenden, wobei als Thermoplast vorteilhafterweise
Polyester, Polyamid, Polyurethan, Polymethylmethacrylat, Polycarbonat
oder dergleichen verwendet werden kann. Insbesondere sind Werkstoffe
vorteilhaft, die sowohl im Nasslaminat- als auch im Autoklavverfahren
einsetzbar sind und die gewünschte
Elastizität
des Gewirkes beim fertigen Bauteil sicherstellen können.
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Als
Faserlage können
günstigerweise
Kohlefasern, Glasfasern, Aramidfasern oder ein Hybridgewebe eingesetzt
werden. Die Lagen können
hierbei als Matten ausgebildet sein und die aus dem Stand der Technik
bekannte Gewebestruktur mit sich abwechselnd überkreuzenden Quer- und Längsfasern aufweisen.
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Vorteilhafterweise
sind die Faserlagen mit einem Matrixwerkstoff, vorzugsweise mit
einem Harz getränkt,
wobei das erfindungsgemäße Mehrlagenlaminatmaterial
von einem speziellen Harzsysytem unabhängig ist, d.h. es können für die jeweilige
Anwendung des Mehrlagenlaminatmaterials entweder ein duroplastischer
Matrixwerkstoff, ein elastomerer Matrixwerkstoff oder ein thermoplasti scher
Matrixwerkstoff verwandt werden. Während die Kunstharze und Elastomere
bis zu ihrer Aushärtung
flüssig
vorliegen, sind Thermoplaste bis ca. 150°C fest. Die duroplastischen
Kunstharze sind normalerweise glasspröde und verformen sich nicht
plastisch. Faserverstärkte Kunststoffe
aus Thermoplaste lassen sich mit Hitze auch im Nachhinein umformen.
Als Thermoplaste können
beispielsweise Polyetheretherketon (PEEK), Polyphenylensulfid (PPS),
Polysulfon (PSU) oder Polyetherimid (PEI) eingesetzt werden. Mit
einem gewissen Harzüberschuss
an den Fasern kann das Gewirke zwischen den Faserlagen bei Herstellungsprozess
fest integriert werden.
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Es
ist günstig,
dass die Dicke des Mehrlagenlaminatmaterials über die Anzahl der sich abwechselnden
Lagen bestimmbar ist. Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass drei
Lagen (2 Faserlagen mit dazwischen liegender Gewirkelage) das erfindungsgemäße Mehrlagenlaminatmaterial
bilden können,
wobei der Dickenzuwachs des Bauteils durch ein dünnes Gewirke besonders gering
(im Bereich von 0,2mm bis 0,5mm) ausfallen kann. Dies ist besonders
für feine
Bauteile der Aerodynamik, z.B. im Motorsport für Spoiler oder Flügel günstig und
notwendig.
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Ebenfalls
vorteilhaft ist, dass die Maschenweite des Gewirkes bei Zug- bzw.
Druckbelastung an einer Bruchstelle veränderbar ist. Wenn das Bauteil gebrochen
ist und die einzelnen Bruchteile nur mehr durch das Gewirke aneinander
gehalten sind, können
Relativbewegungen der Bruchstücke
durch eine variable Maschenweite realisiert und somit eine größere Sicherheit
des Zusammenhaltens im gebrochenen Zustand gewährleistet werden. Die variable
Maschenweite unterstützt
somit die durch die Elastizität des
Gewirkes vorhandene Beweglichkeit der Bruchstücke.
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Es
ist auch vorteilhaft, dass das Mehrlagenlaminatmaterial in einem
Temperaturbereich zwischen –40°C und +250°C eingesetzt
werden kann, ohne dass die positiven Eigenschaften des Gewirkes beeinträchtigt wären. Beispielsweise
ist dies insbesondere an Fahrzeugen, in heißen Bereichen nahe des Motors
oder der Abgasführung
günstig.
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Ebenfalls
vorteilhaft ist, dass aus dem Mehrlagenlaminatmaterial ein Prepreg, d.h.
ein vorimprägniertes
Gewebe herstellbar ist. Durch die maschinelle Tränkung der Fasern des Mehrlagenlaminatmaterials
kann ein besonders bevorzugtes Verhältnis zwischen Harzmenge und
Faserzahl erzielt werden. Besonders vorteilhaft für die Bildung
von Prepregs sind Kohlefasern.
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Besonders
günstig
ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Mehrlagenlaminatmaterials
im Bereich der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik, dem Automobilbau,
dem Motorsport, für
Tuningteile oder Designelemente, im allgemeinen Maschinenbau oder
immer wenn es darauf ankommt, splittergeschützte Bauteile mit hoher Steifigkeit
bei geringem Gewicht zu verwenden.
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Weitere
Vorteile der Erfindung werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung
eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
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1 eine
Explosionsdarstellung eines plattenförmigen Mehrlagenlaminatmaterials,
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2 eine
vergrößerte Ansicht
von oben auf eine Lage des Mehrlagenlaminatmaterials,
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3 eine
fotografische stark vergrößerte Darstellung
eines Gewirkes mit einer Schnittkante in der Draufsicht,
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4 eine
fotografische stark vergrößerte Darstellung
des Gewirkes aus 3 in einer Ansicht von unten.
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In 1 ist
das Mehrlagenlaminatmaterial 1 vereinfacht als ein ebener
Plattenkörper
in einer Explosionsdarstellung gezeigt. Bei Formkörpern ist
der Aufbau des erfindungsgemäßen Mehrlagenlaminatmaterials 1 identisch.
In diesem Ausführungsbeispiel ist
das Mehrlagenlaminatmaterial 1 aus einer ebenen oberen
Faserlage 2, einer elastischen Gewirkelage 4 und
einer ebenen unteren Faserlage 3 zu einer Art Sandwich
gebildet. Die Dicke des Mehrlagenlaminatmaterials 1 wird über die
Anzahl sich abwechselnden Lagen 2, 3, 4 bestimmt.
Das Harzsystem (nicht explizit gezeigt) ist frei wählbar. Je
nach Anwendungsfall kann entweder ein duroplastischer Matrixwerkstoff, ein
elastomerer Matrixwerkstoff oder ein thermoplastischer Matrixwerkstoff
verwandt werden. Als Thermoplaste werden häufig Polyetheretherketon (PEEK),
Polyphenylensulfid (PPS), Polysulfon (PSU) oder Polyetherimid (PEI)
eingesetzt. Zur Vergrößerung der
Dicke des Mehrlagenlaminatmaterials 1 ist es möglich, von
oben nach unten weitere Gewirkelagen 4 und Faserlagen 2, 3 jeweils
abwechselnd anzuordnen, so dass stets einer Faserlage 2, 3 eine
Gewirkelage 4 folgt und umgekehrt. Als oberste und unterste
Lage ist vorzugsweise eine Faserlage angeordnet. Es versteht sich,
dass jede beliebige, den Anforderungen entsprechende Lagenanordnung
vorgesehen sein kann. Das Mehrlagenlaminatmaterial 1 ist in
einem Temperaturbereich zwischen –40°C und +250°C einsetzbar, ohne dass die
positiven Eigenschaften des Gewirkes 4 beeinträchtigt wären, oder der
positive Effekt des Nicht-Splitterns im Falle eines Bruches der
Faserlagen 2, 3 negativ beeinflusst wäre.
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Zur
Verdeutlichung ist die Faserlage 2 teilweise aufgebrochen,
so dass die Gewebestruktur 5 der Fasern erkennbar ist.
Bei der gezeigten Gewebestruktur 5 sind Fasergruppen so
gelegt, dass die x-Achse Fasern 6 nacheinander jeweils
unter zwei y-Achse Fasern 7 und anschließend über zwei
y-Achse Fasern 7 verlaufen. Ebenso verlaufen die y-Achse Fasern 7 jeweils
unter zwei und anschließend über zwei
x-Achse Fasern 6. Diese Struktur ist nur beispielhaft,
es sind auch andere im Stand der Technik bekannte äquivalente
Gewebestrukturen 5, wie z.B. in 2 gezeigt,
verwendbar. Die Faserlagen 2, 3 können je
nach Anwendungsfall identische oder unterschiedliche Gewebestrukturen 5 aufweisen.
Vorzugsweise werden als Fasern Kohlefasern, Glasfasern, Aramidfasern
oder ein Hybridgewebe eingesetzt. Dabei können in den verschiedenen Faserlagen 2, 3 unterschiedliche
Faserarten berücksichtigt sein.
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In 3 ist
beispielhaft schematisch ein bei der Erfindung vorzugsweise verwendetes
Gewirke 4 in einer Ansicht von oben gezeigt. Das Gewirke 4 ist am
oberen und rechen seitlichen Rand zur Veranschaulichung durchschnitten.
Im Unterschied zu einer Gewebestruktur, bei der ein zweidimensionales Produkt
entsteht, ist das verwendete Gewirke 4 dreidimensional.
Vorzugsweise ist das Gewirke 4 monofilament und aus einem
elastischen Thermoplast – Fasern
gefertigt, es ist jedoch auch die Verwendung eines multifilamenten
Gewirkes 4 möglich.
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In
einer mittleren horizontalen Ebene verlaufen wellenförmige Filamente 8 in
Richtung der x-Achse, wobei sich der jeweilige in Längsrichtung
obere Bereich des wellenförmigen
Filaments 8 im ungedehnten Zustand zumindest teilweise
in die Welle des darüber
liegenden wellenförmigen
Filaments 8 erstreckt. Die jeweiligen unteren Bereiche
der Wellen greifen in entsprechende Weise ineinander. Ein Maschenfilament 9 verläuft dreidimensional über und unter
den wellenförmigen
Filamenten 8, wobei die einzelnen Maschen derart ineinander
greifen, dass in den inneren Bereichen am Kopf und am Fuß einer Welle 9 jeweils
Knotenpunkte 10, 10' gebildet
sind und somit eine Verknüpfung
zwischen den beiden Filamenten 8, 9 hergestellt
ist. Bei den Knotenpunkten 10 überkreuzen sich die Maschenfilamente 9 im
oberen Bereich der Wellenform der Filarnente 8, bei den Knotenpunkten 10' im unteren
Bereich der Wellenform der Filamente 8. Zwischen den jeweiligen
Knotenpunkten 10 oder 10' weist das Gewirke 4 eine
offene Masche 11 auf. Bei einer Belastung in Querrichtung
schieben sich die wellenförmigen
Filamente 8 in Längsrichtung
ineinander. Die Maschenfilamente 9 werden bei einer Querbelastung
auseinander gezogen, so dass sich die Knotenpunkte 10 und 10' von den oberen
und unteren Bereichen der wellenförmigen Filamente 9 in
Richtung der Mitte der Maschen 11 bewegen. Bei einer Zugbelastung
in Längsrichtung
begrenzen die Maschenfilamente 9 an den Knotenpunkten 10, 10' ein Auseinanderziehen
der wellenförmigen
Filamente 9, lediglich die Maschen 11. werden
stärker
in Längsrichtung
gedehnt und somit länger
und schmaler. Nach einer Belastung geht das Gewirke 4 aufgrund
der Elastizität
wieder in den ursprünglichen
Zustand über.
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In 4 ist
die Darstellung der 3 von der rückwärtigen Seite dargestellt. Die
Schnittkanten des Gewirkes 4 liegen folglich auf der unteren
und rechten Seite. Die Maschenfilamente 9 verlaufen bei
den Knotenpunkten 10 in dem bei dieser Figur oberen Bereich
der Welle des wellenförmigen
Filaments 8 von einer in Richtung der x-Achse über der
mittleren Ebene der Filamente 8 liegen den Ebene in eine
in Richtung der x-Achse unter der Ebene der Filamente 8 liegenden
Ebene, und an den Knotenpunkten 10' im unteren Bereich der Welle des
wellenförmigen
Filaments 8 umgekehrt. Die wellenförmigen Filamente 8 werden
in ihren zueinander angrenzenden Bereichen 12 jeweils von
einem Maschenelement 9 umschlungen. Das Maschenfilament 9 verläuft nach
dem Angrenzungsbereich 12 zu einem zugehörigen Knotenpunkt 10 oder 10'.
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Bei
einem Bruch des erfindungsgemäßen Mehrlagenlaminatmaterials 1 kann
mittels der elastischen dreidimensional gewirkten Kunststofflage
ein Abtrennen der Bruchstücke,
wie es im Stand der Technik passiert, verhindert werden. Das Gewirke 4 bewahrt
seine Elastizität
und ermöglicht
an einer Bruchstelle die Bruchstücke
durch die Filamente 8, die Maschenfilamente 9 und
ihre in den 3 und 4 gezeigten
speziellen Wirkweise elastisch aneinander zu halten, auch wenn die
Faserlagen vollständig
gebrochen sind.
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In
einer bevorzugten Ausführung
weist das Gewirke 4 eine Warennutzbreite von 1350 +/– 20 mm und
ein Flächengewicht
von 120 +/– 8
g/m2 auf. Bei einer Längsbelastung von 100N kann
sich das Gewirke 4 um ca. 35%, bei einer Querbelastung
von 100N um ca. 18% dehnen. Der Maschenreihenverzug mit der Messlatte/Messband-Methode
liegt bei ca. +/– 20 mm.
Die Thermoschrumpfung bei 180°C
liegt bei unter 3% in Längs-
und Querrichtung.
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Aus
dem Mehrlagenlaminatmaterial 1 ist ein Prepreg (nicht gezeigt),
d.h. ein vorimprägniertes
Gewebe herstellbar. Durch die maschinelle Tränkung der Faserlagen 2, 3 des
Mehrlagenlaminatmaterials 1 ist ein besonders bevorzugtes
Verhältnis
zwischen Harzmenge und Faserzahl zu erreichen.
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Das
Mehrlagenlaminatmaterial 1 gemäß der Erfindung ist im Bereich
der Luft- und Raumfahrt,
der Medizintechnik, dem Automobilbau, dem Motorsport, für Tuningteile
oder Designelemente, im allgemeinen Maschinenbau oder immer wenn
es darauf ankommt, eine hohe Steifigkeit bei geringem Gewicht zu
erzielen, verwendbar.