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Archive for the ‘Werkstoffe’ Category

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ISCHM 2017 on Storify

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Politische Vorgaben zur Erreichung von Klimazielen, Energieeffizienz, Elektromobilität und ein gesteigertes Umweltbewusstsein spiegeln sich auch in der industriellen Fertigung wider. Leichtbauelemente spielen deshalb in der Fahrzeugproduktion und überall dort, wo Gewicht und Energie eingespart werden sollen, eine zentrale Rolle. Faserverstärkte Kunststoffe haben sich hier bewährt. In Kombination mit Stahlverbindungen werden sie in der Automobilindustrie sowie beim Bau von Nutz- und  Schienenfahrzeugen, Schiffen und Flugzeugen eingesetzt. Damit gewähmonorail-1636401_1920rleistet ist, dass die Klebeverbindungen nicht versagen und allen Anforderungen an Sicherheit und Belastbarkeit genügen, sind umfangreiche und kostspielige Testreihen notwendig.

In einem aktuellen Forschungsprojekt der industriellen Gemeinschaftsforschung entwickeln Wissenschaftler der Universitäten Paderborn und Kassel ein Simulationsmodell, um das Versagen der Klebschicht bzw. der Faserstrukturen zuverlässig vorherzusagen. Damit können Gestaltungs- und Auslegungsrichtlinien erstellt werden. Davon profitieren vor allem kleine und mittelständische Unternehmen. Sie können künftig aufwändige Testreihen reduzieren und wirtschaftlicher produzieren.

Ob der Klebstoff optimal auf dem Substrat haftet, hängt von der geometrischen Struktur der Oberfläche und der Ausrichtung der Fasern in den Kunstoffen ab. Die Klebverbindung kann entweder an der Grenzschicht oder im Innern der faserverstärkten Kunststoffe versagen. Solche Szenarien können mit Finite-Elemente-Analysen berechnet werden. Dabei wird der zu untersuchende Bereich in kleine Teilregionen, die Finiten Elemente aufgeteilt. Die Finite-Elemente-Analyse beruht auf dem Lehrsatz, dass belastete Strukturen sich so verformen, dass die potentielle Energie des Systems minimiert wird. Um das Deformationsverhalten zu beschreiben, gibt es eine Vielzahl von Elementtypen, die in Datenbanken hinterlegt sind. Damit künftig eine virtuelle Produktentwicklung und –prüfung auch für faserverstärkte Kunststoffe möglich ist, erarbeiten die Wissenschaftler in diesem Projekt entsprechende Simulationsmodelle.

Weitere Informationen zum Projekt Experimentelle und numerische Untersuchungen zum Versagensverhalten von kalt ausgehärteten Stahl-FVK-Klebverbindungen unter schlagartiger Belastung 18337 N

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turbine-471953_1920Energieeffizienz und Schadstoffminimierung spielen eine wichtige Rolle, damit die gesetzten Klimaziele erreicht werden. Leichte Bauteile und höhere Betriebstemperaturen können beispielsweise thermischen Anlagen und Turbinen klimafreundlicher machen. Mit leichten Bauteilen können bewegliche Komponenten schneller angefahren und angehalten werden. Durch höhere Temperaturen wird die Effizienz gesteigert.

Titan-Legierungen werden wegen ihrer Eigenschaften häufig als Strukturwerkstoffe eingesetzt. Dank ihrer geringen Dichte (ca. 4,5 g / cm³) und guten mechanischen Eigenschaften eignen sie sich hervorragend als Leichtbaumaterial. Allerdings treten bereits oberhalb von 500 °C Schäden durch Korrosion und Oxidation auf.

Bauteile in stationären Gasturbinen und in Hochdruckturbinen von Flugtriebwerken bestehen aus Nickel-Basislegierungen. Damit sie Temperaturen von 900 °C standhalten, muss aufwändig ein komplexes Wärmedämmschichtsystem aufgebracht werden.

Bisher werden die Oberflächen der beiden Legierungen durch Beschichtung aus der Gasphase (PVD) oder durch thermische Spritzverfahren (VPS) geschützt. Bei der Abscheidung aus der Gasphase wird das Beschichtungsmaterial im Vakuum verdampft und kondensiert auf der Oberfläche des Substrats. Beim VPS-Verfahren wird Beschichtungsmaterial durch eine mehrere 1000 Grad heiße Plasmaflamme auf das Substrat gespritzt. Für beide Verfahren sind mehrere Prozessschritte notwendig. Die so erzeugten Schutzschichten sind relativ dick (>50 um) und häufig spröde.

Wissenschaftler des DECHEMA-Forschungsinstituts versuchen, in diesem Projekt der industriellen Gemeinschaftsforschung durch ein kostengünstiges Pulverpackverfahren in einem einstufigen Prozess die Oberflächen von Titan- und Nickel-Legierungen zu schützen, so dass auch Einsätze bei Temperaturen bis zu 1.100 °C über einen längeren Zeitraum möglich werden. Beim Pulverpackverfahren werden beispielsweise Aluminium, Chrom oder Silizium eingesetzt. Sie bilden gasförmige Halogenide, die für den Transport der Metalle an die Werkstoffoberfläche verantwortlich sind. Sie bilden homogene Metallschichten auf den Oberflächen, die wiederum resistente Oxidschichten ausbilden. In diesem Forschungsprojekt wird mit einer dünnen Aluminiumdiffusionsschicht (< 10 um) gearbeitet. Sie bildet eine sehr gut schützende α-Aluminiumoxidschicht aus, die die Lebensdauer erheblich verlängert. Die so optimierten Nickel- und Titan-Legierungen können in oxidierender Umgebung bei hohen Temperaturen beispielsweise im Industrieofenbau, der Automobil-, Luft-, Raumfahrt- und Gasturbinenindustrie eingesetzt werden.

Zum IGF-Projekt 18947N Hochtemperaturoxidationsschutz für technische Titan- und Nickellegierungen durch kombinierte Alitierung und Fluorierung in einem einstufigen Prozess

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DECHEMA-TagKeine Rohstoffknappheit mehr, keine Abhängigkeit von anderen Staaten, keine Müllhalden in Drittweltländern, auf denen mit zweifelhaften Methoden Metalle aus Elektroschrott gewonnen werden, gleichzeitig weiterhin die Annehmlichkeiten der modernen Konsumgesellschaft, und der Klimawandel kann auch noch gestoppt werden. Das sind im Kern die Visionen, die durch eine vollständige Kreislaufwirtschaft verwirklicht werden sollen. Die EU hat sich die Circular Economy auf die Fahnen geschrieben. Doch lassen sich diese Ansprüche wirklich erfüllen? Und was heißt das für Produkte und Dienstleistungen, für Hersteller und Konsumenten? Diese Fragen standen im Mittelpunkt der Diskussion beim ersten DECHEMA-Tag am 1. Juni 2016 in Frankfurt.

Und die Antworten fielen denkbar unterschiedlich aus. Das macht sich schon an Grundlagen der Circular-Economy-Idee wie „Langlebigkeit“ oder „Nachhaltigkeit“ fest: Für Dr. Eric Bischof, VP Corporate Sustainability bei Covestro Deutschland, steht Circular Economy „für den Gedanken, ein Produkt möglichst lange auf einer möglichst hohen Wertschöpfungsstufe zu halten.“ Dazu gehören eine lange Nutzungsdauer, die Reparatur und Wiederverwendung; stoffliches Recycling stelle nur die Ultima Ratio dar.

Für Prof. Dr. Michael Braungart, einen der Entwickler des Cradle-to-cradle-Konzeptes, ist Nachhaltigkeit dagegen keine Lösung, denn sie mache „nur weniger kaputt“. Eine Reduktion von 90 auf 4 Giftstoffe mache ein Produkt nicht ungiftig. Außerdem schließen sich aus seiner Sicht Nachhaltigkeit und Innovation aus: Bei einem Innovationszyklus von 8 bis 9 Jahren ist eine Lebensdauer von 30 Jahren für ein Produkt wie eine Waschmaschine ein Innovationshindernis. Stattdessen plädiert er dafür, Produkte von vornherein so zu konzipieren, dass die verwendeten Materialien und Komponenten vollständig wiederverwertet werden können – entweder im „technologischen Kreislauf“ oder über den Umweg der Kompostierung im biologischen Kreislauf.

Ressourcen ge- statt verbrauchen

Über eines waren sich allerdings alle Experten einig: An veränderten Nutzungskonzepten für Ressourcen führt kein Weg vorbei. Prof. Dr. Gerhard Sextl, Fraunhofer ISC, bringt es auf den Punkt: „Wir müssen lernen, Ressourcen zu gebrauchen statt zu verbrauchen.“ Dazu gehöre auch ein intelligentes Recycling: Es ist nicht notwendig, Materialien jedes Mal auf die Ebene der Elemente zu desintegrieren. Stattdessen können sie auf dem Niveau von Funktionswerkstoffen neu genutzt werden. Damit kann auch das Downcycling vermieden werden.

13 PodiumsteilnehmerAllerdings ist es bis dahin noch ein weiter Weg, denn die derzeit eingesetzten Produkte enthalten eine solche Vielzahl von Werkstoffen und Zusätzen, dass eine sinnvolle Trennung kaum möglich erscheint. Selbst Hersteller wissen oft nicht, welche Materialien sie in Form von Komponenten in ihren Produkten verbaut haben. Gerhard Sextl sieht eine Chance in der Digitalisierung: Jedes Produkt könnte einen „Pass“ erhalten, in dem seine Inhaltsstoffe aufgelistet sind.

Dennoch bleibt die Frage offen, ob es tatsächlich gelingen kann, alle „technologischen Rohstoffe“ vollständig im Kreis zu führen. Sicher lässt sich aus Legierungen reines Kupfer zurückgewinnen, wie Michael Braungart postuliert – allerdings kaum zu 100 %. Alle Formen der Dissipation, sei es Abrieb im Gebrauch, Verluste bei der Verarbeitung beispielsweise beim Schleifen, Bohren oder Fräsen oder eben bei der Aufarbeitung müssten vollständig ausgeschlossen werden. Auch der Ersatz von Materialien erweist sich häufig als mühsam. Prof. Dr. Rainer Grießhammer vom Öko-Institut führt als Beispiel den Recyclingbeton an, bei dem seit Jahren auf einen Anteil von 10 % hingearbeitet wird, der jedoch hartnäckig bei 4 % stagniert. Michael Braungart sieht in der Materialentwicklung eine gewaltige Chance für Chemiker und Verfahrenstechniker. Nach den Unfällen der 80er Jahre, speziell der Sandoz-Katastrophe, sei der Chemie eine ganze Generation von klugen Köpfen verloren gegangen. Die Neuentwicklung von Produkten, Materialien und Nutzungskonzepten mache Chemie und Verfahrenstechnik entscheidend. Dementsprechend wirbt er in seinen  Vorträgen um junge Leute für die Wissenschaft.

Neues Design eröffnet Möglichkeiten

Dank neuer Fügetechniken kann die Demontierbarkeit von wieder nutzbaren Komponenten oder einheitlichen Materialien sicher gestellt werden. Anne Farken, BMW Group Designworks, weist darauf hin, dass das die Rolle der Designer verändert: „Die genaue Kenntnis der Materialien und Technologien ist Voraussetzung für ein intelligentes Produktdesign, bei dem auch das Nutzungsende berücksichtigt wird.“ Bereits heute können 95 % eines Autos recycelt werden. Und sie sieht noch weitere Vorteile für die Produkte: Mit Hilfe eines modularen Aufbaus lässt sich nicht nur die Wiederverwertung am Nutzungsende sicherstellen, er ermöglicht auch Upgrades und Personalisierbarkeit – Produkteigenschaften, die derzeit immer mehr in den Vordergrund rücken. Doch gleich, wie ein Recycling im Einzelnen aussehen soll – erst einmal muss das Produkt zurück zum Hersteller oder hin zum Recycler. Rainer Grießhammer bemängelt die fehlende Rückwärtslogistik für Produkte. Selbst in der öffentlichen Beschaffung werden die entsprechenden Anforderungen bei Ausschreibungen nicht umgesetzt.

Mit dem Ansatz von Michael Braungart stellt sich die Frage nach der Rückführung der Produkte, womöglich noch nach unterschiedlich langen Nutzungsdauern, gar nicht. Denn er plädiert dafür, Verbrauchern nicht Produkte zu verkaufen, sondern Nutzen: Statt einer Waschmaschine bietet der Hersteller also eine definierte Anzahl von Waschgängen, statt eines Autos die gefahrenen Kilometer. Das würde Hersteller auch davon überzeugen, ihre Produkte zu verbessern: „Treibstoffersparnis lohnt sich für den Autohersteller viel mehr, wenn er gefahrene Kilometer statt Autos verkauft.“  Auch der Einsatz besserer Materialien lohne sich, wenn der Hersteller das Eigentum am Gerät oder der Anlage behalte.

Praktische Fragen noch offen

Doch wie lassen sich solche Produkte erfolgreich in den Markt einführen?  Haushaltsgeräte-Hersteller wie Bosch haben dazu schon Versuche unternommen;  bisher sind solche Konzepte allerdings zu teuer.

Und weitere Fragen schließen sich an: Was geschieht  im Fall einer Insolvenz des Unternehmens? Und wie können die Kunden davon überzeugt werden, ihr Geld für Nutzung statt für Produkte auszugeben? Eine „Erziehung der Kunden“ sieht Michael Braungart nicht als notwendig an; er ist überzeugt, dass die Intelligenz des Modells in den Produkten liegt. Eric Bischof ist da skeptischer: „Ein Dienstleistungsmodell kann zu Innovationen führen, muss aber nicht.“ Für Bischof und auch für Anne Farken sind Zukunftsmodelle wie Cradle-to-cradle oder die Circular Economy deshalb eher gedankliche Modelle als eine Lösung für alles. Auch Rainer Grießhammer warnt: „Die Welt ist zu komplex, um sie mit einem einzigen Designprinzip zu ändern.“ Andererseits gebe es Beispiel wie die Energiewende, deren ursprüngliche Idee unter anderem auf eine Studie des Öko-Instituts aus dem Jahr 1980 zurückgeht. Das zeige: Konzepte brauchen lange, können aber viel bewirken.

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waste-separation-502952_1920Circular Economy – das ist doch das Konzept, bei dem Produkte wie Waschmaschinen, Autos oder T-Shirts möglichst vollständig recycelt werden sollen, um den Abfall zu minimieren. Was hat das mit chemischer Verfahrentechnik oder Biotechnologie zu tun?

Eine ganze Menge, wie die Europäische Pattform für Nachhaltige Chemie SusChem in einem Positionspapier festgestellt hat. Eine tragfähige Kreislaufwirtschaft kann sich demnach nur entwickeln, wenn alle Aspekte der Nachhaltigkeit – positiver Einfluss auf die Gesellschaft, Minimierung der Umweltbelastung und Wirtschaftswachstum- gleichzeitig realisiert werden. Dafürbraucht es aber nicht nur neue Regularien, Dienstleistungen und Geschäftsmodelle, sondern konkrete technologische Fortschritte. Ziel ist es, vorhandene Ressourcen entlang des gesamten Lebenszyklus besser zu nutzen und  neue Produktions- und Verwertungswege zu entwickeln.

Und das funktioniert nur mit dem Know-How der chemischen Industrie, die als Lieferant von Werkstoffen und technologischen Lösungen die nachgelagerten Wertschöpfungsstufen entscheidend prägt.

Beispiele für Technologien, die zur Entwicklung einer Kreislaufwirtschaft beitragen können sind u.a.

Die Nutzung alternativer Ressourcen wie nachwachsender Rohstoffe oder CO2 aus Industrieprozessen

CO2 stellt eine erneuerbare Kohlenstoffquelle für die Produktion von Chemikalien, Polymeren und Kraftstoffen dar, seine Nutzung kann zur Kreislaufschließung beitragen. Benötigt werden dafür neue Katalysatoren und effiziente Prozesse für die Abtrennung, Reinigung und Unsetzung – eine große Aufgabe für Chemiker und Verfahrenstechniker.

Die Entwicklung neuer Materialien, die nachhaltige und recyclebare Produkte ermöglichen

Verbundwerkstoffe ermöglichen Leichtbauanwendungen für Transport, aber beispielsweise auch Windkraftanlagen. Sie verbessern unmittelbar die Energieeffizienz. Heutige Kunstharz-Verbundwerkstoffe sind in der Regel nicht recyclierbar. Gesucht werden daher neue Monomere, aber auch Produktionsverfahren und die Möglichkeit, schon in der Designphase mit Hilfe von Simulationen zuverlässige Vorhersagen über das Verhalten der Bauteile zu machen – ein weites Feld für Werkstoffwissenschaftler, Ingenieure und Chemiker.

Effizienzerhöhung der Produktionsprozesse und die Kreislaufschließung in der chemischen Produktion

Die Idee der Kreislaufwirtschaft schließt die Kreislauf-Bioökonomie mit ein. Ein Weg dorthin sind Bioraffinerien, die auf Basis von Biomasse eine Vielzahl chemischer Produkte herstellen. Idealerweise kommen Rest- und Abfallsströme zum Einsatz, die sonst nicht genutzt oder beispielsweise verbrannt würden. Gesucht werden Prozesse, die effizient und wettbewerbsfähig sind. Verschiedene Arten von Biomasse erfodern maßgeschneiderte Prozesse für die Herstellung von Chemikalien, Werkstoffen, Pharmazeutika, Kosmetik, Kunststoffe, Lebensmittel und Futtermittel, Detergentien, Textilien und Bioenergie. Diese Prozesse müssen im industriellen Maßstab durchführbar sein – ein großes Forschungsfeld für Biotechnologen und Verfahrenstechniker.

Doch ist es wirklich realistisch, Kreisläufe vollständig zu schließen? Oder brauchen wir andere Konzepte für den sparsamen Umgang mit Ressourcen? Darum geht es beim DECHEMA-Tag am 1. Juni 2016 – kommen Sie vorbei und diskutieren Sie mit!

 

 

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Stefan HeinrichProf. Dr. Stefan Heinrich von der TU Hamburg-Harburg ist der DECHEMA-Preisträger 2015. Die Preisverleihung findet am 1. Juni 2016 im Rahmen des DECHEMA-Tages in Frankfurt am Main statt. Mitglieder und Interessierte sind dazu herzlich eingeladen. Im Interview erzählt Stefan Heinrich vorab, warum die Wirbelschicht-Granulation ein so spannendes Verfahren ist.

Wie funktioniert die Wirbelschicht-Sprühgranulation?

Beim Wirbelschichtverfahren werden Partikel mittels eines meist heißen Luftstroms gewirbelt und somit in einen Flüssigkeits-ähnlichen Schwebezustand gebracht; man spricht auch von fluidisierten Partikeln. Damit werden die Feststoffe flexibler in ihrer Handhabung,  z.B. können chemische Reaktionen intensiver und effektiver ablaufen.

Eine besondere Form ist dabei die Wirbelschicht-Sprühgranulation. Dabei werden Lösungen, die einen Feststoff enthalten,  oder Suspensionen bzw. auch Schmelzen auf die fluidisierten Partikel mittels Düsen in Form von Tropfen versprüht. Der Feststoff lagert sich auf den Partikeln ab, und das Lösungs- bzw. Suspensionsmittel verdunstet. Somit wachsen die Partikel schichtweise, d.h. sie granulieren oder werden ein- oder mehrlagig beschichtet bzw. verkapselt oder immobilisiert. Ebenso ist eine Agglomeration von pulverigen Stoffen oder eine Matrixeinbindung von Wirkstoffen möglich. Prinzipiell können damit Flüssigkeiten in frei fließende, staub- und abriebarme, körnige Feststoffe umgewandelt werden, um vollkommen neue Gebrauchseigenschaften zu erzeugen.

Wo begegnet uns diese Technik im Alltag bzw. welche alltäglichen Produkte werden damit hergestellt?

Die Wirbelschicht-Sprühgranulation findet ihren Einsatz in der chemischen Industrie, der Keramikindustrie, der Pharmazie oder der Lebens- und Nahrungsmittelindustrie sowie in der Landwirtschaft, wo derart hergestellte Partikel beispielsweise als Katalysatoren, Batteriematerialien, Keramik-Polymer-tablets-700670_640Funktionswerkstoffe, Farbstoffe, Waschmittel, Dünge- und Pflanzenschutzmittel, verkapselte Vitamine, feste Arzneiformen oder Adsorbentien für die Luftreinhaltung verwendet werden. Sehr wichtige Anwendungen sind beispielsweise die Retardbeschichtungen auf Arzneipartikeln bzw. –tabletten, um eine verzögerte Wirkstofffreigabe zu steuern, damit die Tablette über einen langen Zeitraum wirkt und gleichzeitigt nicht unkontrolliert Wirkstoff freigibt sowie vor der aggressiven Magensäure geschützt ist.

Was ist das besondere an der Wirbelschichttechnik gegenüber anderen Verfahren, um Partikel herzustellen?

Die Wirbelschicht zeichnet sich als thermisches Behandlungsverfahren für körnige Feststoffe durch eine sehr hohe Kontaktfläche zwischen den Partikeln und dem umströmenden Fluid aus und ist für sehr hohe Wärme-, Stoff- und Impulsaustauschkoeffizienten bekannt. Folglich können zahlreiche Prozesse intensiver ablaufen. (mehr …)

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Kunststoffe sind mittlerweile nicht nur in „Alltagsanwendungen“ von der Shampooflasche bis zur Brotdose im Einsatz. Es gibt sie mittlerweile auch in Hochleistungsvarianten mit hoher chemischer, thermischer oder tribologischer Beständigkeit in vielen Industriezweigen vom Fahrzeugbau bis zur Biomedizin. Dabei werden auch unterschiedliche Kunststoffe kombiniert – jedes einzelne Bauteil wird aus dem optimalen Material gefertigt. Das stellt jedoch besondere Anforderungen an die Fügetechnik, denn viele der modernen Fluor- und Hochleistungskunststoffe lassen sich bisher nur schlecht kleben und verlangen teils eine aufwändige Vorbehandlung, die bisher meist nasschemisch erfolgt. Mit dem industriell interessantesten Vorbehandlungsverfahren, der Aktivierung mittel Atmosphärenplasma an Luft, die bei anderen Kunststoffen eingesetzt, weben bisher noch keine guten Ergebnisse erzielt. Es gibt jedoch erste Hinweise aus dem Labor, dass eine Oberflächenbehandlung unter Verwendung von Schutzgasen zu deutlich besseren Klebe-Ergebnissen führt.

In einem Projekt der Industriellen Gemeinschaftsforschung werden an der TU Braunschweig und am Fraunhofer IST Vorbehandlungsverfahren erforscht, die die gezielte Funktionalisierung der Oberflächen von schlecht verklebbaren Fluor- und Hochleistungskunststoffen durch Atmosphärendruckplasmen in definierter Gasatmosphäre ermöglichen. Mit stickstoffhaltigen Prozesssgasen oder  plasmaunterstützen chemischen Gasphasenabscheidungen (PECVD) werden die Oberflächen mit Aminogruppen funktionalisiert, an die der Klebstoff alterungsbeständig kovalent bindet. Die ADP-Vorbehandlung lässt sich in der Serienfertigung einsetzen und lokal begrenzen.

Produkte, in denen Fluor- und Hochleitungskunststoffe Einsatz finden, werden aufgrund ihres hohen Spezialisierungsgrades häufig in kmUs hergestellt. Für sie ergibt sich aus dem geplanten Vorhaben daher eine sehr hohe wirtschaftliche Bedeutung. Zudem kommen die Ergebnisse den mittelständischen Plasmaanlagenherstellern zu Gute, die ihre Produkte technische weiterentwickeln und in neue Anwendungsbereiche vordringen können. Daher werden die Untersuchungen so ausgerichtet, dass ein einfacher Transfer der Ergebnisse in spezifische Anwendungen und in neue Plasmaanlagen ermöglicht wird.

Mehr zum IGF-Projekt 18117 N Hochfeste und dauerhafte Kunststoffklebungen durch Aminofunktionalisierung der Oberflächen mittels Atmosphärendruckplasma:

IGF-Projekt 18117 bei DECHEMA und IGF-Projekt 18117 – Material der TU Braunschweig

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