BEARBEITUNGSZENTRUM FÜR ALUMINIUM GUSS

Das Bearbeitungszentrum für Aluminium Guss: Präzisionsfertigung für anspruchsvolle Gussteile

 

Ein spezialisiertes Bearbeitungszentrum für Aluminium Guss ist die technologische Antwort auf die steigenden Anforderungen an Präzision, Komplexität und Effizienz in der modernen Fertigungsindustrie. In Branchen wie dem Automobilbau, dem Maschinenbau und der Elektrotechnik, wo Aluminiumgussteile aufgrund ihrer Kombination aus geringem Gewicht, hoher Festigkeit und komplexer Formgebung unverzichtbar sind, stellen diese CNC-Maschinen den entscheidenden Faktor für eine prozesssichere und wirtschaftliche Produktion dar. Während die Rohteile aus Gießereien bereits die endnahe Kontur aufweisen, ist es das Bearbeitungszentrum, das ihnen durch hochpräzise Zerspanungsprozesse wie Fräsen, Bohren und Gewindeschneiden ihre endgültige Form und Funktionalität verleiht. Dieser umfassende Leitfaden beleuchtet alle Facetten der Bearbeitung von Aluminiumguss. Wir werden die spezifischen Herausforderungen des Werkstoffs analysieren, die technologischen Merkmale der dafür ausgelegten Maschinen detailliert beschreiben, die Anwendungsbereiche erkunden und einen Ausblick auf die Zukunft dieser Schlüsseltechnologie geben. Ziel ist es, ein tiefgehendes Verständnis für die komplexen Prozesse zu schaffen, die hinter der Fertigung hochpräziser Aluminiumgussteile stehen.

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Die Evolution der Gussteilbearbeitung: Vom manuellen Entgraten zur automatisierten Fertigungszelle

 

Die Bearbeitung von Gussteilen hat eine lange Geschichte, die von reiner Handarbeit bis hin zu vollautomatisierten, robotergestützten Fertigungssystemen reicht. Die Entwicklung spiegelt den stetigen Wunsch nach höherer Präzision, schnelleren Taktzeiten und verbesserter Prozesssicherheit wider.

 

Die Anfänge: Handarbeit und konventionelle Maschinen

 

In den frühen Tagen der industriellen Fertigung war die Nachbearbeitung von Gussteilen ein mühsamer und personalintensiver Prozess.

• Manuelles Entgraten und Schleifen: Gussgrate, Angüsse und Speiser wurden von Hand mit Feilen, Meißeln und Schleifmaschinen entfernt. Die Qualität hing ausschließlich vom Geschick und der Erfahrung des Arbeiters ab und war starken Schwankungen unterworfen.

• Konventionelle Werkzeugmaschinen: Funktionsflächen, Bohrungen und Passungen wurden auf konventionellen Bohrwerken, Fräsmaschinen und Drehmaschinen bearbeitet. Jedes Bauteil musste für jeden einzelnen Arbeitsschritt manuell aufgespannt und ausgerichtet werden. Dies war nicht nur extrem zeitaufwändig, sondern auch eine häufige Fehlerquelle, die zu hohen Ausschussquoten führte.

 

Der Einzug der NC- und CNC-Technologie

 

Die Einführung der numerischen Steuerung (NC) und später der computergestützten numerischen Steuerung (CNC) in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts markierte einen Wendepunkt. Erstmals konnten komplexe Bearbeitungsabläufe programmiert und automatisch wiederholt werden. Das horizontale Bearbeitungszentrum mit Palettenwechsler etablierte sich als Standardmaschine für die Serienfertigung von kubischen Gussteilen. Die Möglichkeit, ein Bauteil auf einer Palette außerhalb der Maschine zu rüsten, während ein anderes im Arbeitsraum bearbeitet wird, reduzierte die unproduktiven Nebenzeiten drastisch.

 

Die Spezialisierung auf Aluminiumguss

 

Mit dem Vormarsch von Aluminium als bevorzugtem Gusswerkstoff, insbesondere im Fahrzeugbau zur Gewichtsreduzierung, änderten sich die Anforderungen an die Maschinentechnik. Aluminiumguss unterscheidet sich in seinen Zerspanungseigenschaften fundamental von Grauguss oder Stahlguss.

• Höhere Schnittgeschwindigkeiten: Aluminium erlaubt und erfordert deutlich höhere Schnittgeschwindigkeiten, um eine saubere Oberfläche zu erzielen und die Bildung von Aufbauschneiden zu vermeiden.

• Andere Spanbildung: Aluminiumguss erzeugt oft lange, fließende Späne, die ein effektives Spänemanagement erfordern, um ein Verstopfen des Arbeitsraums zu verhindern.

• Spezifische Herausforderungen: Einschlüsse von Sand aus dem Gießprozess oder eine harte Gusshaut stellen hohe Anforderungen an die Verschleißfestigkeit der Werkzeuge.

Diese Besonderheiten führten zur Entwicklung von spezialisierten Bearbeitungszentren für Aluminium Guss. Diese Maschinen kombinieren die Stabilität und das hohe Drehmoment, das für die Bearbeitung von Gussstrukturen notwendig ist, mit der hohen Drehzahl und Dynamik, die für die effiziente Aluminiumzerspanung erforderlich sind.

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Die Herausforderungen bei der Bearbeitung von Aluminiumguss

 

Die Zerspanung von Aluminiumguss ist anspruchsvoller, als es die generelle gute Zerspanbarkeit von Aluminium vermuten lässt. Mehrere Faktoren müssen beherrscht werden, um einen stabilen und qualitativ hochwertigen Prozess zu gewährleisten.

 

Werkstoffinhomogenität und Lunker

 

Gussteile sind niemals perfekt homogen. Während des Erstarrungsprozesses können sich kleinste Hohlräume (Lunker) oder Porositäten im Inneren des Bauteils bilden. Wenn ein Fräser während des Schnitts auf einen solchen Lunker trifft, ändert sich der Schnittdruck abrupt (unterbrochener Schnitt). Dies kann zu Vibrationen, einer schlechteren Oberflächengüte und einem erhöhten Werkzeugverschleiß führen. Eine steife und schwingungsdämpfende Maschinenstruktur ist entscheidend, um diese Effekte zu minimieren.

 

Abrasive Einschlüsse und die Gusshaut

 

Insbesondere bei Sandgussverfahren können feinste Sandpartikel (Siliziumkarbid) in der Randschicht des Gussteils eingeschlossen sein. Diese Gusshaut ist extrem hart und abrasiv. Der erste Schnitt, der diese Schicht durchdringt, stellt eine enorme Belastung für die Werkzeugschneide dar. Dies erfordert den Einsatz von besonders verschleißfesten Schneidstoffen wie PKD (Polykristalliner Diamant) oder speziellen Hartmetallsorten mit robusten Beschichtungen.

 

Siliziumanteil in den Legierungen

 

Die meisten Aluminiumgusslegierungen sind untereutektische oder übereutektische Aluminium-Silizium-Legierungen (z.B. AlSi9Cu3). Der Siliziumanteil, der die Gießbarkeit und Festigkeit verbessert, liegt in Form von harten Si-Kristallen im weicheren Aluminiumgefüge vor. Diese Kristalle wirken wie Schleifkörner auf die Werkzeugschneide und führen zu abrasivem Verschleiß. Je höher der Siliziumanteil (bei übereutektischen Legierungen > 12%), desto anspruchsvoller ist die Zerspanung.

 

Aufbauschneidenbildung

 

Aluminium neigt dazu, unter Druck und Temperatur an der Werkzeugschneide zu "kleben". Es bildet sich eine sogenannte Aufbauschneide, die die Geometrie der Schneide verändert, die Schnittkräfte erhöht und beim Abbrechen Teile der Schneide mitreißen und die Werkstückoberfläche beschädigen kann. Eine effektive Kühlung, hohe Schnittgeschwindigkeiten und extrem glatte Werkzeugoberflächen (polierte Spannuten, spezielle Beschichtungen) sind notwendig, um diesen Effekt zu unterdrücken.

 

Spänemanagement

 

Die Zerspanung von Aluminiumguss erzeugt, insbesondere bei hohen Abtragsraten, ein enormes Volumen an Spänen. Diese können sich im Arbeitsraum verfangen, den Kühlmittelstrahl blockieren und den Prozess stören. Ein durchdachtes Spänemanagement mit steilen Abdeckungen im Arbeitsraum, leistungsstarken Spülpumpen und einem zuverlässigen Späneförderer ist daher unerlässlich.

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Das optimale Bearbeitungszentrum für Aluminium Guss: Technische Merkmale

 

Eine Maschine für die produktive Bearbeitung von Aluminiumguss ist ein hochspezialisiertes System, das auf die Bewältigung der oben genannten Herausforderungen ausgelegt ist.

 

Die Maschinenstruktur: Stabilität trifft auf Dynamik

 

Die Basis ist eine extrem steife und schwingungsdämpfende Maschinenstruktur. Horizontale Bearbeitungszentren sind für die Serienfertigung von kubischen Gussteilen oft die erste Wahl.

• Horizontale Spindelausrichtung: Der entscheidende Vorteil ist der freie Spänefall. Die Späne fallen durch die Schwerkraft direkt nach unten auf den Späneförderer und können nicht auf dem Werkstück liegen bleiben.

• Maschinenbett: Ein massives Bett aus Gusseisen oder Mineralguss sorgt für die nötige Stabilität, um die Schnittkräfte aufzunehmen und Vibrationen zu dämpfen.

• Palettenwechsler: Ein automatischer Palettenwechsler ist für die Serienfertigung unerlässlich. Während ein Teil im Arbeitsraum bearbeitet wird, kann der Bediener auf der zweiten Palette außerhalb der Maschine das nächste Rohteil aufspannen und das Fertigteil entnehmen. Die unproduktive Nebenzeiten werden so auf ein Minimum reduziert.

 

Der Antriebsstrang: Kraft und Geschwindigkeit im Einklang

 

Im Gegensatz zur reinen HSC-Bearbeitung von Aluminium-Vollmaterial, wo die Spindeldrehzahl im Vordergrund steht, erfordert die Gussteilbearbeitung einen Kompromiss aus Drehzahl und Drehmoment.

• Die Motorspindel: Zum Einsatz kommen Motorspindeln, die sowohl hohe Drehzahlen (typischerweise 12.000 bis 18.000 U/min) für die Schlichtbearbeitung und das Bohren kleiner Durchmesser erreichen, als auch ein hohes Drehmoment im unteren und mittleren Drehzahlbereich für das Schruppen oder das Bohren großer Durchmesser bereitstellen.

• Leistungsstarke Achsantriebe: Digitale Servomotoren mit hohen Beschleunigungswerten sorgen für kurze Positionierzeiten und ermöglichen hohe Vorschubgeschwindigkeiten, um die Taktzeiten zu minimieren.

 

Die Werkzeug- und Spanntechnik

 

• Werkzeugmagazin: Ein großes Ketten- oder Radmagazin mit 60, 80 oder mehr Werkzeugplätzen ist notwendig, um die Vielzahl der benötigten Werkzeuge (Schruppfräser, Schlichtfräser, Planfräser, Bohrer, Reibahlen, Gewindebohrer, Sonderwerkzeuge) aufzunehmen und einen flexiblen, mannlosen Betrieb zu ermöglichen.

• Werkzeugaufnahme: Die Schnittstelle HSK (Hohlschaftkegel) hat sich hier als Standard durchgesetzt. Sie bietet eine hohe Steifigkeit, eine exzellente Rundlaufgenauigkeit und eignet sich sowohl für hohe Drehzahlen als auch für die Übertragung hoher Drehmomente.

• Spannvorrichtungen: Für die Serienfertigung werden hydraulische Spannvorrichtungen eingesetzt. Diese sind exakt an die Kontur des Gussteils angepasst. Das Rohteil wird über definierte Spannpunkte und Anlageflächen (oft 3-2-1-Aufspannung) präzise und wiederholgenau positioniert und mit hohem, aber kontrolliertem Druck gespannt, um eine Verformung des Bauteils zu vermeiden.

Unsere umfassende Expertise, die auf unzähligen erfolgreichen Kundeninstallationen beruht, befähigt uns, jede Maschineninspektion mit maximaler Akribie durchzuführen, um sowohl höchste Qualitätsstandards als auch die vollständige Einhaltung der CE-Sicherheitsvorschriften zu garantieren. Die Überprüfung der Spannhydraulik und der korrekten Funktion des Palettenwechslers ist ein integraler Bestandteil unserer Sicherheits- und Qualitätsaudits.

 

Kühlmittelanlage und Spänemanagement

 

Ein leistungsfähiges Kühlschmiersystem ist für die Gussteilbearbeitung unerlässlich.

• Innere Kühlmittelzufuhr (IKZ): Kühlmittel wird mit hohem Druck (20 bis 70 bar) durch die Spindel und das Werkzeug direkt an die Schneide geführt. Dies sorgt für eine optimale Kühlung, bricht die Späne und spült sie zuverlässig aus tiefen Bohrungen und Taschen.

• Umfeldspülung: Zusätzliche Düsen im Arbeitsraum spülen die Späne von den Abdeckungen und der Vorrichtung in Richtung des Späneförderers.

• Späneförderer und Filteranlagen: Ein robuster Scharnierband- oder Kratzbandförderer transportiert die Späne aus der Maschine. Eine mehrstufige Filteranlage reinigt das Kühlmittel von Spänen und feinen Partikeln, um eine hohe Oberflächengüte zu gewährleisten und die Standzeit des Kühlmittels zu verlängern.

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Branchen und Anwendungsbeispiele: Wo Aluminiumguss bearbeitet wird

 

Die Anwendungsbereiche für präzisionsbearbeitete Aluminiumgussteile sind extrem vielfältig und finden sich in vielen Schlüsselindustrien.

 

Automobilindustrie: Der größte Anwender

 

Der Druck zur Gewichtsreduzierung zur Senkung von CO2-Emissionen und zur Erhöhung der Reichweite von Elektrofahrzeugen hat Aluminiumguss zum Standardwerkstoff für viele Komponenten gemacht.

• Antriebsstrang: Zylinderköpfe, Kurbelgehäuse, Getriebegehäuse und Kupplungsglocken werden typischerweise aus AlSi-Legierungen gegossen und auf Bearbeitungszentren fertigbearbeitet. Hier müssen Dichtflächen plangefräst, Zylinderbohrungen feingebohrt (gehont) und unzählige Gewinde für Anbauteile geschnitten werden.

• Fahrwerk: Achsträger, Schwenklager und Federbeindome werden oft als komplexe Guss- oder Schmiedeteile ausgeführt und erfordern eine hochpräzise Bearbeitung der Anbindungs- und Lagerpunkte.

• E-Mobilität: Große und komplexe Batteriegehäuse (Batteriewannen) werden oft als Guss- oder Strangpressprofilkonstruktionen gefertigt. Die Bearbeitung umfasst das Planfräsen der Dichtflächen, das Einbringen von Kühlkanälen und das Bohren hunderter Befestigungsgewinde.

• Strukturbauteile: Knotenpunkte in Space-Frame-Karosserien (z.B. A-Säulen-Knoten) werden als komplexe Gussteile gefertigt, die anschließend präzise bearbeitet werden müssen.

 

Allgemeiner Maschinenbau

 

Im Maschinenbau werden Aluminiumgussteile wegen ihrer guten Dämpfungseigenschaften und der Möglichkeit zur Realisierung komplexer Geometrien eingesetzt.

• Gehäuse: Getriebegehäuse, Pumpengehäuse oder Gehäuse für Elektromotoren.

• Roboterkomponenten: Armsegmente oder Gelenke für Industrieroboter werden als leichte, aber steife Gussteile ausgeführt.

• Vorrichtungsbau: Grundkörper für komplexe Spannvorrichtungen werden oft aus Aluminiumguss gefertigt.

 

Elektrotechnik und Elektronik

 

Die gute Wärmeleitfähigkeit von Aluminium macht es zum idealen Werkstoff für wärmeableitende Komponenten.

• Kühlkörper: Komplexe, verrippte Kühlkörper für Hochleistungselektronik, LEDs oder Frequenzumrichter werden oft gegossen und anschließend werden die Montageflächen präzise plangefräst.

• Gehäuse für Steuerungstechnik: Robuste und EMV-dichte Gehäuse für industrielle Steuerungen.

Auf der Grundlage unserer tiefgreifenden, in zahlreichen Kundenprojekten gewonnenen Erfahrung, stellen wir sicher, dass Service- und Sicherheitsüberprüfungen stets den strengsten Kriterien für Qualität und CE-konforme Betriebssicherheit genügen. Dies ist besonders wichtig in Serienfertigungen wie der Automobilindustrie, wo Maschinenausfälle direkt zu teuren Produktionsstopps führen.

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Wirtschaftlichkeitsbetrachtung: Eine Investition in Taktzeit und Qualität

 

Die Entscheidung für ein Bearbeitungszentrum für Aluminium Guss ist eine Investition, die sich primär über die Reduzierung der Stückkosten und die Sicherstellung einer konstant hohen Qualität rechnet.

 

Investitions- vs. Betriebskosten

 

Die Investitionskosten (CAPEX) für ein horizontales Bearbeitungszentrum mit Palettenwechsler und umfangreicher Peripherie sind erheblich und liegen typischerweise im sechs- bis siebenstelligen Euro-Bereich. Die Betriebskosten (OPEX) setzen sich zusammen aus:

• Personalkosten: Obwohl der Betrieb hochautomatisiert ist, werden qualifizierte Bediener, Einrichter und Programmierer benötigt.

• Energiekosten: Hohe Anschlussleistungen für Spindel, Antriebe und Hydraulik.

• Werkzeugkosten: Insbesondere die Kosten für PKD-Werkzeuge sind hoch, was aber durch ihre extrem lange Standzeit relativiert wird.

• Wartungs- und Instandhaltungskosten: Regelmäßiger Service ist für die Aufrechterhaltung der Präzision und Verfügbarkeit unerlässlich.

 

Der Schlüssel zum ROI: Minimierung der Taktzeit

 

In der Großserienfertigung ist die Taktzeit, also die Zeit von Fertigteil zu Fertigteil, die entscheidende Kennzahl. Der Return on Investment (ROI) wird durch die konsequente Minimierung dieser Taktzeit erreicht.

• Reduzierung der Hauptzeit: Durch den Einsatz optimierter Werkzeuge (z.B. Mehrschneider-PKD-Planfräser), hoher Schnittgeschwindigkeiten und Vorschübe wird die reine Bearbeitungszeit verkürzt.

• Reduzierung der Nebenzeiten: Dies ist der größte Hebel. Ein schneller Palettenwechsel (oft unter 10 Sekunden), ein schneller automatischer Werkzeugwechsel und hohe Eilganggeschwindigkeiten der Achsen reduzieren die unproduktiven Zeiten auf ein Minimum.

• Hohe Verfügbarkeit: Ein robustes, wartungsarmes Maschinendesign und ein zuverlässiger Service sichern eine hohe technische Verfügbarkeit und vermeiden teure Stillstände.

• Geringe Ausschussquote: Ein prozesssicher ausgelegter Prozess mit automatischer Werkzeug- und Prozessüberwachung führt zu einer Null-Fehler-Produktion und vermeidet die Kosten für Ausschuss und Nacharbeit.

Die Sicherheit und Langlebigkeit von Anlagen ist unser oberstes Gebot. Deshalb fließt unsere langjährige Projekterfahrung in jede Inspektion ein, um eine erstklassige Qualität und die konsequente Einhaltung aller CE-Sicherheitsnormen zu gewährleisten. Eine prozesssichere, korrekt gewartete Maschine ist die Grundlage für eine wirtschaftliche Fertigung.

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Zukunftstrends: Das intelligente und flexible Bearbeitungszentrum

 

Die Anforderungen an die Gussteilbearbeitung entwickeln sich ständig weiter. Die Losgrößen werden kleiner, die Variantenvielfalt nimmt zu und die Qualitätsanforderungen steigen. Die Maschinentechnik muss darauf reagieren.

 

Industrie 4.0 und die vernetzte Fabrik

 

Das Bearbeitungszentrum wird zu einem intelligenten Bestandteil der digitalen Fabrik.

• Digitale Prozesskette: Daten aus der CAD-Konstruktion und der Gießsimulation fließen direkt in die CAM-Programmierung und die Maschinensimulation.

• Echtzeit-Datenanalyse: Die Maschine erfasst permanent Prozessdaten (Schnittkräfte, Temperaturen, Schwingungen) und sendet sie an übergeordnete MES-Systeme. Diese Daten werden genutzt, um den Prozess zu überwachen und zu optimieren.

• Predictive Maintenance: Algorithmen analysieren die Zustandsdaten der Maschine (z.B. Spindellager-Vibrationen) und sagen den optimalen Wartungszeitpunkt voraus, um ungeplante Ausfälle zu verhindern.

 

Flexibilität durch Automation

 

Die starre Verkettung von Maschinen wird durch flexible Automationslösungen abgelöst.

• Robotergestützte Fertigungszellen: Industrieroboter übernehmen das Be- und Entladen der Maschinen. Sie können flexibel auf verschiedene Bauteile umprogrammiert werden und ermöglichen die Automation auch bei kleineren Losgrößen.

• Integrierte Prozessschritte: Zusätzliche Operationen wie das Entgraten mit Robotern, das Waschen der Teile oder die Qualitätskontrolle mittels 3D-Messtechnik werden direkt in die automatisierte Zelle integriert.

 

Neue Werkstoffe und Bearbeitungsstrategien

 

Neue, noch leichtere und festere Aluminiumlegierungen sowie Verbundwerkstoffe (z.B. metallmatrixverstärkte Aluminiumgussteile) werden neue Herausforderungen an die Zerspanung stellen. Bearbeitungsstrategien wie die Trockenbearbeitung oder die kryogene Bearbeitung mit flüssigem Stickstoff werden weiter an Bedeutung gewinnen, um die Nachhaltigkeit zu verbessern und die Leistung zu steigern.

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FAQ – Häufig gestellte Fragen zur Bearbeitung von Aluminiumguss

 

 

Frage 1: Warum ist ein horizontales Bearbeitungszentrum für Gussteile oft besser geeignet als ein vertikales?

 

Der Hauptvorteil eines horizontalen Bearbeitungszentrums liegt im freien Spänefall. Bei einer horizontalen Spindel fallen die bei der Bearbeitung entstehenden Späne durch die Schwerkraft nach unten weg und können direkt von einem Späneförderer abtransportiert werden. Bei einem vertikalen Zentrum können die Späne auf dem Werkstück und in der Vorrichtung liegen bleiben, was den Prozess stören, die Kühlung behindern und die Oberflächenqualität beeinträchtigen kann. Zudem sind horizontale Zentren oft standardmäßig mit einem Palettenwechsler für die Serienfertigung ausgestattet.

 

Frage 2: Was ist PKD und warum wird es für die Bearbeitung von Aluminiumguss verwendet?

 

PKD steht für Polykristalliner Diamant. Es ist ein synthetisch hergestellter, extrem harter Schneidstoff. Für die Bearbeitung von stark siliziumhaltigen Aluminiumgusslegierungen ist PKD oft die einzige wirtschaftliche Lösung. Die harten Siliziumkristalle in der Legierung würden eine normale Hartmetallschneide sehr schnell verschleißen. Eine PKD-Schneide ist deutlich verschleißfester und erreicht bei diesen Materialien eine um ein Vielfaches höhere Standzeit, was insbesondere in der Großserienfertigung die Werkzeugkosten pro Bauteil drastisch senkt.

 

Frage 3: Was versteht man unter einer hydraulischen Spannvorrichtung und warum ist sie notwendig?

 

Eine hydraulische Spannvorrichtung ist ein speziell für ein bestimmtes Bauteil konstruiertes Spannmittel, das das Gussteil mit hydraulisch betätigten Spannelementen (Zylindern, Schwenkspannern) fixiert. Sie ist notwendig, weil Gussteile oft komplexe, freiformartige Konturen haben und nicht einfach in einen Standardschraubstock gespannt werden können. Die Vorrichtung definiert über feste Anlagepunkte eine exakte und wiederholgenaue Position des Teils im Maschinenraum und spannt es sicher, aber ohne es zu verformen, damit alle Bearbeitungen in der geforderten Toleranz ausgeführt werden können.

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