Fertigungstechnik für Wirtschaftsingenieure

 
 
Hanser (Verlag)
  • 5. Auflage
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  • erschienen am 5. Dezember 2016
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  • 492 Seiten
 
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978-3-446-44990-9 (ISBN)
 
Fertigungstechnik - Ein Überblick für Wirtschaftsingenieure in Theorie und Praxis

Die Fertigungstechnik nimmt wesentlichen Einfluss auf Kosten und Qualität eines Produktes und somit auf die Wettbewerbsfähigkeit eines Unternehmens. Für den Wirtschaftsingenieur an der Schnittstelle zwischen wirtschaftlicher und technischer Aufgabenplanung ist daher ein fundierter Überblick über die gängigen Fertigungsverfahren unerlässlich.

Im vorliegenden Lehrbuch werden neben den Grundlagen der Fertigungstechnik alle wesentlichen Fertigungsverfahren (Urformen, Umformen, Trennen, Fügen, Beschichten) sowie Werkzeugmaschinen mit ihren Steuerungen und Industrieroboter systematisch vorgestellt und die zugehörige Maschinentechnik und Fertigungsautomatisierung beschrieben.

Eine Formelsammlung mit den wichtigsten Berechnungsgrundlagen sowie praxisbezogene Aufgaben mit Lösungen für die Prüfungsvorbereitung ergänzen das Buch. In dieser Auflage wurden die Übungsaufgaben um einen qualitativen Teil ergänzt.
Aktualisierungen in der 5. Auflage:
- Neugestaltung der Kapitel zur Steigerung von Produktivität und Flexibilität, zu Automatisierung und zu Industrierobotern
- Ergänzung um den Aspekt der energieeffizienten Produktion
- eigenes Unterkapitel für den 3D-Druck
5., überarbeitete und erweiterte Auflage
  • Deutsch
  • München
  • |
  • Deutschland
  • 49,74 MB
978-3-446-44990-9 (9783446449909)
3446449906 (3446449906)
http://dx.doi.org/10.3139/9783446449909
weitere Ausgaben werden ermittelt
Dr.-Ing. Reinhard Koether ist Professor für Fertigungstechnik, Betriebsstättenplanung, Distributions- und Beschaffungslogistik, Produktionstechnik an der Fakultät Wirtschaftsingenieurwesen der Hochschule München.
Dr. Ing. Alexander Sauer ist Professur an der Universität Stuttgart am Institut für Energieeffizienz in der Produktion.
1 - Inhalt [Seite 8]
2 - 1 Grundlagen [Seite 14]
2.1 - 1.1 Aufgaben der Fertigungstechnik [Seite 14]
2.2 - 1.2 Hauptgruppen der Fertigungsverfahren nach DIN 8580 [Seite 19]
2.3 - 1.3Auswahl von Fertigungsverfahren [Seite 20]
2.4 - 1.4 Wesentliche Eigenschaften der Fertigungsverfahren [Seite 22]
3 - 2 Urformende Fertigungsverfahren [Seite 27]
3.1 - 2.1Gießen [Seite 28]
3.1.1 - 2.1.1Stranggießen [Seite 28]
3.1.2 - 2.1.2Gießen in verlorene Formen [Seite 29]
3.1.3 - 2.1.3Gießen in Dauerformen [Seite 36]
3.1.4 - 2.1.4Verfahrensvergleich Sandguss- Kokillenguss [Seite 40]
3.1.5 - 2.1.5Gießerei [Seite 42]
3.2 - 2.2 Sintern von Metallwerkstoffen [Seite 44]
3.2.1 - 2.2.1Verfahrensablauf [Seite 45]
3.2.2 - 2.2.2Vergleich pulvermetallurgischer Fertigungsverfahren [Seite 50]
3.2.3 - 2.2.3Vorteile, Nachteile und Anwendungsfelder des Sinterns [Seite 52]
3.3 - 2.33D-Druck [Seite 54]
3.3.1 - 2.3.13D-Druckverfahren [Seite 54]
3.3.2 - 2.3.2Verfahrensvergleich 3D-Druckverfahren [Seite 60]
3.3.3 - 2.3.3Anwendung 3D-Druck [Seite 62]
4 - 3 Umformende Fertigungsverfahren [Seite 65]
4.1 - 3.1 Grundlagen des Umformens [Seite 67]
4.2 - 3.2 Massivumformen [Seite 77]
4.2.1 - 3.2.1Stauchen [Seite 77]
4.2.2 - 3.2.2Frei- und Gesenkformen [Seite 79]
4.2.3 - 3.2.3Verfahrensvergleich Gesenkformen- Gießen [Seite 83]
4.2.4 - 3.2.4Walzen [Seite 85]
4.2.5 - 3.2.5Eindru?cken [Seite 91]
4.2.6 - 3.2.6Strangpressen und Fließpressen [Seite 93]
4.2.7 - 3.2.7Verfahrensvergleich Strangpressen- Walzen [Seite 98]
4.2.8 - 3.2.8Gleitziehen [Seite 99]
4.2.9 - 3.2.9Rundkneten [Seite 102]
4.3 - 3.3Blech- und Profilumformen [Seite 105]
4.3.1 - 3.3.1Biegen [Seite 105]
4.3.2 - 3.3.2Tiefziehen [Seite 107]
4.3.3 - 3.3.3Verfahrensvergleich Tiefziehen- Fließpressen [Seite 112]
4.3.4 - 3.3.4Tiefziehen mit elastischen Werkzeugen und Wirkmedien [Seite 113]
4.3.5 - 3.3.5Streckziehen [Seite 115]
4.3.6 - 3.3.6Walzprofilieren, Walzziehen, Walzrichten [Seite 117]
4.3.7 - 3.3.7Dru?cken [Seite 119]
4.3.8 - 3.3.8Verfahrensvergleich Dru?cken- Tiefziehen [Seite 123]
4.3.9 - 3.3.9Innenhochdruck-Umformen (IHU) [Seite 124]
5 - 4 Trennende Fertigungsverfahren [Seite 126]
5.1 - 4.1Zerteilen- Spanloses Trennen [Seite 126]
5.1.1 - 4.1.1Scherschneiden [Seite 128]
5.1.2 - 4.1.2Feinschneiden [Seite 130]
5.1.3 - 4.1.3Werkzeuge fu?r Umform- und Schneidvorgänge [Seite 132]
5.2 - 4.2Zerspanungstechnik [Seite 134]
5.2.1 - 4.2.1Bewegungen und Geometrie am Schneidwerkzeug [Seite 134]
5.2.2 - 4.2.2Schnitt-, Spanungsgrößen und Spanbildung [Seite 140]
5.2.3 - 4.2.3 Schnittkraft, Leistungsbedarf und Hauptnutzungszeit [Seite 145]
5.2.4 - 4.2.4Schneidstoffe und Ku?hlschmierstoffe [Seite 152]
5.2.5 - 4.2.5Werkzeugverschleiß und Werkstu?ckoberfläche [Seite 158]
5.2.6 - 4.2.6Standzeit eines Werkzeuges [Seite 163]
5.2.7 - 4.2.7Optimierung der Zerspanung [Seite 165]
5.2.8 - 4.2.8Zerspanbarkeit von Werkstoffen [Seite 168]
5.2.9 - 4.2.9Trends in der spanenden Fertigung [Seite 168]
5.3 - 4.3 Spanende Fertigungsverfahren mit geometrisch bestimmten Schneiden [Seite 173]
5.3.1 - 4.3.1Drehen [Seite 173]
5.3.2 - 4.3.2Bohren, Senken und Reiben [Seite 177]
5.3.3 - 4.3.3Fräsen [Seite 183]
5.3.4 - 4.3.4Räumen [Seite 188]
5.3.5 - 4.3.5Sägen [Seite 191]
5.3.5.1 - 4.3.5.1Werkzeuge [Seite 193]
5.3.5.2 - 4.3.5.2Maschinen [Seite 193]
5.4 - 4.4 Spanende Fertigungsverfahren mit geometrisch unbestimmten Schneiden [Seite 194]
5.4.1 - 4.4.1Schleifen [Seite 196]
5.4.2 - 4.4.2Honen [Seite 200]
5.4.3 - 4.4.3Läppen [Seite 202]
5.4.4 - 4.4.4Strahlspanen, Strahlen und Reinigen [Seite 204]
5.4.5 - 4.4.5Entgraten [Seite 206]
5.5 - 4.5Abtragende Verfahren [Seite 209]
5.5.1 - 4.5.1Erodieren [Seite 210]
5.5.2 - 4.5.2Verfahrensvergleich Erodieren- Fräsen [Seite 214]
5.5.3 - 4.5.3Laserbearbeitung [Seite 215]
5.5.4 - 4.5.4Verfahrensvergleich Laserbrennschneiden - Nibbeln [Seite 217]
5.5.5 - 4.5.5Wasserstrahlschneiden [Seite 219]
6 - 5 Fu?gende Fertigungsverfahren [Seite 222]
6.1 - 5.1Montage [Seite 223]
6.2 - 5.2Schweißen [Seite 225]
6.2.1 - 5.2.1Autogenschweißen [Seite 226]
6.2.2 - 5.2.2Lichtbogenschweißen [Seite 228]
6.2.3 - 5.2.3Laserstrahlschweißen [Seite 234]
6.2.4 - 5.2.4Widerstandspressschweißen [Seite 237]
6.2.5 - 5.2.5Ultraschallschweißen und Reibschweißen [Seite 242]
6.3 - 5.3Löten [Seite 243]
6.3.1 - 5.3.1Weichlöten [Seite 245]
6.3.2 - 5.3.2Hartlöten [Seite 247]
6.3.3 - 5.3.3 Verfahrensvergleich Laserstrahlschweißen - MIG/MAG-Schweißen - Hartlöten [Seite 250]
6.4 - 5.4Kleben [Seite 253]
6.5 - 5.5Fu?gen durch Umformen [Seite 256]
6.5.1 - 5.5.1Nieten [Seite 257]
6.5.2 - 5.5.2Clinchen oder Durchsetzfu?gen [Seite 261]
6.5.3 - 5.5.3Falzen und Bördeln [Seite 263]
6.6 - 5.6 Schrauben [Seite 265]
6.7 - 5.7Klipsen und Einrasten [Seite 269]
7 - 6 Beschichten [Seite 271]
7.1 - 6.1PVD- und CVD-Verfahren [Seite 274]
7.2 - 6.2Lackieren und Lacksysteme [Seite 276]
7.3 - 6.3Tauchlackieren [Seite 278]
7.4 - 6.4Spritzlackieren [Seite 280]
7.5 - 6.5Emaillieren [Seite 286]
7.6 - 6.6Thermisches Spritzen [Seite 288]
7.7 - 6.7 Galvanisieren, Oxidieren und elektrolytische Tauchabscheidung [Seite 292]
7.8 - 6.8 Wirbelsintern und elektrostatisches Pulverbeschichten [Seite 294]
7.9 - 6.9Coil Coating [Seite 297]
7.10 - 6.10Prozesstechnische Pkw-Serienlackierung [Seite 297]
8 - 7 Werkzeugmaschinen [Seite 301]
8.1 - 7.1Einfu?hrung [Seite 301]
8.2 - 7.2Gestelle [Seite 303]
8.3 - 7.3Schlitten und Tische [Seite 309]
8.4 - 7.4Fu?hrungen [Seite 309]
8.5 - 7.5Lagerungen [Seite 316]
8.6 - 7.6Antriebe [Seite 319]
8.6.1 - 7.6.1Hauptantriebe [Seite 320]
8.6.2 - 7.6.2Nebenantriebe [Seite 324]
8.7 - 7.7Getriebe [Seite 327]
8.7.1 - 7.7.1Translationsgetriebe [Seite 327]
8.7.2 - 7.7.2Rotationsgetriebe [Seite 330]
8.8 - 7.8Beispiele fu?r Werkzeugmaschinen [Seite 335]
8.8.1 - 7.8.1Spanende Werkzeugmaschinen [Seite 336]
8.8.2 - 7.8.2Werkzeugmaschinen fu?r die Umformung und das Zerteilen [Seite 340]
9 - 8 Steuerung von Werkzeugmaschinen [Seite 343]
9.1 - 8.1 Aufgaben von Steuerungen in Werkzeugmaschinen [Seite 343]
9.2 - 8.2Numerische Steuerung (NC) [Seite 345]
9.2.1 - 8.2.1Grundlagen der numerischen Steuerung (NC) [Seite 345]
9.2.2 - 8.2.2Wegmesssysteme [Seite 350]
9.2.3 - 8.2.3Koordinatensysteme, Achsen und Nullpunkte [Seite 352]
9.2.4 - 8.2.4NC-Programmierung [Seite 360]
9.2.5 - 8.2.5Programmiermethoden [Seite 362]
9.3 - 8.3Logik- und Servosteuerungen [Seite 369]
9.4 - 8.4Konventionelle Programmsteuerungen [Seite 371]
9.4.1 - 8.4.1Kurvensteuerung [Seite 371]
9.4.2 - 8.4.2Kopiersteuerungen [Seite 372]
9.5 - 8.5Digitalisieren [Seite 373]
10 - 9 Fertigungsautomatisierung und Industrieroboter [Seite 375]
10.1 - 9.1Fertigungsautomatisierung [Seite 375]
10.1.1 - 9.1.1Einfu?hrung [Seite 375]
10.1.2 - 9.1.2Begriffe zur Fertigungsautomatisierung [Seite 378]
10.1.3 - 9.1.3Ziele der Fertigungsautomatisierung [Seite 379]
10.1.4 - 9.1.4Automatisierungsgrad von Fertigungssystemen [Seite 381]
10.2 - 9.2Aufbau automatisierter Fertigungsanlagen [Seite 383]
10.2.1 - 9.2.1Systembestandteile [Seite 383]
10.2.2 - 9.2.2Transportieren, Verketten und Puffern [Seite 385]
10.2.3 - 9.2.3Sensoren zum Überwachen, Pru?fen und Sichern [Seite 389]
10.3 - 9.3Industrieroboter [Seite 393]
10.3.1 - 9.3.1Handhabungsmaschinen [Seite 393]
10.3.2 - 9.3.2Aufbau von Industrieroboteranlagen [Seite 396]
10.3.3 - 9.3.3Grundbauformen von Industrierobotern [Seite 397]
10.3.4 - 9.3.4Kenngrößen von Industrierobotern [Seite 400]
10.3.5 - 9.3.5Greifer- und Wechselsysteme [Seite 402]
10.3.6 - 9.3.6Peripheriegeräte [Seite 404]
10.3.7 - 9.3.7Industrierobotersteuerung und -programmierung [Seite 406]
11 - 10 Steigerung von Flexibilität und Produktivität [Seite 411]
11.1 - 10.1Zielsetzung [Seite 411]
11.2 - 10.2Verku?rzung der Ru?stzeit [Seite 411]
11.3 - 10.3Verku?rzen der Hauptnutzungszeit [Seite 414]
11.4 - 10.4Verku?rzung der Nebenzeit [Seite 417]
11.4.1 - 10.4.1Verku?rzung der Werkstu?ckwechselzeit [Seite 417]
11.4.2 - 10.4.2Verku?rzung der Werkzeugwechselzeit [Seite 420]
11.5 - 10.5Verku?rzung der Durchlaufzeit [Seite 421]
11.6 - 10.6Verlängerung der Maschinennutzung [Seite 423]
12 - 11 Energieeffizienz in der Produktion [Seite 425]
12.1 - 11.1Definitionen [Seite 425]
12.2 - 11.2 Volkswirtschaftliche Aspekte [Seite 425]
12.3 - 11.3Technische Umsetzungsbeispiele [Seite 428]
13 - 12 Formelsammlung [Seite 432]
13.1 - 12.1Massivumformen [Seite 432]
13.2 - 12.2Blech- und Profilumformen [Seite 436]
13.3 - 12.3Schneiden [Seite 442]
13.4 - 12.4Zerspanungstechnik [Seite 444]
14 - 13 Übungsaufgaben [Seite 451]
14.1 - 13.1Spanende Fertigungsverfahren [Seite 451]
14.2 - 13.2Spanlose Fertigungsverfahren [Seite 460]
14.3 - 13.3Werkzeugmaschinen [Seite 463]
15 - 14 Kontrollfragen [Seite 464]
15.1 - 14.1Grundlagen [Seite 464]
15.2 - 14.2 Urformende Fertigungsverfahren - Gießen [Seite 465]
15.3 - 14.3Umformende Fertigungsverfahren [Seite 467]
15.4 - 14.4 Spanende Fertigungsverfahren und Zerspanungstechnik [Seite 469]
15.5 - 14.5Fu?gende Fertigungsverfahren [Seite 472]
15.6 - 14.6Beschichten [Seite 473]
15.7 - 14.7Werkzeugmaschinen [Seite 474]
15.8 - 14.8CNC-Steuerung [Seite 475]
15.9 - 14.9Verfahrensvergleiche [Seite 476]
16 - Literatur [Seite 478]
17 - Sachwortverzeichnis [Seite 482]
1 Grundlagen 1.1  Aufgaben der Fertigungstechnik

Was ist Fertigungstechnik?

Ziel jedes Unternehmens ist die Herstellung von Waren und Dienstleistungen. Waren werden produziert durch:

  • Verfahrenstechnik: Herstellung formloser Stoffe (Bild 1.1)

  • Energietechnik: Umwandlung und Verteilung von Energie (Bild 1.2)

  • Fertigungstechnik: Herstellung von Werkstücken mit definierter Form und definierten Eigenschaften

 

Bild 1.1 Verfahrenstechnische Anlage zur Herstellung von TDI, eines Vorprodukts von Polyurethan (BASF SE)

 

Bild 1.2 Energietechnik ist eine besonders anlagenintensive Produktion: Maschinenhaus eines Kraftwerks mit Kraft-Wärme-Kopplung (Vattenfall)

Fertigungstechnik betrachtet nur einen Teilaspekt industrieller Fertigung. Zur Fertigung gehören:

  • Logistik: Gestaltung des Materialflusses und des begleitenden Informationsflusses.

  • Personal: Organisation, Qualifikation und Führung der Mitarbeiter.

  • Fertigungstechnik: Auswahl der Fertigungsverfahren und Festlegen der Verfahrensparameter.

Die Industrielle Fertigungstechnik ist eine Ingenieurdisziplin.

  • Durch Berechnungen ist das Fertigungsergebnis

    • prognostizierbar,

    • planbar,

    • optimierbar (im Rahmen der Genauigkeit der zugrundeliegenden Methoden).

  • Für Detailoptimierungen sind ergänzende Versuche nötig.

Die Industrielle Fertigung zeichnet sich aus durch:

  • hohe Kapitalausstattung für

  • große Produkte (z.?B. Anlagen),

  • große Stückzahlen (z.?B. Konsumgüter),

  • arbeitsteilige Fertigung.

Konsequenzen sind:

  • Notwendigkeit der Planung, deshalb Ingenieurarbeit,

  • Notwendigkeit der Organisation der Arbeitsteilung,

  • Notwendigkeit, die arbeitsteiligen Prozesse durch Materialfluss zu verbinden; die Gestaltung des Materialflusses ist Aufgabe der Logistik.

Bedeutung der Fertigungstechnik

Die fertigungstechnische Industrie (Beispiel: Maschinenbau)

  • erwirtschaftet einen höheren Umsatz je Beschäftigten als das vergleichbare Handwerk, weil ein Industriebetrieb mehr Kapital einsetzt und dadurch höhere Produktivität sichert. Wegen des hohen Kapitaleinsatzes in der chemischen Industrie und der Energietechnik müssen dort die erwirtschafteten Umsätze je Beschäftigten noch höher sein (Bild 1.3).

     

    Bild 1.3 Umsatz je Beschäftigten im Jahr 2013 in beispielhaft ausgewählten Branchen der Produktionstechnik; Daten: (Statistisches Bundesamt, 2015)

  • Sie benötigt eine moderate Kapitalausstattung (Bild 1.4),

    • mehr als Dienstleistungsbetriebe,

    • weniger als verfahrenstechnische und energietechnische Betriebe.

     

    Bild 1.4 Durchschnittliche Investitionen je Arbeitsplatz im Jahr 2012 in beispielhaft ausgewählten Branchen der produktionstechnischen Industrie; Daten: (Institut der deutschen Wirtschaft, 2015)

  • Sie bietet deshalb eine breite Vielfalt von Betriebsgrößen

    • von der Garagenfirma

    • bis zum Weltkonzern wie Siemens oder Daimler.

  • Sie bietet relativ viele Arbeitsplätze: knapp 20?% der Beschäftigten in Deutschland haben ihren Arbeitsplatz im verarbeitenden Gewerbe (Bild 1.5), davon etwa ein Drittel in typischen fertigungstechnischen Betrieben, wie Maschinen- und Fahrzeugbau. Allerdings nimmt der Anteil der Beschäftigten im verarbeitenden Gewerbe ab. Gründe sind:

    • Auslagerung von Dienstleistungen (z.?B. EDV-Dienstleistungen) ("Unternehmensdienstleistungen" im Bild 1.5)

    • Verlagerung von Produktion in ausländische Standorte

  • Sie erzeugt zusammen mit anderen Branchen des produzierenden Gewerbes den wesentlichen Beitrag zum Exportüberschuss Deutschlands und ist damit die Grundlage für den Wohlstand einer breiten Bevölkerung (vgl. dazu z.?B. [Rürup; Heilmann]).

  • Sie kann ihre Produkte leicht exportieren und steht deshalb im internationalen Wettbewerb (durchschnittliche Steigerung der Arbeitsproduktivität zwischen 2005 und 2014 um 2?% pro Jahr in der Automobilindustrie, 0,3?% pro Jahr im Maschinenbau, Daten: [Statistisches Bundesamt 2016]).

     

    Bild 1.5 Anteil der Erwerbstätigen in Wirtschaftsbereichen in Deutschland im Jahr 2014; Daten: (Institut der deutschen Wirtschaft, 2015)

Im internationalen Vergleich ist in Deutschland der Anteil des produzierenden Gewerbes an der Wirtschaftsleistung (genauer: der Anteil an der Bruttowertschöpfung) hoch (Bild 1.6). In anderen Industrieländern hat die Bedeutung der Produktion gegenüber den Dienstleistungen abgenommen. Nur in den einzelnen Niedriglohnländern Europas und in einigen Schwellenländern ist der Anteil des produzierenden Gewerbes noch höher.

 

Bild 1.6 Anteil des produzierenden Gewerbes an der Brutto-Wertschöpfung einer Volkswirtschaft ? ausgewählte Beispiele für Industrieländer, europäische Niedriglohnländer und Schwellenländer (Statistisches Bundesamt, 2015)

Konsequenzen für Wirtschaftsingenieure:

Das Wirtschaftsingenieurstudium qualifiziert nicht vorrangig für typische Dienstleistungsbranchen wie Handel, Gastronomie oder Finanzdienstleistungen; auch im öffentlichen Dienst sind nur wenige Wirtschaftsingenieure beschäftigt.

  • Mit hoher Wahrscheinlichkeit finden Wirtschaftsingenieure ihre spätere Tätigkeit in einem fertigungstechnischen Betrieb

    und/oder

  • Wirtschaftsingenieure pflegen Kunden- und Lieferantenbeziehungen zu einem fertigungstechnischen Betrieb.

Beispielhafte Berufsfelder für Wirtschaftsingenieure, bei denen fertigungstechnisches Wissen vorteilhaft sein kann:

  • Arbeitsvorbereitung, Fertigungsplanung,

  • Qualitätssicherung,

  • Fertigungslogistik,

  • Einkauf,

  • Controlling,

  • Investitionsplanung,

  • Marketing und Verkauf von Investitionsgütern.

1.2  Hauptgruppen der Fertigungsverfahren nach DIN 8580

Die DIN 8580 gliedert die Fertigungsverfahren in 6 Hautgruppen (Bild 1.7):

 

Bild 1.7 Fertigungsverfahren nach DIN 8580

  • Urformen z.?B. Gießen (Bild 1.8), Sintern

  • Umformen z.?B. Walzen, Schmieden

  • Trennen z.?B. Fräsen, Brennschneiden

  • Fügen z.?B. Schrauben, Schweißen (Bild 1.9)

  • Beschichten z.?B. Lackieren, Galvanisieren

  • Stoffeigenschaften ändern z.?B. Härten

     

    Bild 1.8 Urformen, Fertigungsverfahren Gießen: Sandguss mit verlorener Form (Hering)

     

    Bild 1.9 Fügen, Fertigungsverfahren Schweißen: Widerstandspunktschweißen (Hering)

Wegen der breiten Anwendung und der wirtschaftlichen Bedeutung konzentriert sich das vorliegende Buch auf die Metallbearbeitung und deren Maschinen. In den Kapiteln 2 bis...

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