ABS-Spritzguss meistern: Material, Prozess und Design-Exzellenz

ABS ist einer der gängigsten Thermoplaste in der Fertigung und bietet ein gutes Gleichgewicht aus Zähigkeit, Schlagfestigkeit und Erschwinglichkeit. Obwohl ABS auf verschiedene Weisen verarbeitet werden kann, einschließlich Extrusions-3D-Druck, ist der Kunststoff-Spritzguss von ABS ein bevorzugter Fertigungsprozess aufgrund des relativ niedrigen Schmelzpunkts und der guten Fließeigenschaften des Kunststoffs.

Spritzgegossene ABS-Teile finden sich überall. Armaturenbretter im Auto, Gehäuse für Haushaltsgeräte und sogar LEGO-Steine sind nur einige der alltäglichen Gegenstände, die mit ABS-Spritzguss hergestellt werden und von den begehrenswerten mechanischen Eigenschaften des kostengünstigen Materials profitieren. Weitere Anwendungen finden sich in einer Vielzahl von Branchen, von der Gesundheitsversorgung bis zum Bauwesen.

Dieser Artikel behandelt die Grundlagen des ABS-Spritzgusses, einschließlich Prozessparameter, Material- und Füllstoffoptionen, Oberflächenveredelungstechniken und mehr, basierend auf unserer langjährigen Erfahrung in der Bereitstellung von Spritzgussdienstleistungen für zufriedene Kunden.

Was ist ABS?

Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), erstmals 1954 von der Borg-Warner Corporation vermarktet, ist ein gängiges thermoplastisches Polymer, bekannt für seine Schlagfestigkeit, Zähigkeit und Steifigkeit. Es wird durch Polymerisation von Styrol und Acrylnitril in Gegenwart von Polybutadien hergestellt.

Die drei Komponenten von ABS tragen unterschiedliche Materialeigenschaften bei:

• Acrylnitril verleiht dem Material eine gewisse chemische Beständigkeit und thermische Stabilität.
• Butadien sorgt für Zähigkeit und Schlagfestigkeit.
• Styrol liefert Steifigkeit und Glanz.

Als Ganzes ist das Material relativ stark, langlebig und leicht. Und da es ein Thermoplast ist, kann es in Form geschmolzen und immer wieder aufgeschmolzen werden, ohne nennenswerte Degradation. Dies macht es geeignet für Spritzguss und andere Prozesse wie Blasformen, 3D-Druck und Materialextrusion.

Für den Spritzguss wird ABS in Form von Kunststoffgranulaten geliefert. Dies sind kleine, gleichmäßige Granulate, die durch Extrudieren des Materials zu langen Strängen und anschließendes Schneiden in kleinere Stücke hergestellt werden. ABS-Granulate kosten nur wenige Dollar pro Kilogramm – weit weniger als andere Materialformen wie Filament für 3D-Druck – und können leicht in den Trichter der Spritzgussmaschine zum Schmelzen gegeben werden.

Der ABS-Spritzguss-Prozess

ABS-Spritzguss ist ein schneller und ökonomischer Fertigungsprozess zur Herstellung von Kunststoffteilen in großen Mengen. Da Spritzgussmaschinen große und teure Geräte sind, wird der Prozess typischerweise von einem spezialisierten Hersteller durchgeführt.

Der Prozess beginnt mit dem Erwerb von ABS-Granulaten, die in den Trichter der Spritzgussmaschine gefüllt werden. Eine zurückschraubende Schnecke drückt die Thermoplastharz-Granulate in einen beheizten Zylinder, wo sie bei einer Temperatur von ca. 180–240 °C geschmolzen werden. Das geschmolzene ABS wird dann unter Druck in die Formkavität eingespritzt, wodurch das Material seine Form erhält.

Das geschmolzene ABS kühlt und erstarrt innerhalb der Form. Da der Kunststoff gute Fließeigenschaften hat, kann er meist feine Details problemlos erreichen. Dies macht ABS-Spritzguss hochgeeignet für die Produktion komplexer Teile, die präzise Geometrien und detaillierte Oberflächentexturen erfordern. Nach der Erstarung wird die Form geöffnet und das Teil mithilfe von Auswerferstiften ausgeworfen. Je nach Formgröße und anderen Faktoren können die gesamten Spritzgusszykluszeiten von etwa 10 Sekunden bis zu zwei Minuten reichen.

Vor- und Nachteile des ABS-Spritzgusses

ABS ist ein beliebter Thermoplast für den Spritzguss, da er ziemlich einfach zu verarbeiten ist und gute mechanische Eigenschaften bietet. Die einzigen nennenswerten Nachteile des ABS-Spritzgusses beziehen sich auf das Material selbst, nicht auf die Kombination von Material und Prozess.

Vorteile

• Gute Fließeigenschaften
• Gute mechanische Eigenschaften wie Festigkeit und Zähigkeit
• Feine Details möglich, da das Material die Ecken der Formkavität leicht füllen kann
• Kostengünstiges Material
• Erfordert keine besonders hohen Temperaturen
• Einfach nachzubearbeiten

Nachteile

• Ziemlich geringe Hitzebeständigkeit
• Ziemlich geringe UV-Beständigkeit

ABS-Spritzguss-Parameter

Im Vergleich zu anderen Thermoplasten liegen die ABS-Spritzgussparameter im mittleren Bereich, mit mäßigen Temperaturen und Drücken, was das Material einfacher zu verarbeiten macht als Materialien wie Polycarbonat (PC) oder verstärkte Nylons. Die Parameter können jedoch je nach ABS-Grad, Teilegeometrie und anderen Faktoren variieren.

Bei der ABS-Spritzgusstemperatur ist zu beachten, dass die tatsächliche Schmelztemperatur von ABS etwas höher sein wird als die Zylindertemperatur. Die Schmelztemperatur kann mit einem Pyrometer gemessen werden.

• Zylindertemperatur: 180–240 °C, wobei Allzweck-ABS generell etwas niedrigere Temperaturen (180–230 °C) erfordert als hitzebeständiges ABS (190–240 °C). Flammwidrige Grade können eine etwas niedrigere Temperatur erfordern. Die Temperatur ist vorne am höchsten und hinten am Zylinder am niedrigsten.
• Formtemperatur: 50–80 °C, ein Kompromiss zwischen den höheren Temperaturen für ein gutes Oberflächenfinish und den niedrigeren Temperaturen für schnellere Zykluszeiten. Formtemperaturkontrolle ist ein guter Weg, um Teile nach Wunsch herzustellen.
• Einspritzdruck: 10.000–20.000 psi, wobei höhere Drücke für hitzebeständige Grade oder Teile mit dünnen Wänden und feinen Details erforderlich sind.
• Einspritzrate: Langsam bis mäßig.
• Feuchtigkeitskontrolle: ABS-Granulate sind hygroskopisch und sollten an einem trockenen Ort gelagert werden. Um Probleme beim Formen zu vermeiden, können Granulate mehrere Stunden bei ca. 80 °C getrocknet werden.

ABS-Materialien für den Spritzguss

ABS ist in einer Reihe von Graden und Varianten für den Spritzguss erhältlich, mit unterschiedlichen molekularen Strukturen und Additiven, die verschiedenen Anwendungen gerecht werden. In einigen Fällen kann recyceltes ABS verwendet werden.

• Allzweck-ABS bietet ein Gleichgewicht aus Zähigkeit, Steifigkeit und Verarbeitbarkeit.
• Hochschlagzäh-ABS enthält zusätzlichen Butadienkautschuk, was verbesserte Schlagfestigkeit für Teile bietet, die hohen Belastungen ausgesetzt sind.
• Hitzebeständiges ABS hat zusätzlichen Acrylnitrilgehalt, was die thermische Stabilität erhöht und es in Branchen wie der Automobilindustrie nützlich macht.
• Flammwidriges ABS verwendet Additive zur Verringerung der Entflammbarkeit und wird oft in elektrischen Geräten eingesetzt.
• Transparentes ABS ist darauf ausgelegt, einen höheren Transparenzgrad für Bereiche wie das Gesundheitswesen zu bieten.
• Metallbeschichtetes ABS ist ein modifizierter Grad, der gut an Metallbeschichtungen haftet, nützlich für Artikel wie Duschköpfe.
• Medizinisches ABS bietet Biokompatibilität und kann sterilisiert werden; solche Materialien können Zulassungen von Behörden wie der US FDA haben.
• Recyceltes ABS besteht hauptsächlich aus recyceltem ABS und leistet oft vergleichbar mit neuem ABS.

Einige der großen chemischen Produzenten von ABS-Spritzgussgranulaten sind LG Chem, SABIC und die RTP Company.

Einige ABS-Granulate werden mit Verstärkungsmitteln gemischt. Dazu können Glasfasern gehören, die Steifigkeit und Dimensionsstabilität hinzufügen, und Mineralien wie Calciumcarbonat, die Steifigkeit und Hitzebeständigkeit hinzufügen. Flammwidrige ABS-Grade können mit halogenierten Verbindungen, phosphorbasierten Chemikalien oder anorganischen Verbindungen wie Aluminiumhydroxid hergestellt werden.

Gängige ABS-Blends sind PC/ABS, das eine höhere Hitzebeständigkeit als reines ABS aufweist, und PVC/ABS, das verbesserte chemische Beständigkeit bietet. ABS/Nylon-Blends können höheren Verschleißwiderstand als reines ABS bieten.

ABS-Granulate können auch während des Formens mit hitzestabilen Pigmenten gemischt werden, um gleichmäßig gefärbte Teilechargen zu produzieren. Masterbatch-Konzentrate liefern bessere Ergebnisse als trockene Pigmente, obwohl beide verwendet werden können.

Werkzeugmaterialien für ABS

Spritzgusswerkzeuge für die ABS-Hochvolumenproduktion werden üblicherweise aus gehärteten Werkzeugstählen wie P20, H13 oder S7 hergestellt. Kürzere Serien eignen sich für kostengünstige Aluminiumwerkzeuge, die jedoch schneller verschleißen als Stahlwerkzeuge. Aufgrund der guten Fließeigenschaften von ABS können Werkzeuge relativ komplex sein und feine Details enthalten, was die Produktion komplexer Teile mit konsistenter Dimensionsgenauigkeit ermöglicht.

Oberflächenveredelung für ABS-Formteile

Nach dem Auswerfen können ABS-Formteile durch Nachbearbeitungsschritte verbessert werden, beginnend mit Entgraten und Entgraten, um überschüssiges Material zu entfernen, bevor es zu Veredelungsbehandlungen geht, um die Oberflächenqualität der Teile zu verbessern.

Verschiedene Oberflächenveredelungsmethoden können verwendet werden, um die gewünschte Oberflächenrauheit von ABS-Teilen zu erreichen, wobei ein Diamantpolieren ideal für Glanz und Trockenstrahlen für raue Texturen bevorzugt wird. Für große oder mittlere Chargen ist das Hinzufügen von Textur zum Metallwerkzeug in der Regel kosteneffektiver als die Nachbearbeitung einzelner Kunststoffformteile, da dies nur einmal durchgeführt werden muss.

ABS-Spritzguss-Designleitfaden

Ingenieure, die Teildesigns für ABS-Spritzguss entwickeln, müssen die Einschränkungen des Spritzgussprozesses und, in geringerem Maße, die spezifischen Fähigkeiten von ABS-Kunststoff im Kontext des Formprozesses berücksichtigen. Design-for-Manufacturing (DFM)-Prinzipien für geformtes ABS umfassen Wanddickenbeschränkungen und Entformungsschrägwinkel.

Designregeln

Wanddicke

1,1–3,5 mm

Alle spritzgegossenen Teile haben einen empfohlenen Wanddickenbereich. Zu dünn und die Form wird schwer zu füllen und das Teil zu fragil; zu dick und das Material kann in der Formkavität ungleichmäßig abkühlen. ABS erfordert etwas dickere Wände als andere Kunststoffe wie Polyester, Acetal und Acrylat, aber weniger dick als Polyurethan.

Entformungsschrägwinkel

0,5–1°

Ein Entformungsschrägwinkel wird in Spritzgussdesigns integriert, damit Teile leicht aus der Form ausgeworfen werden können. Da Schrägwinkel für alle geformten Kunststoffteile essenziell sind, ist der empfohlene Winkel hier nicht ABS-spezifisch. Die Ausnahme sind Teile mit texturierten Oberflächen; da diese größere Reibung mit dem Werkzeuginnern erzeugen, wird ein Entformungsschrägwinkel von 2–3° empfohlen.

Radien

0,5–1 mm oder 1/2 Wanddicke

Scharfe Ecken werden für kein spritzgegossenes Teil empfohlen, da sie Spannungs- und Fließprobleme verursachen können, und ABS ist aufgrund seiner spröden Natur besonders empfindlich. Stattdessen erleichtert ein gerundeter innerer und äußerer Eckradius effektives Formen und Auswerfen. Der minimale Radius sollte etwa ein Viertel der Wanddicke betragen, wobei eine Erhöhung auf die Hälfte der Wanddicke überlegene Festigkeit bietet.

Rippen

Rippenhöhe bis zu 3x Wanddicke; Rippdicke 1/2 Wanddicke

Rippen sind dünne, erhabene Abschnitte, die senkrecht zur Wand eines Formteils verlaufen. Sie werden verwendet, um Festigkeit zu erhöhen, ohne die Wände dicker zu machen, was typischerweise mehr Material erfordert und zu separaten Problemen führen kann.

Buchsen (Bosses)

Basisdicke 1/2 Wanddicke

Buchsen sind erhabene zylindrische Merkmale, in denen ein Befestigungselement wie eine Schraube platziert werden kann, ohne das Teil zu beschädigen. Für ABS-Teile sollte die maximale Basisdicke der Buchse nicht mehr als etwa die Hälfte der Wanddicke des Teils betragen.

Toleranzen

0,1–0,3 mm

Für die meisten ABS-Formteile sollten Toleranzen nicht feiner als etwa 0,1 mm sein. Für sehr kleine oder präzise Teile kann es jedoch möglich sein, eine Toleranz von 0,05 mm anzugeben. Generell ist es gute Praxis, enge Toleranzen nur dort anzugeben, wo sie strikt notwendig sind (z. B. für ineinandergreifende Teile), um übermäßige Werkzeugkosten zu vermeiden.

Angüsse (Gates)

Angüsse ermöglichen den Materialzutritt in die Formkavität. Wie bei anderen Kunststoffen sollten Angüsse an dicken Abschnitten des Teils platziert werden. Kantenangüsse, Stiftangüsse und Tunnelangüsse sind gängig.

Entlüftungen (Vents)

0,02–0,05 mm

Werkzeugentlüftung hilft, Gasfallen zu vermeiden – eine Ursache für Verbrennungen und Hohlräume. Diese müssen ziemlich klein sein, da ABS gute Fließeigenschaften hat und leicht durch größere Löcher entweichen kann.

Hilfreiche Software-Funktionen

Viele CAD-Tools haben spritzgussspezifische Funktionen, um das Design Ihrer ABS-Teile zu erleichtern. Diese Funktionen können umfassen:

• DFM-Analyse: Prüft Wanddicke, Entformungsschrägwinkel, Hinterschneidungen und Angussplatzierung, um sicherzustellen, dass das vorgeschlagene Design formbar ist.
• Prozessanalyse: Bestimmte Softwarepakete bieten erweiterte Funktionen wie Formfüllsimulation, die simuliert, wie sich das geschmolzene ABS in der vorgeschlagenen Formkavität verhält, sowie andere Funktionen wie Schwundvorhersage und Finite-Elemente-Analyse (FEA).
• Werkzeugherstellung: Software kann es dem Nutzer ermöglichen, automatisch ein zweiteiliges Werkzeug basierend auf dem 3D-Modell des Teils zu generieren, komplett mit Auswerferstiftplatzierung und anderen Merkmalen.
• CAM-Integration: Einige Plattformen integrieren CAM-Software, die die Fertigungsausrüstung steuert, was für Hersteller relevanter ist als für Designer.

Anwendungen des ABS-Spritzgusses

Als hochvielseitiger Thermoplast wird ABS-Spritzguss in zahlreichen Branchen eingesetzt, um eine breite Palette von Produkten herzustellen, von Spielzeug über Autoteile bis hin zu Baumaterialien. Typische Anwendungen umfassen Automobilkomponenten, Gehäuse für Unterhaltungselektronik, Medizinprodukte und Industrieteile. Hier betrachten wir einige Beispiel-ABS-Formteile, sortiert nach Branche.

• Automobil: Geformte ABS-Teile finden sich in vielen Fahrzeugen, besonders für Innenausstattung. Autobauer wie Ford und Toyota nutzen ABS bekanntermaßen für Teile wie Armaturenbretter, Handschuhfächer und Türverkleidungen, wo Teile nicht extremer Hitze ausgesetzt sind, aber dennoch ein hohes Maß an Zähigkeit und Dimensionsstabilität erfordern, während BMW ABS/PC-Blends für Handschuhfächer verwendet hat. Zwischen 1968 und 1988 produzierte Citroën ein äußerst ungewöhnliches Nutzfahrzeug namens Mehari, das farbiges ABS-Außenblech aufwies. Ein Vorteil von ABS-Spritzguss im Automobilbereich ist die einfache Färbung, Veredelung und Texturierung von Teilen, besonders für ästhetische Innenkomponenten.
• Unterhaltungselektronik: Elektronikfirmen setzen häufig Spritzguss von ABS für langlebige Gehäuse ein. Zum Beispiel haben Dell und HP ABS/PC-Blends für Laptop- und Computermonitorgehäuse verwendet, die Kratzfestigkeit mit Hitzetoleranz kombinieren, während Canon und Epson bekanntermaßen auf ABS für Druckergehäuse aufgrund seiner Steifigkeit setzen. Ein weiteres beliebtes Unterhaltungselektronikprodukt mit ABS-Gehäuse ist die PlayStation 4. (Die neuere PlayStation 5 verwendet eine Mischung aus ABS und Polycarbonat.) Gehäuse eignen sich für den Spritzgussprozess, da sie typischerweise ziemlich dünne Wände haben.
• Konsumgüter: Außerhalb der Elektronik werden viele Konsumgüter wie Spielzeug (einschließlich LEGO-Steine), Sportgeräte wie Plastikkajaks und Musikinstrumente wie Blockflöten aus geformtem ABS hergestellt. Gehäuse für Küchengeräte und Staubsauger sind ebenfalls gute Kandidaten für ABS-Materialien. Der Staubsaugerhersteller Dyson nutzt das Material bekanntermaßen für einige seiner Produkte, da die von einem Staubsauger erzeugte Wärme weit unter der Wärmeformbeständigkeitstemperatur von ABS (ca. 80 °C) liegt.
• Gesundheitswesen: ABS ist im Gesundheitswesen beliebt für Teile wie Medizinproduktgehäuse und Verabreichungssysteme, da es sterilisiert werden kann – wenn auch nicht durch Autoklavieren, da die dabei involveden Temperaturen zu hoch sind. Philips Healthcare verwendet ABS für Diagnosegerätegehäuse, wie bei der IntraSight-Einheit zu sehen. 3M setzt ABS für Inhalatoren und Atemwegsgeräte ein, nutzt die leichte Qualität des Materials. Geformtes ABS kann auch für Drug-Delivery-Systeme verwendet werden.
• Bauwesen: Im Bauwesen und verschiedenen industriellen Bereichen können hitzebeständige und flammwidrige ABS-Grade für Teile wie Wandplatten, elektrische Schalter und Gehäuse verwendet werden. ABS-Rohre und -Fittings sind ebenfalls gängig. In puncto Industrieausrüstung ist Stanley Black & Decker ein bekanntes Unternehmen, das geformtes ABS in Werkzeuggehäusen und Stromgerätegehäusen einsetzt.

Zuverlässiger Spritzguss mit 3ERP

Ingenieure und Produktdesigner nutzen typischerweise Drittanbieter-Spritzgussunternehmen zur Herstellung von Teilen oder Prototypen, angesichts der Größe und Kosten von Spritzgussmaschinen. Diese Unternehmen sind auch typischerweise Spezialisten für Werkzeugherstellung; Produktdesigner benötigen möglicherweise kein Expertenwissen in Werkzeugherstellung, um ihre 3D-Designs zu realisieren.

Spritzgussunternehmen betreiben typischerweise einen Fuhrpark von Maschinen mit unterschiedlichen Schließkräften, abhängig von der erforderlichen Werkzeuggröße.

Unternehmen wie 3ERP können eine Reihe von ABS-Spritzgussprojekten realisieren, von Prototypen bis zur Massenproduktion. Unsere professionelle Expertise ermöglicht es uns, DFM, Werkzeugherstellung, Produktion und Oberflächenveredelung zu managen und sicherzustellen, dass Endprodukte höchsten Qualitäts- und Präzisionsstandards entsprechen.

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Häufig gestellte Fragen (FAQ)

Wie lange halten Spritzgusswerkzeuge für ABS?

Beim Formen eines leicht verarbeitbaren Materials wie ABS können Werkzeuge lange halten. Ein gut gemachtes Stahlwerkzeug kann Hunderttausende oder sogar eine Million Zyklen überdauern, während ein kostengünstiges Aluminiumwerkzeug typischerweise Zehntausende Zyklen aushält – ideal für Kleinserienformen.

Wie viel kostet ABS-Spritzguss im Durchschnitt?

Wie bei allen Spritzgussmaterialien ist der größte Kostenfaktor die Werkzeugherstellung. Einfache Aluminiumwerkzeuge kosten einige tausend Dollar, während Stahlwerkzeuge generell über 10.000 $ kosten – oder weit mehr für komplexe, mehrteilige Werkzeuge. Die Kosten pro ABS-Spritzguss sind jedoch sehr gering. Erwarten Sie höhere Stückkosten für Kleinserien als für Massenproduktion.

Wie berechnet man Schwund bei ABS für den Spritzguss?

ABS-Formschwindung beträgt etwa 0,4–0,7 %. Werkzeugdesigner müssen diesen Faktor auf Kavitätsdimensionen anwenden, um sicherzustellen, dass die endgültigen Formteile nicht untermaßig sind.

Warum müssen ABS-Granulate trocken sein?

ABS ist ein hygroskopisches Material, was bedeutet, dass es Feuchtigkeit aus der Luft aufnimmt. Wenn ABS-Granulate vor dem Spritzguss überschüssiges Wasser aufgenommen haben, führt verdampftes Wasser zu Problemen wie Silberstreifen und Hohlräumen. Um solche Probleme zu vermeiden, können Granulate vor der Verwendung bei mäßiger Temperatur (ca. 80 °C) getrocknet werden.

Wie verhindert man verformte ABS-Formteile?

ABS-Spritzguss ist nicht besonders schwierig, aber Verzug kann minimiert werden, indem eine konstante Formtemperatur beibehalten, gleichmäßige Wanddicke verwendet und die fertigen Formteile langsam abgekühlt werden.

Können geformte ABS-Teile im Freien verwendet werden?

ABS ist ein vernünftig gutes Material für den Außeneinsatz und bietet einen gewissen Grad an Witterungsbeständigkeit. Für hochanspruchsvolle Außenanwendungen kann jedoch ein witterungsbeständiger ABS-Grad verwendet werden. Solche Materialien sind so konzipiert, dass sie überlegene UV-Beständigkeit bieten und sich daher im Sonnenlicht nicht mit der Zeit zersetzen.

Warum ABS-Spritzguss gegenüber ABS-3D-Druck wählen?

Beide Technologien haben ihre Vorteile. Extrusionsbasierter FDM-3D-Druck ist eine ausgezeichnete Wahl für einmalige Rapid Prototypes, und Desktop-3D-Drucker können in nicht-industriellen Umgebungen betrieben werden. Andererseits ist Spritzguss die bessere Wahl für die Herstellung dünner, aber starker Teile mit exzellentem Oberflächenfinish. In großen Mengen ist Spritzguss auch deutlich günstiger als 3D-Druck.

Was ist mit ABS-Blasformen?

Blasformen ist ein Prozess zur Herstellung dünner, einfacher Teile wie Plastikflaschen, bei dem ein Vorformling in einem Werkzeug mit Luft aufgeblasen wird, bis er an den Werkzeugwänden anliegt. ABS kann beim Blasformen verwendet werden und eignet sich für Teile wie Elektronikgehäuse, Rohre und Schläuche. Es fehlt jedoch die Transparenz anderer gängiger Blasform-Thermoplaste und ist teurer als Materialien wie High-Density-Polyethylen (HDPE) und Polypropylen (PP).

Sind ABS-Formteile giftig?

Geformtes ABS ist stabil und wird typischerweise als ungiftig betrachtet. Es kann jedoch giftige Dämpfe freisetzen, wenn es verbrannt wird. Unbeschichtetes ABS ist auch recycelbar, und recyceltes ABS kann während des Spritzgussprozesses wiederverwendet werden.