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Fertigungstechnik I - Ausblick Generative Fertigung
Folie 1
Der Oberbegriff Generative Fertigung kennzeichnet neuartige Verfahren zur Herstellung von Bauteilen, Werkzeugen, Modellen, etc., die durch einen schichtweisen Auftrag (additiv) von Werkstoffen charakterisiert sind.
Dagegen sind klassische Verfahren formgebunden, d.h. Bauteile entstehen durch Umformen (Schmieden, Tiefziehen, etc.) eines Halbzeugs oder durch Gießen in einer klassischen Form. (C. Leyens: Initialkonzept Additiv-Generative Fertigung, Dresden, 2013)
Serienfertigung von Individualbauteilen
Werkzeug- und Prototypfertigung
Musterfertigung und Designänderungen
Reparaturen
Die generativen Fertigungstechnologien sind urformende Verfahren.
Fertigungstechnische Einordnung
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Fertigungstechnik I - Ausblick Generative Fertigung
Folie 2
Aktuelle gesellschaftliche Herausforderungen an die Fertigungstechnik
Individualisierung von Produkten Dynamik der Produktentwicklung Lebensqualität auch mit steigendem Lebensalter Energieeffizienz und Ressourcenschonung Multifunktionalität von technischen Erzeugnissen
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Fertigungstechnik I - Ausblick Generative Fertigung
Folie 3
Wirtschaftliche, schnelle und flexible Produktion ohne klassische Formen und Werkzeuge
Multi-Material-Systeme mit integrierter Intelligenz ermöglichen Produkte mit radikal neuen Funktionalitäten und Eigenschaftsprofilen. Individualisierte Einzelstücke und Serienprodukte in hohen Stückzahlen werden in überwiegend virtualisierten Prozessketten entwickelt und hergestellt. Die Produktherstellung erfolgt ausschließlich on-demand und kann sowohl zentral als auch dezentral geschehen. C. Leyens: Initialkonzept Additiv-Generative Fertigung, Dresden, 2013 *) http://www.economist.com/node/21552901
„Dritte industrielle Revolution“ (The Economist *))
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Fertigungstechnik I - Ausblick Generative Fertigung
Folie 4
Daten-Modell
Konstruktion CAD-Geometriebescheibung STL-Format
Slicen Zerlegen des CAD-Modells in Schichten
Bearbeitetes Daten-Modell
Fertigung Schichtweiser Aufbau des Bauteils
Bauteil
Generative Fertigungsverfahren: grundsätzliche Prozesskette
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Fertigungstechnik I - Ausblick Generative Fertigung
Folie 5
• SLI–Daten in Prozessrechner einlesen
• Modell auf Bauplattform positionieren
• Prozessparameter festlegen
• Modell sintern
• Nachbearbeitung (Infiltrieren, Dichtsintern)
• STL–Daten in CAD- Rechner einlesen
• Modell im CAD orientieren
• Schichtdicke festlegen
• Modell slicen (SLI-Daten generieren)
Prozessschritte
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Fertigungstechnik I - Ausblick Generative Fertigung
Folie 6
Stereolithographie (STL) Selektives Laser Schmelzen (SLM)
Laminated Object Manufacturing (LOM)
Laser-Auftragschweißen (LA)
Fused Deposition Modeling (FDM)
Ausgewählte additiv-generative Fertigungsverfahren
3D-Drucken
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Fertigungstechnik I - Ausblick Generative Fertigung
Folie 7
Funktionsprinzip: Kurzzeit-Flüssigphasensintern von 2-Komponenten-Pulvern
Materialen: Stähle, WC/Co- Hartmetall, W-Cu, Keramik
2.2.1 Metallpulversintern (SLS-M)
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Fertigungstechnik I - Ausblick Generative Fertigung
Folie 8
Funktionsprinzip: Kurzzeit-Flüssigphasensintern von 2-Komponenten-Pulvern
Materialen: Stähle, WC/Co- Hartmetall, W-Cu, Keramik
2.2.1 Metallpulversintern (SLS-M)
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Fertigungstechnik I - Ausblick Generative Fertigung
Folie 9
Besonderheiten des Sinterprozesses: Positiver Einfluss: Oberflächenrauheit (Pulverstruktur) Temperaturgradient in der Schicht Negativer Einfluss: kurze Wärmeeinwirkzeit (< 0,1 s) Deponieren von losem Pulver Ergebnis: - geringer Verzug (Tsinter < Tschmelz ) - harte und spröde Materialien verarbeitbar - geringe Sinterdichte (45 - 70 %)
Der Lasersinterprozess
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Fertigungstechnik I - Ausblick Generative Fertigung
Folie 10
Pulver: gemischt anlegiert beschichtet legiert
Mischung: monomodal bimodal trimodal Größenverhältnis: 1 : 1 6,5 : 1 49 : 6,5 : 1 Füllfaktor 0,74 0,85 0,95
Sinterpulver
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Fertigungstechnik I - Ausblick Generative Fertigung
Folie 11
Pulverschicht vor dem Sintern
hochschmelzende Komponente
niedrigschmelzende
Restporosität
Pulverschicht nach dem Sintern
Einflussgröße auf Materialtransport-mechanismen:
Benetzung
schlecht gut
Löslichkeit
keine völlige
Prinzip des Flüssigphasen-Sinterns
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Fertigungstechnik I - Ausblick Generative Fertigung
Folie 12
X38 CrMoV 5.1 Partikelgröße < 63 µm Mischung: 70% Stahl + 30% Cu11Sn
• rel. Sinterdichte 55 ... 70 %
• Formabweichung ≤ 100 µm
• Rauheit Rz < 50 µm
• minimale Wandstärke 1 mm
Lasersintern mehrphasiger Pulvergemische
Gefüge nach dem Lasersintern
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Fertigungstechnik I - Ausblick Generative Fertigung
Folie 14
Lasergesinterte Formkörper aus Stahl und Keramik
Beispiele: Fraunhofer IWS, Dresden
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Fertigungstechnik I - Ausblick Generative Fertigung
Folie 15
Funktionsprinzip: Flüssiger Kunststoff (Fotopolymer) wird lokal mit UV-Laser ausgehärtet.
Materialen: Polymerharz, Acrylat
2.1.1 Stereolithographie
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Folie 16
y
x
z
Gauß Strahlform
Geometrie einer ausgehärteten Spur nach Überfahrt eines Gauß-Strahles über ein Photopolymer
Gezieltes Aushärten eines flüssigen Polymers durch lokales Einwirken von ultraviolettem (UV) Licht
Soll-Oberfläche
Ist-Oberfläche
Schichtdicke Overcure
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Fertigungstechnik I - Ausblick Generative Fertigung
Folie 17
Harzoberfläche
Schicht n Schicht n-1
Laserstrahl
Typische Baustrategie
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Folie 18
Plattform
flüssiges Photopolymer
Stützstelle
Bauprozess
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Folie 19
Plattform
flüssiges Photopolymer
Stützstelle
Bauprozess
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Fertigungstechnik I - Ausblick Generative Fertigung
Folie 20
Plattform
flüssiges Photopolymer
Stützstelle
Bauprozess
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Fertigungstechnik I - Ausblick Generative Fertigung
Folie 21
Plattform
flüssiges Photopolymer
Stützstelle
Bauprozess
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Fertigungstechnik I - Ausblick Generative Fertigung
Folie 22
• UV-Laser
• Scanner
• Optik
• Bauraumbegrenzung
• Recoating System
• Steuerungssoftware
Komponenten einer Stereolithographieanlage
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Folie 23
Laser
Scanner
Optik
Bauraumbegrenzung (Schutzgasatmosphäre)
Pulverbett-System
Heizsystem
Steuerungssoftware
Komponenten einer Lasersinteranlage
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Fertigungstechnik I - Ausblick Generative Fertigung
Folie 24
Ablauf der Datenbearbeitung und Prozeßkette
STL – Daten einlesen
Modell orientieren
Generieren der Stützkonstruktion
Modell slicen - Generieren SLI- Daten
Bauparameter festlegen
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Fertigungstechnik I - Ausblick Generative Fertigung
Folie 25
Die Bauteile können in einem Folgeprozess nachgehärtet werden, um die maximalen Materialeigenschaften zu erreichen. Außerdem können sie einer Temperatur von 100°C ausgesetzt werden, ohne dass sie ihre Eigenschaften wesentlich verändern.
Schachfiguren Quelle: Envisiontec GmbH
Photopolymerisation durch Maskenprojektion
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Fertigungstechnik I - Ausblick Generative Fertigung
Folie 26
SLS - Beispiel
Quelle: 3D Systems
Schnelle Fertigung von gebrauchsfertigen Kunststoff-Serienteilen direkt aus 3-D CAD Daten Beispiel: PKW-Armaturenträger
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Fertigungstechnik I - Ausblick Generative Fertigung
Folie 27
3D Printing
Bildquelle: 3D Systems/Z Corporation
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Folie 28
Funktionsprinzip: Lokaler Materialauftrag über Zufuhr thermoplastischer Drähte mit beheizten Extrudierdüsen
Materialen: ABS, PC, Wachs biokompatible Polymere (Chitosan, Hydrogel, Silikon, ...)
2.1.2 Fused Deposition Modelling (FDM) – 3D-Drucken !
Klassische STRATASYS-FDM-Technologie mit thermo-plastischen Drähten als Baumaterial.
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Folie 29
Aufge- schmolzenes Material
FDM – Verfahrensprinzip (Stratasys Inc., USA)
ABS = Acrylnitril-Butadien-Styrol
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Fertigungstechnik I - Ausblick Generative Fertigung
Folie 30
3D-Drucken….Geräte
Fa. Fabbster 1.700,00 €
Fa. konstruktionswerk 3.800,00 €
Bauraum 230 x 230 x 210 mm
Auflösung min. Wandstärke 600 µm min. Schichtstärke 44 µm
Bauraum 185 x 275 x 240 mm
Auflösung 125 x 20 x 500 µm
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Fertigungstechnik I - Ausblick Generative Fertigung
Folie 31
3D Printing - Beispiele
3D-Produktionsanlage Quelle: 3D Systems
Architekturmodelle Quelle: 3D Systems
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Folie 32
3D-Drucken….
Quelle: Modellflieger (2013) 2/3
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Folie 33
Plotmedium (Komponente B)
Plotmaterial (Komponente A)
Direkte Herstellung von Biomaterial für das Tissue Engineering (Gewebezüchtung)
3D Gitter (nicht gewebt) mit offener Porosität
FDM-Beispiel: Bioplotter®
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Folie 34
Lagenweiser Aufbau des Gesamtvolumens
Intermittierende Schmelzstrategie zum Füllen der Gesamtfläche einer Lage
Vollständig dichte metallische Strukturen
SLM - Verfahrensprinzip
x-y-Scanner Laser
Laser-Fenster Nivelliersystem
Schutz- gas
Bauraum
Pulverbett
Laserstrahl ∅ 30 µm = 0,03 mm
SLM Bauteil
Absenkbare Arbeitsplattform
Quelle:
Quelle:Fraunhofer ILT
Laserstrahl
umgeschmolzeneSchicht
Schmelzbad
Bewegungsrichtungdes Laserstrahls
Pulverschicht
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Fertigungstechnik I - Ausblick Generative Fertigung
Folie 35
SLM- Verfahrensmerkmale
Verwendung von metallischen Serienwerkstoffen
Im Unterschied zum Laser-Sintern: vollständiges Aufschmelzen des Pulverwerkstoffes
Erzeugung nahezu 100% dichter Metallstrukturen mit feinkristallinem Gußgefüge
Laserstrahl
umgeschmolzeneSchicht
Schmelzbad
Bewegungsrichtungdes Laserstrahls
Pulverschicht
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Folie 36
SLM - Formenbau
Serienwerkzeug für Kunststoff-Spritzguß in Hybrid-Bauweise Quelle: Concept Laser GmbH
Kompelxes, konturangepaßtes Kühlsystem Quelle: Concept Laser GmbH
SLM - generiert
CNC-gefräst
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Folie 37
Verfahrensprinzip 2,5D und 3D Multilagen-Auftragschweißen ohne Pulverbett
Schichtweiser Volumenaufbau direkt aus 3D-CAD-Daten mittels bauteil- und eigenschafts-optimierter Schweißstrategie Materialien (Pulver und Draht) Titan und Titanlegierungen Nickelbasis-Legierungen Kobaltbasis-Legierungen Stähle
2.2.4 Generatives Laser-Auftragschweißen (LA)
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Fertigungstechnik I - Ausblick Generative Fertigung
Folie 38
Multilagen-Auftragschweißen nach speziellen Schweißstrategien
Konturfahrt – Flächenfüllung (x-y)
Schichtweiser z-Versatz
Generatives Laser-Auftragschweißen: Prinzip
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Fertigungstechnik I - Ausblick Generative Fertigung
Folie 39
LA - Beispiele
Generieren von metallischen 3D-Strukturen aus einer CoCr-Legierung auf Gusseisen zur schnellen Designänderung von Umformwerkzeugen in der Karosseriefertigung Quelle: Fraunhofer IWS
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Fertigungstechnik I - Ausblick Generative Fertigung
Folie 40
Anwendung des generativen Laser-Auftragschweißens in der Triebwerksinstandsetzug
O,5 mm
Mikrostruktur und CT-Prüfung von lasergenerierten Ti6242-Probe-Schaufeln
Reparatur von Kompressor-Blisks aus Ti6242 - Mikrostruktur
Ti6242 ist eine nahezu α-Ti-Legierung mit gegenüber Ti6-4 erhöhter Festigkeit bei hohen Temperaturen. Wichtiges Einsatzgebiet sind die Hochdruck-Kompressoren.
Quelle: DLR
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Fertigungstechnik I - Ausblick Generative Fertigung
Folie 41
Metallischer Kantenschutz von Fan-Schaufeln aus Faser-Verbundwerkstoffen
Leichtbau
Verringerung der Fertigungszeit gegenüber Fräsen aus dem Vollen
Anwendung des generativen Laser-Auftragschweißens zur Bauteilfertigung
[Quelle: GE]
Direkte generative Fertigung einer Metal Leading Edge (MLE) aus TiAl6V4
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Fertigungstechnik I - Ausblick Generative Fertigung
Folie 42
EBM - Besonderheiten Das Elektronenstrahlschmelzen, Electron Beam Melting EBM, stellt eine Alternative zu den lasergestützten Verfahren dar. Im wesentlichen wird der Laser durch einen Elektronenstrahl ersetzt. Der Bauraum der Maschine wird auf etwa 1000°C aufgeheizt und mit einem Vakuum versehen. Dies, der bessere Wirkungsgrad des Elektronenstrahles, die höheren Bauraten und das größere Werkstoffspektrum sind die wesentlichen Vorteile, die den höheren Kosten entgegenstehen. Quelle: ARCAM
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Fertigungstechnik I - Ausblick Generative Fertigung
Folie 43
EBM-Anlagen zum direkten Fertigen von Einzelteilen für Luft- und Raumfahrt-Anwendungen sowie medizinischen Implantaten
Bauraum: 350x350x300 mm
Schichtdicke: 50…200 µm
Bauteilgenauigkeit: +/- 0,3 mm
Datenformat: Standard STL
EBM - Anlage
Quelle: ARCAM
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Fertigungstechnik I - Ausblick Generative Fertigung
Folie 44
Demonstrator einer 650mm-TiAl6V4- MLE mit Original-Profil
Wandstärke ca. 1,5 mm
Online-geregelter Bauprozess
Bauzeit: 8 Stunden
Anwendung des generativen Laser-Auftragschweißens zur Bauteilfertigung
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Fertigungstechnik I - Ausblick Generative Fertigung
Folie 45
LA - Beispiele (LENS®)
Titan-Blisk Quelle: Optomec
Titan-Implantat Quelle: Optomec
Generieren eines Formeneinsatzes aus Stahl Quelle: Optomec
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Fertigungstechnik I - Ausblick Generative Fertigung
Folie 46
LPA/ LDA
SLM/ EBM
Reparatur Modifikation Fertigung
Direkte Fertigung funktionaler Individualbauteile
Werkzeuge Bauteile
Quelle: ARCAM Quelle: CONCEPT Laser
Quelle: IWS Quelle: IWS Quelle: IWS
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Fertigungstechnik I - Ausblick Generative Fertigung
Folie 47
Medizinische Implantate, Titan Quelle: ARCAM
Flugtriebwerkskomponenten, Titan Quelle: ARCAM
Massives Flanschbauteil, Edelstahl Quelle: ARCAM
Pulverbettverfahren EBM: Beispiele
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Fertigungstechnik I - Ausblick Generative Fertigung
Folie 48
Anwendung EBM bei der Fertigung medizinischer Implantate
Quelle: ARCAM
Quelle: ARCAM
Beispiel: Hüftpfannen-Implantat
Werkstoff: TiAl6V4 EBM + HIP
Vorteile: - individualisierte Fertigung des Implantats, - Gitterstruktur für verbesserte Haftung am Knochen, konventionell nicht herstellbar
1. Implantation im Januar 2008
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Fertigungstechnik I - Ausblick Generative Fertigung
Folie 49
Metal LAminated TOoling - Prozesskette
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Fertigungstechnik I - Ausblick Generative Fertigung
Folie 50
MELATO®-Prägewerkzeug für Abschirmteile
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Fertigungstechnik I - Ausblick Generative Fertigung
Folie 51
Kühl- und Temperierkanäle in Spritzguss-Werzeugen Gezielte Temperierung durch Anpassung der Kühlkanäle an die Werkzeugkontur kürzere Zykluszeit und eine geringere thermische Werkzeugbeanspruchung gleichmäßigere Abkühlung der Schmelze und
bessere Verteilung der Schrumpfspannungen
MELATO®- Spritzgusswerkzeuge
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Fertigungstechnik I - Ausblick Generative Fertigung
Folie 52
• durchgängige Automatisierung der Prozesskette
• Werkzeugfertigung und -erprobung
Doppelstempel zum Tiefziehen einer PKW-C-Säule
Fertigung von Großwerkzeugen mit der MELATO®-Prozesskette
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Fertigungstechnik I - Ausblick Generative Fertigung
Folie 53
Fertigung von Großwerkzeugen mit der MELATO®-Prozesskette
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Fertigungstechnik I - Ausblick Generative Fertigung
Folie 54
Endbearbeitung von LOM-Modellen
Ein LOM-Modell während des Freilegens. Anschließend wird es versiegelt oder mit Epoxidharz infiltriert und geschliffen. Quelle: raprotec GmbH
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Fertigungstechnik I - Ausblick Generative Fertigung
Folie 55
Verwendung von LOM-Modellen:
Schuhsohle Quelle: raprotec GmbH
Konzept- und Anschauungs-Modelle
Negative für Abformverfahren
Urmodelle für Folgeverfahren
LOM-Formen für Gipsteile (Keramikindustrie) Quelle: raprotec GmbH
Zylinderkopfhaube LOM-Modell, Silikonform, PU-Abguss Quelle: raprotec GmbH
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Fertigungstechnik I - Ausblick Generative Fertigung
Folie 56
Herstellung großer, massiver Geometrie- und Funktionsmodelle. Formen und Werkzeuge können anschließend indirekt über Abformprozesse hergestellt werden. Quelle: TEDATA GmbH
Verwendung von LOM-Modellen
Helisys LOM 2030E
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Fertigungstechnik I - Ausblick Generative Fertigung
Folie 57
LOM-Maschinen
Helisys (USA) LOM 2030E Rapid Prototype Machine
Bauteile mit max. Abmessungen von 800 mm L x 550 mm B x 500 mm H
Mcor technologies (Irland)
Matrix300
277 x 190 x 150 mm max. Teilegröße (DIN A4)
Lagendicke/Auflösung 0,1 mm
Preis 2011: 25.000,00 €