DE2723932C2

DE2723932C2 - Drehbohrkrone

Info

Publication number: DE2723932C2
Application number: DE2723932A
Authority: DE
Inventors: Harold Paul Seabury Worthington Ohio Bovenkerk
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1976-06-24
Filing date: 1977-05-26
Publication date: 1986-10-16
Also published as: ZA771904B; AU514891B2; DE2723932A1; IE44566B1; JPS6058357B2; CH620736A5; IE44566L; NL183103C; BE855661A; IL51778A0; NL183103B; US4109737A; SE434288B; AT356611B; FR2355990B1; GB1576521A; NL7706392A; IT1084322B; JPS5310302A; IL51778A

Description

her weder die erforderliche Festigkeit auf, noch ist die Stoßfestigkeit der Däamantverbundkörper hoch genug, L'jn der innerhalb weiter Grenzen schwankenden Stoßbeanspruchung standhalten zu können.

Ein weiteres Problem tritt bei der Herstellung des Schneidelementes auf. Zum Hartlöten des Diamantverbundkörpers an den Hartmetallstift sind Temperaturen erforderlich, die bis in die Nähe der für die Diamantschicht schädlichen Temperaturen reichen. Bei vielen Diamantverbundkörpern tritt daher eine Beeinträchtigung der Schneideigenschaften auf, falls die Herstellung nicht mit großer Sorgfalt ausgeführt wird.

Ein weiteres Problem besteht darin, daß die Diamantverbundkörper bereits bei einer Temperatur in der Größenordnung von 600⁰C geschädigt werden können, während eine Temperatur von 1200 bis 1400⁰C erforderlich wäre, um die Diamantverbundkörper in das verschleißfeste Matrixmaterial der Bohrkrone in ähnlicher Weise einzusintern wie die Naturdiamanten in die Oberfläche einer verschleißfesten Matrix bei der Herstellung von Diamantbohrkronen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Drehbohrmeißel zu schaffen, bei dem die vorgenannten Probleme weitgehend beseitigt sind; insbesondere sollen die für die Bestückung des Kronenkörpers vorgesehenen Schneidelemente eine verbesserte Festigkeit und eine höhere Stoßfestigkeit aufweisen.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch eine Drehbohrkrone der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die polykristalline Schneidschicht jeweils kappenförmig auf dem betreffenden Ende des länglichen Stiftes aufgebracht und direkt an den Stift gebunden ist, wobei die Grenzfläche zwischen Stift und Schneidschicht aus dem Werkstoff des Stiftes und Kristallen der Schneidschicht besteht. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Drehbohrkrone gemäß der Erfindung besitzt eine ausgezeichnete Standzeit, da die direkt an den Stift gebundene polykristalline Schneidschicht den beim Gebrauch auftretenden Scherkräften dauerhaft widerstehen kann. Da die polykristalline Schneidschicht durch ein Hochdruckverfahren direkt auf den Stift aufgebracht wird und sich daher irgendein Lötvorgang erübrigt, bleibt die hohe Festigkeit der polykristallinen Schneidschicht erhalten.

Die Erfindung wird nun näher anhand von Zeichnungen erläutert Es zeigt

F i g. 1A eine Seitenansicht eines bekannten Bohrmeißels,

F i g. 1B eine Vorderansicht des Bohrmeißels nach Fig. IA,

Fig.2 eine perspektivische Ansicht eines der beim Bohrmeißel nach den Fig. IA und IB vorgesehenen bekannten Schneidelemente,

F i g. 3A teilweise im Schnitt eine Seitenansicht einer Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 3B eine Vorderansicht der Ausführungsform nach F i g. 3A,

F i g. 4A einen Schnitt durch eines der bei der Ausführiingsform nach F i g. 3 vorgesehenen .Schneidelemente, und

F i g. 4B—4G Schnitte durch andere Ausführungsformen von Schneidelementen für den Bohrmeißel nach F i g. 3.

Vor Erläuterung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden zunächst anhand von F i g. 1A, 1B und 2 ein bekannter Rotary-Bohrmeißel und die dabei verwendeten Schneidelemente erläutert

Der in den F i g. 1A und 1B dargestellte Rotary-Bohrmeißel oder Drehbohrkopf besitzt einen länglichen Schaft 11 und eine Bohrkrone 13, die mit Schneidelementen 15 bestückt ist die in nicht dargestellten Aussparungen befestigt sind. In der Bohrkrone 13 ist eine Reihe von Kanälen 17 vorgesehen, über die beim Bohren Kühlflüssigkeit in den Zwischenraum zwischen Bohrkrone und umgebendem Gestein gelangen kann. Über einen sich in Längsrichtung durch den Bohrmeißel erstreckenden Durchgang 18 kann Flüssigkeit zur Unterstützung der Entfernung von Schlamm und abgetragenen Gesteinsteilchen zugeführt werden.

F i g. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines der in F i g. 1 dargestellten Schneidelemente 15. Das Schneidelemeni 15 weist einen länglichen Stift 19 auf, der vorzugsweise aus Sinterhartmetall (gesintertes Gemisch aus einem Bindemetall und Karbid) besteht und mit einem Schneidkörper oder Schneidplättchen 21 bestückt ist, das an einer am einen Ende des Stiftes 19 vorgesehenen Abstufung 23 befestigt ist Der Schneidkörper 21 weist eine dünne polykristalline Diamantschicht 25 auf, die an einer Hartmetallunterlage 27 gebunden ist. Der Schneidkörper 21 wird gewöhnlich in der Abstufung 23 durch Weich- oder Hartlöten befestigt Wie bereits eingangs dargelegt worden ist, hat ein derartiges Schneidelement sich als nicht brauchbar erwiesen, weil die polykristalline Diamantschicht 25 häufig bei den zur Herstellung einer hochfesten Lötverbindung zwischen dem Schneidkörper 21 und dem Stift 19 erforderlichen hohen Temperaturen Schaden erleidet.

De Schneidkörper 21 kann gemäß US-PS 37 45 623 hergestellt werden.

In den F i g. 3A und 3B ist eine bevorzugte Ausführungsform eines Rotary-Bohrmeißels 49 gemäß der Erfindung dargestellt. Der Bohrmeißel 49 besteht aus einem Schaft 51 und aus einer Bohrkrone 53, in der Schneidelemente 59 in Aussparungen 57 befestigt sind. Der Bohrmeißel ist mit den üblichen in Längsrichtung verlaufenden Kanälen 54 und einem in Längsrichtung verlaufenden Durchgangskanal 56 ausgestattet.

F i g. 4A zeigt eine vergrößerte Ansicht eines der im Bohrmeißel 49 nach F i g. 3 vorgesehenen Schneidelemente 59. Das Schneidelement 59 weist einen länglichen Hartmetallstift 61 und eine dünne polykristalline Diamantschicht 63 auf, die mit dem einen Ende 66 des Stiftes verbunden ist. Die polykristalline Diamantschicht besitzt beispielsweise eine Dicke von 0,1 bis 0,5 cm. Am Stift 61 ist ein halbkugelförmiger Fortsatz 65 mit verringertem Durchmesser (in bezug auf den Durchmesser des Endes 66) vorgesehen, über den die Diamantschicht 63 in Form einer halbkugelförmigen Kappe angeordnet und direkt mit dem Stiftmaterial verbunden ist. Der Körper des Stifts 61 läuft in Längsrichtung unter einem Winkel <x konisch zusammen, wobei der Winkel « zwischen einer parallel zur Längsachse verlaufenden Linie und der Umfangsfläche des Schneideiementes 59 gemessen wird. Der Winkel λ liegt vorzugweise zwichen 2° und 4°. Der Konus ist so gewählt, daß bei der Montage in der Aussparung 57 der Krone 53 eine selbsthaltende oder selbstsperrende Reibungsschlußverbindung entsteht. Zur Erzielung einer reibungsschlüssigen Verbindung zwischen Schneidelement 59 und Aussparung 57 ist di° Konizität des Stiftes 61 an irgendeinem gegebenen Durchmesser längs der Länge des Stiftes 61 in bezug auf den entsprechenden Durchmesser der Aussparung 57 um ungefähr 0,5 bis 1 % größer, so daß beim Einsetzen des Stiftes 61 in eine Aussparung 57 eine feste

Reibungsschlußverbindung zwischen Stift und Aussparung entsteht. Der Stift 61 wird mittels einer hydraulischen Presse oder einer anderen geeigneten Vorrichtung in die Aussparung 57 unter Ausbildung eines Treibsitzes soweit eingetrieben, daß der auf den Stift lastende radiale Preßdruck im Bereich von ungefähr 3500 bis 21 000 kg/cm² liegt. Der auf diese Weise eingetriebene Stift weist einen bündigen Reibungsschluß mit der Bohrkrone auf, so daß das Schneidelement den Bohrkräften widerstehen kann und durch die einwirkenden Bohrkräfte nicht aus der Aussparung 57 gezogen werden kann.

Nach einer anderen Ausführungsform kann der Stift 61 auch zylindrisch geformt sein und unter Verwendung eines auf unterschiedliche Wärmeausdehnung der beiden zu paarenden Teile beruhenden Befestigungsverfahren mit Preßsitz in der Aussparung 57 befestigt werden.

Die halbkugelige kappenförmige polykristalline Diamantschicht 63 am Ende des Stiftes 61 bewirkt im Gegensatz zu der beim bekannten Schneidelement auftretenden Schneid- und Schleifwirkung eine Abblätterung verursachende Quetschwirkung, wobei das Gestein unter den von der halbkugeligen Diamantschicht ausgeübten Druckkräften zerstückelt oder pulverisiert wird. Aus Fig. IA und IB ist ersichtlich, daß die Richtung der Schneidkraft, die vom Schneidelement 15 auf das abzutragende Gestein ausgeübt wird, in bezug auf die Achse des Stiftes 61 einen stumpfen Winkel von ungefähr 135° (Fig.4A) einschließt Die polykristalline Diamantschicht 63 erfährt daher eine massivere Abstützung und kann daher den beim Bohren einwirkenden Stoßen und Schlägen besser widerstehen. Die halbkugelige Form gewährleistet auch eine höhere Festigkeit, da eine Kugel eine geometrische Form mit einer höheren Festigkeit darstellt als die beim bekannten Schneidelement vorliegende reguläre Polyederform.

Die beim Bohrmeißel nach der Erfindung verwendeten Schneidelemente können gemäß US-PS 37 45 623 hergestellt werden. Die in dieser Patentschrift beschriebene Vorrichtung zum Erzeugen von hohen Drücken und hohen Temperaturen kann so modifiziert werden, daß ein Schneidelement der in Fig.4A dargestellten Art geformt wird, so daß anschließend keine Nachbearbeitung der Diamantschicht mehr erforderlich ist Die Herstellung erfolgt gemäß dem Verfahren nach der US-PS36 09 818.

Der Körperteil des Hartmetallstiftes 61 kann nach dem Anformen der Diamantschicht mit Hilfe einer Diamantschleifscheibe auf die für den konischen Teil erforderliche Genauigkeit nachgeschliffen werden. Vorzugsweise wird der Hartmetallstift 61 in das Reaktionsgefäß der Vorrichtung zum Erzeugen von hohen Drücken und hohen Temperaturen als vorgeformter Körper eingesetzt Man kann natürlich auch den Hartmetallstift 61 erst im Reaktionsgefäß aus einem entsprechenden Pulvergemisch formen, das vorzugsweise gemäß Spalte 5, Zeile 58 bis Spalte 6, Zeile 8 der US-PS 37 45 623 aus Wolframkarbidpulver und Kobaltpulver besteht

In der US-PS 37 45 623 ist auch dargelegt daß die die Schicht 63 bildende polykristalline Diamantmasse unter den bei der Herstellung einwirkenden hohen Drücken und Temperaturen zu einer Sinterdiamantmasse verfestigt wird und eine ausgezeichnete Bindung an der Grenzfläche zwischen der Diamantschicht 63 und dem Ende 65 erreicht und dadurch eine gut integrierte Masse an der Grenze zwischen der Diamantschicht 63 und dem Hartmetallstift 61 erzeugt wird. In gegebenenfalls zwischen den Diamantkristallen vorliegende Zwischenräume dringt Sinterhartmetall ein, das bei den bei der Herstellung verwendeten Temperaturen etwas plastisch wird. Durch das an der Grenzfläche in die Diamantschicht eingedrungene Sinterhartmetall wird also eine feste mechanische Verankerung der Diamantteilchen mit dem Hartmetall gewährleistet.

Da bereits bei der Herstellung eine direkte Bindung zwischen der polykristallinen Diamantschicht und dem Hartmetall des Stiftes erzielt wird, erübrigt sich natürlich die Zwischenschaltung einer beispielsweise durch Löten hergestellten Zwischenschicht. Da die polykristalline Diamantschicht direkt durch das in Form eines Stiftes vorliegende Hartmetall eine massive, steife und nicht nachgebende Abstützung erfährt, ist die Gefahr, daß die Diamantschicht zerbricht oder teilweise ausbricht, sehr gering.

Es können natürlich auch andere Ausführungsformen des Schneidelementes im Rahmen der Erfindung verwendet werden. In den Fig.4B bis 4G sind weitere alternative Ausführungsformen des Schneidelementes dargestellt Die dargestellten Schneidelemente werden entsprechend dem bei der Beschreibung des Schneidelementes 59 erläuterten Verfahren hergestellt. Bei Ver-Wendung von vorgeformten Hartmetallstiften ermöglicht dieses Herstellungsverfahren die Ausbildung komplex geformter Grenzflächen zwischen Diamantschicht und Hartmetallstift

Fig.4B zeigt eine Ausführungsform eines Schneidelementes 74 mit einem konisch zulaufenden oder kegeligen Hartmetallstift 75, der einen halbkugelförmigen Fortsatz 77 mit verringertem Durchmesser aufweist, auf dem eine Diamantschicht 79 sitzt Die Diamantschicht 79 weist eine zylindrische Form auf und die Außenfläche 81 verleiht daher dem Schneidelement 74 eine gewisse Schneidfähigkeit zusätzlich zu der anhand des Schneidelementes 59 nach Fig.4A erläuterten Quetschwirkung. Beim Schneidelement 74 bricht natürlich auch die Diamantschicht 79 viel leichter als beim Schneidelement 59 nach F i g. 4A.

Die in F i g. 4C und 4D dargestellten Schneidelemente 83 und 85 unterscheiden sich von den in F i g. 4A und 4 B dargestellten Schneidelementen dadurch, daß das eine Ende der Hartmetallstifte 87 bzw. 89 von einem halbkugelförmigen Teil 91 bzw. 93 gebildet wird, der den gleichen Durchmesser wie der Stiftkörper hat Bei der Ausführungsform nach F i g. 4C weist die auf dem halbkugelförmigen Teil 91 sitzende Diamantschicht 95 ebenfalls eine halbkugelförmige Form auf. Bei der Ausführungsform nach F i g. 4D ist auf dem halbkugelförmigen Stiftende 93 eine zylindrische Diamantschicht 97 vorgesehen.

F i g. 4E zeigt ein Schneidelement 99, dessen Hartmetallstift 101 eine gezackte Stirnfläche 100 aufweist an die eine Diamantschicht 103 gebunden ist Die Außenfläche 105 der Diamantschicht 103 ist kreiszylindrisch und gewährleistet wie die Ausführungsform nach Fig.4B eine bessere Schneidwirkung. Die gezackte Stirnfläche 100 wird vor dem Aufbringen der Diamantschicht hergestellt indem in das eine Ende eines vorgeformten Hartmetallstiftes entsprechende Rillen 104 eingearbeitet werden. Diese Rillen verbessern die Verankerung der Diamantschicht 105 auf der Stirnfläche 100. Die Rillen besitzen vorzugsweise eine Tiefe im Bereich von 10 bis 1000 Mikrometer.

Das in Fig.4F dargestellte Schneidelement 111 besteht aus einem Stift 113 und einer Diamantschicht 115 mit einer halbkugelförmigen Außenfläche 117. Die die

Diamantschicht 115 tragende Endfläche 119 des Stiftes 113 ist halbkugelförmig ausgebildet und gezackt. Wie im Falle der Ausführungsform nach F i g. 4E gewährleistet die gezackte Endfläche eine verbesserte Haftung der Diamantschicht 115 auf dem Stift.

Das in Fig.4G dargestellte Schneidelement 131 besitzt einen kegeligen Stift 133 und eine Diamantschichl 135. Die Außenfläche 137 der Diamantschicht ist im wesentlichen eine halbkugelige Fläche mit einer Reihe von abgeflachten Bereichen 139. Die zwischen den aneinander angrenzenden abgeflachten Bereichen 139 auf der Außenfläche 137 entstehenden Kanten tragen zu einer Verbesserung der Schneidwirkung bei.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

20

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60

65

Claims

1 2 6 52 086 sowie US-PS 25 82 231 sind Gesteinsbohrmei- Patentansprüche: ßel bekannt bei denen der gesamte Kronenkörper frontseitig von einer diamanthaltigen Schneidschicht

1. Drehbohrkrone mit einem länglichen Schaft, an überdeckt ist Bei einer Beschädigung der Schneiddessen vorderem Ende ein Kronenkörper ange- 5 schicht wird der gesamte Kronenkörper unbrauchbar, bracht ist der Aussparungen zur Aufnahme von Aus der IT-PS 6 79 193, AT-PS 2 62916 sowie der Schneidelementen in Form länglicher Stifte auf- US-PS 15 06 119 sind Drehbohrkronen bekannt, bei deweist wobei jeder Stift mit dem einen Ende in die nen der Kronenkörper mit Schneidelementen in Form Aussparung einsetzbar und an seinem anderen Ende von länglichen Stiften bestückt ist, die in Aussparungen mit einer dünnen polykristallinen Schneidschicht io des Kronenkörpers eingesetzt sind. Die stiftförmigen verbunden ist dadurch gekennzeichnet, Schneidelemente sind am frontseitigen Ende entweder daß die polykristalline Schneidschicht (63,79,95,97, mit Diamantteilchen bestückt oder mit einer kappenför- 103,115,135) jeweils kappenförmig auf dem betref- migen Verstärkung aus einer Hartmetall-Aufweichlefenden Ende des länglichen Stifts (61,75,87,89,101, gierung versehen. Die in einer geeigneten Matrix einge- 113,133) aufgebracht und direkt an den Stift gebun- 15 betteten Diamantteilchen neigen bei den bei bestünden ist, wobei die Grenzfläche zwischen Stift und mungsgemäßer Verwendung auftretenden Scherkräf-Schneidschicht aus dem Werkstoff des. Stiftes und ten zum Ausbrechen.

Kristallen der Schneidschicht besteht Aus der GB-PS 542 054 ist eine Trennscheibe be-

2. Drehbohrkrone nach Ansprach 1, dadurch ge- kannt die rund um die Umfangsfläche mit keilförmigen kennzeichnet daß der Stift (61) des Schneidelemen- 20 Aussparungen versehen ist in denen Schneidzähne sittes (59) und die den Stift aufnehmende Aussparung zen, die eine Schneidschicht aus in einer Metallmatrix (57) konisch ausgebildet sind sowie der Konus des gebundenen Diamantteilchen aufweisen. Weiterhin ist Stiftes und der Aussparung so aufeinander abge- aus der US-PS 31 01 260 ein Diamantwerkzeug in Form stimmt sind, daß der in der Aussparung sitzende Stift eines länglichen Stiftes bekannt, der am einen Ende eine eine radiale Pressung erfährt und in der Aussparung 25 kronenartige Ansammlung von Diamantkristallen aufdurch eine zwischen Stift und Aussparung vorliegen- weist Diese Diamantkristalle werden auf dem aus Katade selbstsperrende Reibungsschlußverbindung ge- lysatormetall bestehenden Stift in einer Hochdruckaphalten ist. paratur synthetisch hergestellt

3. Drehbohrkrone nach Anspruch 2, dadurch ge- Aus der US-PS 38 71 488 ist es bekannt, die zur Aufkennzeichnet, daß der Konuswinkel des Stiftes (61) 30 nähme in einem Kronenkörper vorgesehenen stiftförundder Aussparung (59) zwischen 2° und 4° liegt migen Schneidelemente sowie die im Kronenkörper

4. Drehbohrkrone nach einem der Ansprüche 1 bis vorgesehenen Aussparungen konisch auszugestalten.

3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift aus einem Es wurde auch bereits versucht, synthetische Dia-Stück besteht. mantverbundkörper als Schneidelemente in Drehbohr-

5. Drehbohrkrone nach einem der Ansprüche 1 bis 35 kronen einzusetzen.

4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidkristalle Die bisherigen Versuche mit Diamantverbundaus Diamant und der Stift aus Sinterhartmetall be- schneidkörpern sind jedoch größtenteils fehlgeschlagen, stehen. Bei einem dieser Versuche wurden kreiszylindrische

6. Drehbohrkrone nach einem der Ansprüche 1 bis Diamantverbundkörper verwendet, die eine an einer

5, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche der 40 Sinterhartmetallunterlage gebundene polykristalline polykristallinen Schicht (63,95,115) halbkugelig ist Diamantschicht aufwiesen. Zur Bildung eines Schneid-

7. Drehbohrkrone nach einem der Ansprüche 1 bis elementes wurde der Diamantverbundkörper durch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche der Hartlöten am Bohrkopf befestigt oder die Hartmetallpolykristallinen Schicht (79,97,103) zylindrisch ist. unterlage durch Weichlöten an einem Hartmetallstift

8. Drehbohrkrone nach einem der Ansprüche 1 bis 45 befestigt, der in eines der zur Aufnahme der Stifte in der 7, dadurch gekennzeichnet, daß das der polykristalli- Bohrkrone vorgesehenen Löcher eingesetzt wurde. Die nen Schicht (63, 79) gegenüberliegende Ende des Diamantschicht wurde im allgemeinen radial zur Dreh-Stiftes einen halbkugelförmigen Fortsatz (65,77) mit achse des Bohrkopfes ausgerichtet und dient als verringertem Durchmesser aufweist. Schneidwerkzeug zum Abtragen des Gesteins in ähnli-

9. Drehbohrkrone nach einem der Ansprüche 1 bis 50 eher Weise wie der Drehmeißel einer Drehbank zum 7, dadurch gekennzeichnet, daß das der polykristalli- Abtragen von Metall von einem Werkstück (vgl. die nen Schicht (103,115) gegenüberliegende Ende des F i g. 1 und 2 der Zeichnung). Bei einer derartigen Kon-Stiftes (101,113) gezackt ist. struktion treten nun mehrere Probleme auf, so daß noch

10. Drehbohrkrone nach einem der Ansprüche 1 weitere Versuche bis zur Serienreife erforderlich sind,
bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift einem 55 Obwohl die Schneidelemente vom Bohrkopf absteradialen Preßdruck im Bereich von ungefähr 3500 hen und dadurch eine aggressive Schneidwirkung ergebis21 000 kg/cm² aussetzbar ausgebildet ist. ben und reichlich Raum für die Entfernung von Bohr-

11. Drehbohrkrone nach einem der Ansprüche 1 klein freilassen, besteht ein Problem darin, daß in jedem bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die polykristalli- Schneidelement starke Spannungen auftreten und am ne Schicht am Stift durch in die Schicht hineinragen- 60 Bohrmeißel häufig Schäden auftreten und am Bohrmeides Stiftmaterial verankert ist. ßel häufig Schäden auftreten, weil die Stifte abgeschert

^ werden oder die Diamantverbundkörper zerbrechen.

ψ Die auftretenden Spannungen sind darauf zurückzufüh-

|§ ren, daß das meiste Gestein heterogen aufgebaut ist und

65 deshalb Schichten veränderlicher Härte aufweist. Diese

Die Erfindung betrifft eine Drehbohrkrone entspre- Schichten haben zur Folge, daß die beim Bohren auf die

chend dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Schneidelemente einwirkenden Stoßkräfte stark

Aus der FR-PS 13 16 351. GB-PS 7 20 278. GB-PS schwanken. Die bekannten Konstruktionen weisen bis-