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Fügetechnik Geeignete Fügeverfahren für Multimaterialbauweisen ermitteln

Autor / Redakteur: Thomas Götz, Dr.-Ing. Marco Schneider* / Jan Vollmuth

Die vom Fraunhofer IPA entwickelte Wissensdatenbank JoinIT stellt unter Einbezug der verschiedenen Ebenen eines morphologischen Fertigungssystems eine Methodik zur Auswahl geeigneter Fügetechnologien für den Fahrzeugbau bereit.

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Verbindungstechnik im neuen Audi A8.
Verbindungstechnik im neuen Audi A8.
(Bild: AUDI AG)

Entwicklungen im Bereich des Fahrzeugbaus beschäftigen sich zunehmend mit den Herausforderungen im Übergang von der Nutzung fossiler Kraftstoffe hin zur Elektrifizierung des Antriebsstrangs. Getrieben durch eine steigende Dynamik im politischen Umfeld und wachsende Regulierungsvorgaben rücken Leichtbaulösungen als Schlüsseltechnologie zur Erfüllung gesetzlicher Vorgaben und kundenseitiger Anforderungen vermehrt in den Fokus.

Umfassendes Leichtbaukonzept

Das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderte Verbundprojekt HigHKo suchte diesen Herausforderungen im Bereich der Leichtbauweise Rechnung zu tragen. Gemeinsam mit den Projektpartnern der Porsche AG, der ElringKlinger AG sowie dem Fraunhofer IPA wurde ein Leichtbaukonzept entwickelt, das die Anforderungen der systemischen Hauptkomponenten wie Batteriesystem, Fahrwerk und Karosserie frühzeitig berücksichtigte, sodass signifikante Gewichtsreduzierungen erzielt werden konnten. Dies involvierte neben werkstofflichen Neuerungen auch die Integration neuer Prozess- und Fügetechnologien.

Im Fokus innovativer Fahrzeugkonzepte gewinnt der Leichtbau zunehmend an Bedeutung, da er signifikante Massereduktionspotentiale bietet und somit eine Umkehrung der sogenannten Gewichtsspirale im Fahrzeugbau zu erzielen vermag [1]. So führte der steigende Bedarf nach erhöhter Sicherheit, mehr Komfort und verbesserter Fahrleistung zu einer kontinuierlichen Erhöhung des Fahrzeuggewichts [1, 2, 3, 4]. Von besonderer Relevanz ist der Leichtbau für Elektrofahrzeuge, die gegenüber vergleichbaren Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor ein signifikant höheres Gewicht aufweisen [5], wobei das Batteriemodul einen beträchtlichen Anteil am Gesamtfahrzeuggewicht ausmacht.

Durch das höhere Gewicht der Batteriezellen müssen umliegende Karosseriestrukturen verstärkt werden, wodurch erneut eine Gewichtsspirale in Gang gesetzt wird, die sich wiederum negativ auf die Reichweite der Elektrofahrzeuge auswirkt [5, 6]. Für den wirtschaftlichen Erfolg der neuen Antriebe ist es daher zwingend erforderlich, durch signifikante Gewichtsreduktionen zu einer Reichweitenerhöhung zu gelangen. Vor allem die Karosserie, die ungefähr ein Drittel des Gewichts am Gesamtfahrzeug ausmacht, verfügt dabei über ein großes Potential [2, 3].

Die vier Säulen des Leichtbaus

Für die Entwicklung entsprechender Leichtbaustrukturen haben sich im Automobilbau inzwischen vier Säulen des Leichtbaus etabliert [2]. Diese umfassen zum einen den Formleichtbau, der eine Gewichtsminimierung durch Gestalt- und Topologieoptimierung anstrebt, wobei eine gleichbleibende Steifigkeit der Struktur bei geringem Stoffeinsatz erreicht wird [2, 4, 7]. Beim Konzeptleichtbau erfolgt die Gewichtsreduzierung durch das systematische Weglassen verzichtbarer Komponenten wie bspw. das Reserverad oder einfacher tragender Strukturen [2, 4]. Zur Anwendung kommt daneben der Fertigungsleichtbau, bei dem Gewichteinsparungspotentiale durch Herstellungs-, Fertigungs- und Montageprozesse erzielt werden, wie bspw. durch den Einsatz dickenoptimierter Bleche und Profile [2, 7]. Als vierter Ansatz ist der Werkstoffleichtbau zu nennen, der eine Gewichtsreduktion durch den Einsatz von Leichtbauwerkstoffen (Abb. 1) wie Aluminium, Magnesium oder Faserverbundkunststoffen (FVK) ermöglicht [8].

Abb 1: Multimaterial-Design als Schlüssel zu bezahlbarem Karosserieleichtbau [in Anlehnung an 2]
Abb 1: Multimaterial-Design als Schlüssel zu bezahlbarem Karosserieleichtbau [in Anlehnung an 2]
(Bild: Fraunhofer IPA)

Im Automobilbau ist allerdings eine reine Substitution traditioneller metallischer Strukturen durch moderne Leichtbauwerkstoffe wie kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) aufgrund der hohen Materialkosten in Zukunft nicht zielführend. Ein Stellhebel, um die hohen Kosten reiner FVK-Bauweisen zu senken, bietet der Einsatz von Multi-Material- bzw. Misch-Bauweisen, die das belastungs- und funktionsgerechte Zusammenwirken unterschiedlicher Materialien innerhalb eines Bauteils ermöglichen [9, 10]. Hierbei wird derjenige Werkstoff ausgewählt, der unter Berücksichtigung wirtschaftlicher und produktionstechnischer Erfordernisse die an das jeweilige Bauteil der Fahrzeugkarosserie gestellten Anforderungen bei minimalem Gewicht bestmöglich erfüllt [4, 10]. Dabei ist die reine Massenreduktion bei der Umsetzung der Mischbauweise nicht der einzige Vorteil, sondern durch die Kombination unterschiedlicher Werkstoffe wird neben der Gewichtsreduktion auch eine signifikante Verbesserung der geforderten mechanischen Bauteileigenschaften erzielt. Beispielsweise können bei hochbelasteten Strukturbauteilen Lasten durch den lokalen Einsatz kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe aufgefangen werden [1].

Fügetechnologie als Erfolgsfaktor für die Mischbauweise

Den zahlreichen Vorteilen der Mischbauweise stehen allerdings erhebliche Herausforderungen gegenüber, wobei die Fügetechnologie zwischen artfremden Werkstoffen eine zentrale Problematik darstellt. So schließen beispielsweise spezifische Materialkombinationen bestimmte Fügeverfahren grundsätzlich aus [9]. Als kritisch erweisen sich zudem die Krafteinleitungspunkte und -übergangsbereiche, an denen unterschiedliche Werkstoffe aufeinandertreffen [2, 8]. Hier gilt es, die aufgrund der divergierenden Materialeigenschaften hervorgerufenen Problemstellungen wie unterschiedliche Wärmeausdehnung, Kontakt- und Spaltkorrosion zu berücksichtigen [9]. Für die Verbindungstechnologie hat Priorität, dass die Vorteile des Mischbaus nicht durch ungünstige Folgeerscheinungen inadäquater Fügeverfahren wie erhöhtes Gewicht, geringe Steifigkeit oder Festigkeit im Fügebereich nivelliert werden [2].

Diese Hemmnisse verdeutlichen, dass sich die Erfahrungen auf dem Gebiet der klassischen Fügeverfahren nicht auf Multimaterialsysteme übertragen lassen [2]. Der Auswahl und dem Einsatz werkstoffadäquater Fügeverfahren kommt daher eine besondere Bedeutung zu, damit die spezifischen Materialeigenschaften optimal ausgenutzt werden können [8, 9].

Abb. 2: Technologiemix der zur Anwendung kommenden Fügeverfahren im Karosserierohbau am Beispiel des Audi A8 [in Anlehnung an 15].
Abb. 2: Technologiemix der zur Anwendung kommenden Fügeverfahren im Karosserierohbau am Beispiel des Audi A8 [in Anlehnung an 15].
(Bild: Fraunhofer IPA)

Zur Herstellung fester, unlösbarer Verbindungen von Karosseriebauteilen kommen gegenwärtig unterschiedliche Fügetechnologien zum Einsatz (siehe Abb. 2). Im Rahmen der Leichtbaukonzepte und der damit verbundenen Mischbauweise stoßen thermische Fügeverfahren wie Schweißen an ihre Grenzen oder sind nicht einetzbar. In diesem Zusammenhang wirken sich vor allem die unterschiedlichen Schmelztemperaturen, Temperaturbeständigkeiten und divergierenden Wärmeleitungskoeffizienten der artfremden Werkstoffe nachteilig auf ihre thermische Fügbarkeit aus [11]. Zudem kann es aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Fügepartner zu Spannungen und Bauteilverzug kommen, die mit einem Verlust der Maßhaltigkeit und Funktionsfähigkeit des Bauteils einhergehen.

Alternative mechanische Fügeverfahren

Alternativen bieten mechanische Fügeverfahren wie Stanznieten oder Clinchen, die als verzugsarme Techniken für das form- und kraftschlüssige Verbinden maßhaltig kritischer Baugruppen geeignet sind [12]. Zu den wesentlichen Vorteilen dieser Verfahren zählt, dass aufgrund fehlender Wärmeeinträge unterschiedliche Werkstoffe unter Beibehaltung ihrer jeweiligen Werkstoffeigenschaften kostengünstig und energieeffizient miteinander gefügt werden können [11].

Eine weitere wärmearme Fügetechnik stellt das Kleben dar, mit dem praktisch alle technisch nutzbaren Werkstoffe stoffschlüssig miteinander gefügt werden können. Die hierbei durch Adhäsion entstehende Verbindung wird sehr schonend aufgebaut, da der Klebvorgang weder großer Hitze wie z.B. beim Schweißen noch strukturschwächender Bohrungen wie beispielsweise beim Nieten bedarf. Die in der Regel großflächig ausgelegte Klebung sorgt zudem für eine gleichmäßige Spannungsverteilung im Bauteil und kann Vorteile in Bezug auf die Strukturdämpfung zeigen [13].

Innerhalb des Karosseriebaus in Mischbauweise haben sich neben den oben genannten Verfahren hybride Fügetechnologien etablieren können, die den Einsatz von Klebstoffen mit mechanischen Fügeverfahren kombinieren [1, 4, 7, 12]. Solche hybriden Verbindungen erfüllen in besonderem Maße die an die Fügetechnologie im Karosserierohbau gestellten Anforderungsprofile hinsichtlich Steifigkeit, Festigkeit und Energieaufnahme, auch im Crashfall [12, 14].

Methodik zur Auswahl von Fügeverfahren

In der Mischbauweise stellt die Auswahl der effizientesten Fügeverfahren unter Beachtung der konstruktiven und materialseitigen Anforderungen den Konstrukteur im Entwicklungsprozess vor große Herausforderungen. Gegenwärtig erfolgt der Auswahlprozess unternehmensintern überwiegend auf Basis des persönlichen Wissens und der individuellen Erfahrung des Mitarbeiters unter Zuhilfenahme textgebundener Hilfsmittel wie Fachliteratur oder Konstruktionskataloge. Dieses Vorgehen ist nicht nur zeitaufwändig und ineffizient, sondern auch intransparent und nicht reproduzierbar. Zur Systematisierung dieses Prozesses wurde vom Fraunhofer IPA die datenbankbasierte Anwendung JoinIT entwickelt, die als Wissensdatenbank unter Einbezug der verschiedenen Ebenen eines morphologischen Fertigungssystems eine Methodik zur Auswahl geeigneter Fügetechnologien bereitstellt.

Abb. 3: Methodisches Vorgehen bei der Auswahl von Fügeverfahren.
Abb. 3: Methodisches Vorgehen bei der Auswahl von Fügeverfahren.
(Bild: Fraunhofer IPA)

Der Anwendung liegt eine Datenbank zugrunde, die als Basis die Fügeverfahren nach DIN 8593 einbezieht. In einem iterativen Auswahlprozess können durch die Definition der die Fügeaufgabe konstituierenden Einflussgrößen Fügepartner, Geometrie der Fügestelle sowie weiterer Anforderungen an die Fügeaufgabe geeignete Lösungspfade unter Abgleich der jeweiligen Charakteristika der hinterlegten Fügetechnologien abgeleitet werden (siehe Abb. 3).

Einteilung der Werkstoffe gemäß DIN-Normen

Grundlage der entwickelten Auswahlmethodik bildet die Festlegung der beteiligten Fügepartner aus Werkstoffsicht, wobei neben den klassischen Konstruktionswerkstoffen wie Metallen und Kunststoffen auch die Werkstoffarten der Keramiken sowie Verbund- und Holzwerkstoffe Berücksichtigung finden. Die Einteilung der Werkstoffe entspricht den gemäß DIN-Normen vorgegebenen Systematiken nach Werkstoffklassen, -gruppen und -nummern. Der Auswahlprozess kann damit anhand eines definierten Werkstoff-Hierarchiepfades sowohl auf Ebene übergeordneter Werkstoffklassen und -gruppen bis hin zu den jeweiligen Werkstoffnummern erfolgen.

Neben den zu fügenden Werkstoffen sind die Oberflächeneigenschaften der Fügeteile entscheidend für den Fügeprozess. Dies macht es erforderlich, ebenfalls Verfahren der Oberflächenbehandlungen (z.B. gestrahlt, poliert), der Oberflächenhärtung (z.B. flammgehärtet, laserstrahlgehärtet) sowie der Oberflächenbeschichtung (z.B. galvanisiert, pulverbeschichtet) der Fügeteile in die Methodik zu integrieren. Die berücksichtigten Verfahren bezüglich der drei Teilgebiete wurden über Fachliteratur ermittelt.

Geometrische Anforderungen berücksichtigt

Zur weiteren Konkretisierung der Auswahl finden auch geometrische Anforderungen der Fügestelle Eingang in die Methodik. Diese umfassen die für das Fügen gebräuchlichen Stoßarten (z.B. Stumpfstoß, Überlappstoß) sowie Anforderungen hinsichtlich der Zugänglichkeit zur Fügestelle (einseitig, zweiseitig).

Neben der Charakterisierung von Fügepartner und Fügestelle kann eine weitere Systematisierung des Auswahlprozesses durch die Festlegung zusätzlicher Anforderungen an die Fügeaufgabe erfolgen. Hierzu zählen technische, ökonomische und ökologische Aspekte und deren jeweilige Merkmalsausprägungen, deren Auswahl auf DIN-Normen, Konstruktionskatalogen und Fachliteratur beruht. Technische Anforderungen betreffen beispielsweise die Beanspruchungsarten der Fügeverbindung (z.B. Zugbelastung, Schubbelastung), Anforderungen an die Medienbeständigkeit (z.B. Ölbeständigkeit, Spritzwasserbeständigkeit) oder Ansprüche an die Mediendichtheit (z.B. luftdicht, wasserdicht). Ökonomische Anforderungen inkludieren beispielsweise die Automatisierbarkeit der Fügetechnologie (z.B. teilautomatisierbar, vollautomatisierbar) oder die Skalierbarkeit der Stückzahl der Fügeteile pro Jahr. Unter den ökologischen Aspekten werden beispielsweise Anforderungen hinsichtlich der Emissionen (z.B. geräuscharm, strahlungsfrei) oder des Energieverbrauchs (z.B. gering, hoch) zusammengefasst.

Programmtechnische Umsetzung der Anwendung JoinIT

Die entwickelte Auswahlmethodik wurde in einer Datenbankarchitektur abgebildet und mit ersten Daten zu exemplarischen Fügeprojekten befüllt. Die auf der Datenbank basierende Anwendung JoinIT wurde anschließend in Form einer dynamischen Webanwendung programmtechnisch umgesetzt. Die graphische Benutzeroberfläche der Webanwendung (siehe Abb. 4) wird im Folgenden näher beschrieben.

Im Rahmen des Auswahlprozesses erfolgt bedienerseitig zunächst die Definition der Fügepartner (1). Durch die Auswahl des jeweils zu beschreibenden Fügeteils öffnet sich ein Dropdown-Menü (2), in das die erforderlichen Angaben gemäß der Auswahlmethodik vorgenommen werden können. Die Werkstoffauswahl findet in einem strukturierten Prozess entlang des hinterlegten Werkstoff-Hierarchiepfades bis zur gewünschten Detaillierungsebene statt (3). Anschließend lassen sich die Fügeteile durch die Angabe weiterer Anforderungen hinsichtlich der Materialdicke und deren Oberflächenbehandlung näher charakterisieren. Hierbei werden numerische Angaben, wie die Materialdicke, über Schiebregler (4) eingestellt, während Angaben mit booleschen Werten, wie eine spezifische Oberflächenbeschichtung des zu definierenden Fügepartners, über Checkboxen (5) aktiviert werden. Kann eine Anforderung zum Zeitpunkt der Suche nicht eingeschränkt werden, wird in diesem Feld keine Angabe getätigt.

Vielfältiges Eingrenzen der Anforderungen

Nach detaillierter Definition der Fügepartner kann die Auswahl gemäß der Methodik durch weitere Angaben zur geometrischen Art der Fügeverbindung sowie zu technischen, wirtschaftlichen und ökologischen Anforderungen an die Fügeaufgabe eingegrenzt werden (6). Im Sinne eines übersichtlichen Erscheinungsbildes sowie einer hohen Nutzerfreundlichkeit sind die einzelnen Anforderungen Clustern zugeordnet, deren mögliche Merkmalsausprägungen minimiert sind (7). Erst durch die Auswahl eines spezifischen Clusters öffnet sich ein Dropdown-Menü (8) mit den hinterlegten Merkmalsausprägungen, wobei die Eingaben analog über Schiebregler (z.B. Temperaturbeständigkeit) und Checkboxen (z.B. Ölbeständigkeit) getätigt werden können.

Die Ergebnissuche im Auswahlprozess erfolgt nach dem Ausschlussprinzip. Ein Suchalgorithmus vergleicht die Einträge in der Datenbank auf Übereinstimmung mit den gewählten Anforderungen in Echtzeit. Jede definierte Anforderung, die durch ein Fügeverfahren nicht erfüllt wird, führt zum sofortigen Ausschluss des jeweiligen Fügeverfahrens in der Ergebnisdarstellung.

Anwenderfreundlich und übersichtlich

Abb. 4: Graphische Benutzeroberfläche von JoinIT.
Abb. 4: Graphische Benutzeroberfläche von JoinIT.
(Bild: Fraunhofer IPA)

Die Lösungsmenge wird dem Entwickler unter Angabe der in der Datenbank hinterlegten Referenz-Fügeprojekte im Ergebnisfeld (9) dargestellt. Über eine Verlinkung können die Referenzprojekte der Lösungsmenge mit ihren Angaben bezüglich der Prozessbeschreibung sowie möglicher verantwortlicher Mitarbeiter im Unternehmen im Detail betrachtet werden.

Die Ergebnisdarstellung der datenbankbasierten Anwendung erfolgt gemäß Webshop-Methode, die sich aufgrund des leichten und sukzessiven An- und Abwählens von Anforderungen sowie einer Live-Aktualisierung der Lösungsmengen im Ergebnisfeld durch ein hohes Maß an Anwenderfreundlichkeit und Übersichtlichkeit auszeichnet. Das Vorgehen bietet somit wesentliche Vorteile auf den Gebieten Zeitbedarf, Intuitivität, Mehrfachauswahl und Eingabe-Korrektur.

Methodisches und reproduzierbares Vorgehen

Eine besondere Herausforderung für den Karosserierohbau in Mischbauweise und alle hybriden Bauteilstrukturen bildet die Fügetechnologie zwischen den unterschiedlichen Materialien, da der jeweilige Materialmix den Einsatz unterschiedlicher Fügetechnologien erfordert oder ausschließt. Als entscheidender Erfolgsfaktor gilt die effizienteste Auswahl im Entwicklungsprozess unter Beachtung der konstruktiven und materialseitigen Anforderungen hinsichtlich der Zielgrößen Funktion, Qualität und Wirtschaftlichkeit. Um diesen Auswahlprozess in der Konzeptions- und Entwurfsphase zu vereinfachen, wurde die computergestützte Anwendung JoinIT entwickelt, die ein methodisches und reproduzierbares Vorgehen bei der Auswahl geeigneter Fügeverfahren in Multimaterialsystemen ermöglicht. JoinIT soll über das zugrundeliegende Forschungsprojekt hinaus Verwendung finden und zukünftig als allgemein zugängliche Wissensdatenbank Dritten die Auswahl geeigneter Fügeverfahren erleichtern.

Danksagung

Das Verbundprojekt HigHKo – Hochintegratives Hinterwagen-Konzept wurde im Rahmen des Förderprogramms „Effizienzsteigerung Fahrzeugantriebe“ mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert und vom Projektträger Mobilität und Verkehrstechnologien (TÜV Rheinland) betreut. Die Autoren danken dem BMWi für die gewährte Förderung sowie dem Projektträger und allen beteiligten Konsortialpartnern für die Unterstützung.

Literaturverzeichnis

[1] Gude, M.; Meschut, G.; Zäh, M. F. & Lieberwirth, H. (2015). Chancen und Herausforderungen im ressourceneffizienten Leichtbau für die Elektromobilität. Forell Studie.

[2] Beck, F. U. (2013). Verbindungstechnik strukturell tragender CFK-Al-Mischverbindungen im Automobilbau. Göttingen: Cuvillier Verlag. Verfügbar unter: https://cuvillier.de/de/shop/publications/6379

[3] Meschut, G. & Augenthaler, F. (2015). Hybridfügen von Mischbaustrukturen aus faserverstärkten Kunststoffen mit metallischen Halbzeugen. IGF Abschlussbericht.

[4] Ruther, M.; Jost, R.; Freitag, V.; Peitz, V.; Piccolo, S.; Brüdgam, S.; Meschut, G.; Küting, J.; Hahn, O. & Timmermann, R. (2003). Fügesystemoptimierung zur Herstellung von Mischbauweisen aus Kombinationen der Werkstoffe Stahl, Aluminium, Magnesium und Kunststoff. Öffentlicher Abschlussbericht zum BMBF-Projekt.

[5] Köth, C.-P. (2020). Volkswagen: „Wir investieren in bezahlbaren Leichtbau statt in teure Batteriezellen“. Verfügbar unter: https://www.automobil-industrie.vogel.de/volkswagen-wir-investieren-in-bezahlbaren-leichtbau-statt-in-teure-batteriezellen-a-904626/

[6] Strathmann, T. (2019). Elektromobilität als disruptive Innovation. Herausforderungen und Implikationen für etablierte Automobilhersteller. Mainz: Springer Gabler.

[7] Henning, F. & Moeller, E. (Hrsg.) (2011). Handbuch Leichtbau. Methoden, Werkstoffe, Fertigung. München: Carl Hanser.

[8] Klose, P. (2008). Wirtschaftliche Leichtbaukonzepte für große Baureihen. Ein ganzheitlicher Ansatz. In: Lightweight Design 4/2008, S. 28-33.

[9] Prüß, H.; Stechert, C. & Vietor, T. (2010). Methodik zur Auswahl von Fügetechnologien in Multimaterialsystemen. 21. In: DfX-Symposium 2010. S. 1-13.

[10] Sahr, C.; Berger, L. & Lesemann, M. (2010). Systematische Werkstoff-Auswahl für die Karosserie des Superlight-Car. In.: ATZ 05 112. Jahrgang, S. 341- 347.

[11] Dietrich, J. (2013). Praxis der Umformtechnik. Umform- und Zerteilverfahren, Werkzeuge, Maschinen. Wiesbaden: Springer Vieweg.

[12] Koll, S. (2008). Vollstanznieten und Clinchen fügen sich gut. Verfügbar unter: https://industrieanzeiger.industrie.de/technik/fertigung/vollstanznieten-und-clinchen-fuegen-sich-gut/

[13] Klingen, J. (2019). Fügetechnologie Kleben. Eine Anleitung für den zeitgemäßen und sicheren Klebprozess in Industrie und Handwerk. Weinheim: Wiley-VCH.

[14] Nelson, A. (2019). Modellierung und Finite-Elemente-Berechnung form- und stoffschlüssiger Fügeverbindungen. In: kassel university press.

[15] Audi AG (2017). Der neue Audi A8. Verbindungstechnik. Verfügbar unter: https://www.audi-mediacenter.com/de/fotos/detail/der-neue-audi-a8-43909

* Thomas Götz und Dr.-Ing. Marco Schneider, Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

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