gpe vorlesung 09 bauteilfestigkeit ss07
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Grundlagen der ProduktentwicklungBauteilfestigkeit
SS 07 Vorlesung 09 15 06 2007SS 07 Vorlesung 09 15.06.2007
P f D I Ud Li dProf. Dr.-Ing. Udo LindemannLehrstuhl fr Produktentwicklung
Freitag 12:15 13:45 Uhr MW 2001Freitag 12:15-13:45 Uhr, MW 2001
Sprechstunde Prof. Lindemann Donnerstag, 11:00-12:00 Uhrund nach Vereinbarung bitte anmelden!und nach Vereinbarung bitte anmelden!
GPE_VO_09 SS07 - 1 2007 Prof. Lindemann
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Gliederung GPE
01 Einfhrung 20.04.0702 Methoden I 27.04.0703 Methoden II 04.05.0704 Maschine als System Systemdenken 11.05.0705 M d lli S t 18 05 0705 Modellierung von Systemen 18.05.0706 Gestaltung Grundregeln und Prinzipien 25.05.0707 Schden im Maschinenbau 01 06 0707 Schden im Maschinenbau 01.06.0708 Beanspruchung 08.06.0709 Bauteilfestigkeit 15.06.07g10 Herstellgerechtes Konstruieren I 22.06.0711 Herstellgerechtes Konstruieren II 29.06.0712 Kostenzielorientiertes Entwickeln 06.07.07
GPE_VO_09 SS07 - 2 2007 Prof. Lindemann
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Ablauf der Festigkeitsberechnung
B h B t i bGestalt Beanspruchungs-grenBetriebs-
bedingungenWerkstoff
Spannungs-zustand
Werkstoff-festigkeit
V l i hKerbwirkungseinfluss
Vergleichs-spannung Oberflcheneinfluss
Grenbeiwert
Beanspruchung Bauteilfestigkeitp g g
Sicherheit
GPE_VO_09 SS07 - 3 2007 Prof. Lindemann Quelle: nach Peeken und Hhn
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Bauteilfestigkeit
Beanspruchungen stellen Belastung eines Bauteils dar. mechanische Beanspruchung durch Vergleichsspannung charakterisiert Versagen, wenn zulssige Grenzwerte der Beanspruchung berschritten
werden
Bauteilfestigkeitg maximal zulssige Beanspruchung ohne Versagen des Bauteils abhngig von Geometrie, Werkstoff, Belastungsart,
GPE_VO_09 SS07 - 4 2007 Prof. Lindemann
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Ablauf der Festigkeitsberechnung
B h B t i bGestalt Beanspruchungs-grenBetriebs-
bedingungenWerkstoff
Spannungs-zustand
Werkstoff-festigkeit
V l i hKerbwirkungseinfluss
Vergleichs-spannung Oberflcheneinfluss
Grenbeiwert
Beanspruchung Bauteilfestigkeitp g g
Sicherheit
GPE_VO_09 SS07 - 5 2007 Prof. Lindemann Quelle: nach Peeken und Hhn
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Ermittlung von mechanischen Werkstoffkennwerten
zerstrungsfreie bzw. zerstrende Prfung von Werkstoffen fr ruhende bzw. fr dynamische Beanspruchungen meist aus Kurzversuchen Betrachtung von
B hl t Bruchlast elastischer Dehnung plastischer Verformungplastischer Verformung
Versuche:Zugversuch gleichmig zunehmende ZugbeanspruchungDruckversuch gleichmig zunehmende DruckbeanspruchungScherversuch Ermittlung der ScherfestigkeitScherversuch Ermittlung der ScherfestigkeitDauerschwingversuch Prfung des dynamischen Verhaltens
GPE_VO_09 SS07 - 6 2007 Prof. Lindemann Quelle: Tabellenbuch
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Zugversuch
fr Zug-/Druckbelastungen Ermittlung von Dehn- und Streckgrenze Messung von
Kraft FD h Dehnung
Flche A kontinuierliche Steigerung der Lastkontinuierliche Steigerung der Last
bis zum Versagen der Probe Nach Aufbringen einer Kraft F verjngt
sich der Querschnitt A zu Asich der Querschnitt Ao zu A.
GPE_VO_09 SS07 - 7 2007 Prof. Lindemann
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Spannungs-Dehnungsdiagramm
hochfester Stahl
Z ZF/A 0
weicher Stahl
F/A 0
Rm
ZRe
ZF/A 0F/A 0
Graugu GG
Dehnung = l/l0Bruchdehnung =l /l0
GPE_VO_09 SS07 - 8 2007 Prof. Lindemann
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Beanspruchungsgrenzen
GPE_VO_09 SS07 - 9 2007 Prof. Lindemann
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Wechselfestigkeit: Schwankungen von Werkstoffeigenschaften
St b d d W h lf ti k it d Sthl b f d Z f ti k itStreuband der Wechselfestigkeit der Sthle bezogen auf deren Zugfestigkeit
GPE_VO_09 SS07 - 10 2007 Prof. Lindemann
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Ablauf der Festigkeitsberechnung
B h B t i bGestalt Beanspruchungs-grenBetriebs-
bedingungenWerkstoff
Spannungs-zustand
Werkstoff-festigkeit
V l i hKerbwirkungseinfluss
Vergleichs-spannung Oberflcheneinfluss
Grenbeiwert
Beanspruchung Bauteilfestigkeitp g g
Sicherheit
GPE_VO_09 SS07 - 11 2007 Prof. Lindemann Quelle: nach Peeken und Hhn
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Statische und dynamische Beanspruchung
Anzahl der Lastwechsel N < 104 Anzahl der Lastwechsel N > 104
wechselnde Beanspruchung(dynamische Beanspruchung)
ruhende, zgige Beanspruchung(statische Beanspruchung)
GPE_VO_09 SS07 - 12 2007 Prof. Lindemann
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Belastungsflle mit Beispielen
ruhende (statische) BeanspruchungKabelgewicht an Hochspannungsmast
Schwell-BeanspruchungKrantrger von Wandkran
Wechsel-Beanspruchungdoppelt wirkender Kolben(Kolbenstange)
berlagerung von ruhenden und h l d B h
Motorwelle eines LKWwechselnden Beanspruchung
Stobeanspruchung Sto auf Achsendurch Schlagloch
GPE_VO_09 SS07 - 13 2007 Prof. Lindemann
g
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Bereiche in der Whlerlinie
GPE_VO_09 SS07 - 14 2007 Prof. Lindemann
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Dauerfestigkeitsschaubild nach Smith
GPE_VO_09 SS07 - 15 2007 Prof. Lindemann (Quelle: IMWF, Uni Stuttgart)
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Abhngigkeit der Werkstoffeigenschaften von der Beanspruchungsrichtung
Spannung
LngsbeanspruchungLngsbeanspruchung
Querbeanspruchung
D h
Schematische Darstellung des Spannungs-Dehnungsverhaltens von unidirektionalen Kunststoff-Glasfaser-Laminaten unter Lngs- und Querbeanspruchung.
Dehnung
GPE_VO_09 SS07 - 16 2007 Prof. Lindemann
g p g
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Ablauf der Festigkeitsberechnung
B h B t i bGestalt Beanspruchungs-grenBetriebs-
bedingungenWerkstoff
Spannungs-zustand
Werkstoff-festigkeit
V l i hKerbwirkungseinfluss
Vergleichs-spannung Oberflcheneinfluss
Grenbeiwert
Beanspruchung Bauteilfestigkeitp g g
Sicherheit
GPE_VO_09 SS07 - 17 2007 Prof. Lindemann Quelle: nach Peeken und Hhn
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Auswahl der Werkstoffe
Anforderungen an das Bauteil
gegenseitiger Einfluss
Eigenschaftendes Werkstoffs
gewhlter
bester Kompromiss
gewhlter Werkstoff
pz. B.: Gewicht FestigkeitFestigkeit Kosten
GPE_VO_09 SS07 - 18 2007 Prof. Lindemann
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Anforderungen an das Bauteil
Anforderung = Bezeichnung + Quantifizierung
Sammlung in Anforderungsliste Anforderungen: lsungsneutral, eindeutig, anspruchsvoll, erreichbar
Z hl t k h d h Q litt t t d ( B F b ) Zahlenwert kann auch durch Qualitt ersetzt werden (z. B. Farbe)
mgliche Arten von Anforderungen:mgliche Arten von Anforderungen: Geometrie Kinematik Ergonomie Instandhaltung
K t Kosten
GPE_VO_09 SS07 - 19 2007 Prof. Lindemann Quelle: Lindemann
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Beispiel: Anforderungsliste Fahrrad
GPE_VO_09 SS07 - 20 2007 Prof. Lindemann
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Eigenschaften von Werkstoffen
Eigenschaft = Merkmal + Ausprgung
mgliche Arten von Werkstoffeigenschaften:
mechanische Eigenschaften: - Streckgrenzeg g- Dauerfestigkeit-
thermische Eigenschaften: - Warmfestigkeit- Hrtbarkeit-
chemische Eigenschaften elektrische Eigenschafteng Preis
GPE_VO_09 SS07 - 21 2007 Prof. Lindemann Quelle: Lindemann
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Werkstoffe berblick
Werkstoffe
anorganische organische Verbund-Werkstoffe Werkstoffe stoffe
metallisch mineralisch natrlich synthetisch
faserverstrkteKunststoffe
t
Eisen Legierungen
B t t ll
Stein Glas
K ik
Holz Harze
N t f
Kunststoffe Kunstharze
K tf vorgespannter Beton
Hartmetalle
Buntmetalle
Keramik
Naturfasern
Kunstfasern
GPE_VO_09 SS07 - 22 2007 Prof. Lindemann
Quelle: IZTK
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metallische Werkstoffe berblick
metallischeWerkstoffe
Nichteisen-Eisen-
Leicht-
metalle
Schwer-
metalle
Sthle Eisenguss- metalle metalleSthleg
werkstoffe
Baustahl Gusseisen Aluminium KupferBaustahl Werkzeug-
Stahl Vergtungs-
Gusseisen Temperguss Stahlguss
Aluminium Magnesium Titan
Kupfer Zink Blei
Vergtungsstahl
GPE_VO_09 SS07 - 23 2007 Prof. Lindemann
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Anwendungsbeispiel fr Blech
z. T. eingeschrnkte Umformbarkeit Korrosionsfestigkeit Gewicht Preis
t l d bl k taylored blanks schweibar
GPE_VO_09 SS07 - 24 2007 Prof. Lindemann
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Anwendungsbeispiel fr Gusseisen
gute Gleiteigenschaften komplexe Formen mglich Dauerfestigkeit korrosionsunempfindlich
t Z b k it gute Zerspanbarkeit gute Dmpfung nicht schwei- oder ltbarnicht schwei oder ltbar
GPE_VO_09 SS07 - 25 2007 Prof. Lindemann
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Anwendungsbeispiel fr Leichtmetall
geringes Gewicht gute Giebarkeit schweibar korrosionsbestndig
GPE_VO_09 SS07 - 26 2007 Prof. Lindemann
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Anwendungsbeispiel fr Sinterwerkstoffe
Dauerfestigkeit Verschleifestigkeit
W f ti k it Warmfestigkeit hchste Genauigkeiten korrosionsbestndigkorrosionsbestndig pors
gesintertes Zahnrad
GPE_VO_09 SS07 - 27 2007 Prof. Lindemann
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Anwendungsbeispiel fr Keramik
Dauerfestigkeit Verschleifestigkeit korrosionsbestndig gute Gleiteigenschaften gute Gleiteigenschaften
(keramische Lager) sprde geringe Wrmeleitfhigkeit
GPE_VO_09 SS07 - 28 2007 Prof. Lindemann
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Gestaltung von Bauteilen in Abhngigkeit von der Werkstoffwahl
Stahlguss GS-38:
D kf ti k itDruckfestigkeit 380 N/mmZugfestigkeit :380 N/mm
aus Stahlguss GS
Grauguss GG-18:
Druckfestigkeit 800 N/mm800 N/mmZugfestigkeit180 N/mm
G GG
GPE_VO_09 SS07 - 29 2007 Prof. Lindemann
aus Grauguss GG
Quelle: Bode
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Vergleich verschiedener Werkstoffe fr ein Getriebe
Bearbeitung wlzgefrst wlzgefrst Ri.: geschliffen geschliffen
Werkstoffund Rad
Ritzel undRad C45
Ritzel undRad 42CrMo4
Ritzel 20MnCr5Rad 42CrMO4
Ritzel und Rad20MnCr5
Bearbeitung wlzgefrst wlzgefrst Rad: wlzgefrst geschliffen
Achsabstand a 830 mm 390 mm650 mm 585 mmModul m 10 1010 10
BaugreBaugre
Gesamt-gewicht 8505 kg 3465 kg 1581 kg4860 kg
Gewicht
Selbstkosten
174 % 71 % 33 %100 %
132 % 100 % 85 % 63 %Selbstkosten 132 % 100 % 85 % 63 %
Sicherheit SHSicherheit SF
1,3 1,3 1,3 1,65,7 3,9 2,36,1
GPE_VO_09 SS07 - 30 2007 Prof. Lindemann
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Ablauf der Festigkeitsberechnung
B h B t i bGestalt Beanspruchungs-grenBetriebs-
bedingungenWerkstoff
Spannungs-zustand
Werkstoff-festigkeit
V l i hKerbwirkungseinfluss
Vergleichs-spannung Oberflcheneinfluss
Grenbeiwert
Beanspruchung Bauteilfestigkeitp g g
Sicherheit
GPE_VO_09 SS07 - 31 2007 Prof. Lindemann Quelle: nach Peeken und Hhn
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Kraftfluss: Kerbe und Entlastungskerbe
Hauptkerbe (z. B. fr Radialsicherungsring)
Entlastungskerbe muss : nahe an der Hauptkerbe nahe an der Hauptkerbe
liegen die gleiche Tiefe aber
greren Radius besitzen
falsch richtig Die Umlenkung des Kraftflusses der linken Kerbe kommt als Entlastungskerben Hilfswirkung nicht zum Tragen.
GPE_VO_09 SS07 - 32 2007 Prof. Lindemann
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Spannungsverteilung am gebohrten und gekerbten Biegestab
GPE_VO_09 SS07 - 33 2007 Prof. Lindemann
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Die Formzahl
Beispiel fr eine Kerbformzahl
nk
max=p
in beidseitig gekerbten Flachstben unter Zugbelastung
GPE_VO_09 SS07 - 34 2007 Prof. Lindemann
n
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Oberflcheneinfluss
Abminderungsfaktor der Dauerfestigkeit von Sthlen fr
GPE_VO_09 SS07 - 35 2007 Prof. Lindemann
unterschiedliche Oberflchenzustnde
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Vorspannung
Zugspannungen an der Oberflche knnen Kerben ffnen und zum Ausdehnen der Kerbe fhren.
Solange die Kerbe mit einer Druckspannung beaufschlagt ist, wird sie sich nicht ffnen.
Druckvorspannung sorgt fr kleinere Kerben kann ihre Entstehung aberDruckvorspannung sorgt fr kleinere Kerben, kann ihre Entstehung aber nicht ganz unterbinden.
Belastung Vorspannung(Druck)
Summe Kerbe hlt an
GPE_VO_09 SS07 - 36 2007 Prof. Lindemann
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Verdichtung der Oberflche
Dauerfestigkeitssteigerung durch Festwalzen bei k bt d k bt P b
GPE_VO_09 SS07 - 37 2007 Prof. Lindemann
ungekerbter und gekerbter Probe
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Verfestigungsstrahlen
Durch Aufprall kleiner Stahl- oder Glaskugeln wird Vorspannung in Oberflche eingebracht (Druckeigenspannungen).
Oberflche wird lokal plastisch verformt. Es entsteht eine eingedellte Oberflchenstruktur.
GPE_VO_09 SS07 - 38 2007 Prof. Lindemann
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Temperatureinfluss
Dauerfestigkeit von Stahl, Aluminium-, Titan- und Sonderlegierungen
GPE_VO_09 SS07 - 39 2007 Prof. Lindemann
g , , g gals Funktion der Temperatur
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Risszhigkeit
Streubnder der Risszhigkeit unterschiedlicher Werkstoffgruppen als Funktion der Fliegrenze
GPE_VO_09 SS07 - 40 2007 Prof. Lindemann
g
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Einflussfaktoren auf die Dauerfestigkeit
Einflussparameter zur Schwingfestigkeit von Proben oder Bauteilen im Whler-Versuch i h ti h D t ll
GPE_VO_09 SS07 - 41 2007 Prof. Lindemann
in schematischer Darstellung
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Ablauf der Festigkeitsberechnung
B h B t i bGestalt Beanspruchungs-grenBetriebs-
bedingungenWerkstoff
Spannungs-zustand
Werkstoff-festigkeit
V l i hKerbwirkungseinfluss
Vergleichs-spannung Oberflcheneinfluss
Grenbeiwert
Beanspruchung Bauteilfestigkeitp g g
Sicherheit
GPE_VO_09 SS07 - 42 2007 Prof. Lindemann Quelle: nach Peeken und Hhn
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Bauteilfestigkeit
Belastungsfall (statisch, dynamisch, allgemein schwingend, )
Beanspruchungsart (Zug, Druck, Biegung, Torsion, )
Werkstoffkennwert (Rm, Re, max, )
magebende Grenzspannung (Druck, Zug, , )
Kerbwirkung (K, b1, b2, )
zulssige Spannung (zul, zul, ...)
GPE_VO_09 SS07 - 43 2007 Prof. Lindemann Quelle: Tabellenbuch
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Ablauf der Festigkeitsberechnung
B h B t i bGestalt Beanspruchungs-grenBetriebs-
bedingungenWerkstoff
Spannungs-zustand
Werkstoff-festigkeit
V l i hKerbwirkungseinfluss
Vergleichs-spannung Oberflcheneinfluss
Grenbeiwert
Beanspruchung Bauteilfestigkeitp g g
Sicherheit
GPE_VO_09 SS07 - 44 2007 Prof. Lindemann Quelle: nach Peeken und Hhn
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Beanspruchung und Festigkeit
Beanspruchung stellt im Bauteil vorherrschende Krfte und Momente dar meist charakterisiert durch Vergleichsspannung bercksichtigt
LastenLasten maximale Belastung bei Zeitabhngigkeit der Last globale Geometrie der Lasten und Lagerungen
Festigkeit stellt maximal ertragbare Beanspruchung dar charakterisiert durch zulssige Spannungen charakterisiert durch zulssige Spannungen bercksichtigt
Geometrie der Querschnitte Werkstoffverhalten Zeitabhngigkeit der Last und Umwelteinflsse
GPE_VO_09 SS07 - 45 2007 Prof. Lindemann
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Sicherheit
V l i h l i S d V l i hVergleich von zulssiger Spannung und Vergleichsspannung:
KSzulv
=
SK
zulv =Sicherheitsbeiwert S richtet sich nach dem Einsatz des Bauteils nimmt blicherweise Werte zwischen 1 und 4 an
S
nimmt blicherweise Werte zwischen 1 und 4 an bercksichtigt die Unsicherheiten der Berechnung
Werkstoffkennwert K aus Werkstoffkennwert und erluterten schwchenden Faktoren
GPE_VO_09 SS07 - 46 2007 Prof. Lindemann
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Zusammenfassung
Beanspruchungen im Bauteil Krfte, Momente Spannungen Beanspruchungsgerechte Gestaltung der Bauteile
Bauteilfestigkeit Werkstoffe und Werkstoffkennwerte Betriebsbedingungen Einflsse der Bauteilgeometrie
Sicherheit Vergleich von Festigkeit und Beanspruchung
GPE_VO_09 SS07 - 47 2007 Prof. Lindemann
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Gliederung GPE
01 Einfhrung 20.04.0702 Methoden I 27.04.0703 Methoden II 04.05.0704 Maschine als System Systemdenken 11.05.0705 M d lli S t 18 05 0705 Modellierung von Systemen 18.05.0706 Gestaltung Grundregeln und Prinzipien 25.05.0707 Schden im Maschinenbau 01 06 0707 Schden im Maschinenbau 01.06.0708 Beanspruchung 08.06.0709 Bausteilfestigung 15.06.0710 Herstellgerechtes Konstruieren I 22.06.0711 Herstellgerechtes Konstruieren II 29.06.0712 Kostenzielorientiertes Entwickeln 06.06.07
GPE_VO_09 SS07 - 48 2007 Prof. Lindemann
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