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Die
Erfindung betrifft die Verwendung eines Stoffes und ein Verfahren
zur Beschichtung von Oberflächen
von Körpern
sowie Seltene-Erden-Magnetkörper
mit einer entsprechenden Beschichtung. Die Erfindung kann auf dem
Gebiet der korrosionshemmenden Beschichtung von Körpern, insbesondere von
Magnetkörpern
aus Seltenen Erden mit Vorteil verwendet werden. Derartige Körper sind
wegen ihrer Beschaffenheit sehr anfällig gegen den Einfluß von Feuchtigkeit,
beispielsweise Betauung oder den Kontakt mit Meerwasser. Unter diesem
Einfluß erfolgt ohne
eine korrosionshemmende Beschichtung nach kurzer Zeit unerwünschte Rostbildung.
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Die
Erfindung bezieht sich auf die Verwendung eines Stoffes zur Beschichtung
von Oberflächen
von Körpern,
die Legierungen mit seltenen Erden enthalten, insbesondere von Seltene-Erden-Dauermagneten.
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Beschichtungen
von Seltene-Erden-Magneten sind aus dem Stand der Technik weitgehend
bekannt. Beispielsweise ist aus der
europäischen
Patentanmeldung 0430198A2 ein beschichteter Seltene-Erden-Magnet
sowie ein Verfahren zu seiner Beschichtung bekannt, wobei dort eine
Nickel- oder eine Epoxydharzschicht nach einer Vorbehandlung mit Zinkphosphat
auf die Oberfläche
aufgebracht wird.
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Die
Effektivität
des Korrosionsschutzes hängt
gemäß der
EP 0430198A2 von
der Abstimmung der Dichte des gesinterten Magnetkörpers mit der
Art der Beschichtung ab.
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Aus
der
europäischen Patentanmeldung 0345092A1 ist
ein Verfahren zum Beschichten eines Seltene-Erden-Magnetkörpers bekannt,
bei dem zunächst
die Oberfläche
des Magnetkörpers
gereinigt und Oxydschichten entfernt sowie die Fläche geschliffen
wird. Darauf wird die Oberfläche
entfettet und hierauf mit einer Säure gereinigt. Im nächsten Schritt
wird die Oberfläche
chemisch aktiviert und danach mit Wasser gespült. Hierauf wird der Körper galvanisch
mit Nickel beschichtet.
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In
der
EP 0345092A1 sind
außerdem
Verfahren erwähnt,
durch die Oberflächen
von Seltene-Erden-Magneten beispielsweise mittels Sprühen mit
einem Harz beschichtet werden oder bei denen im Vakuum beispielsweise
mittels Sputtering eine Nickelschicht aufgebracht wird.
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Diese
Verfahren bringen jedoch in bezug auf die Korrosionsbeständigkeit
keine hinreichend guten Ergebnisse.
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Aus
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 3902480A1 ist ein Neodym-Bor-Eisenmagnetfeldbauteil
und ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt, bei dem eine korrosionsbeständige Schutzschicht,
beispielsweise ein Polyamidimidharz aufgebracht wird. Hierzu wird
zunächst
eine Zinkphosphatschicht auf den Seltene-Erden-Körper aufgebracht, um die Haftung
der Harzschicht zu verbessern.
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Die
Polyamidimidschicht wird vorzugsweise im Sprühverfahren oder mit einem Pinsel
aufgebracht.
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Aus
der
DE OS 19608731A1 ist
ein Verfahren zur Verbesserung des Korrosionsschutzes von aluminiumbeschichteten
Oberflächen
bekannt, das insbesondere auf NdFeB-Magnete angewendet wird.
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Dort
wird zunächst
der Seltene-Erden-Körper
mit Aluminium beispielsweise mittels eines Elektroplatierverfahrens
beschichtet und sodann einer Wärmebehandlung
unterzogen, um so den Korrosionsschutz durch die Aluminiumschutzschicht
zu verbessern.
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Aus
dem IBM Technical Disclosure Bulletin Volume 32 Februar 1990, S.
83 geht hervor, dass grundsätzlich
auf Seltene-Erden-Magnetkörpern insbesondere
NdFeB-Körpern
eine Beschichtung aus einem organischen Material nicht haftet, wenn
nicht eine entsprechende Vorbeschichtung aufgebracht worden ist.
Dort besteht die Vorbeschichtung aus Zinkphosphat.
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In
der
DE 42 30 116 C2 wird
ein wässriger
alkalisch löslicher
Klebstoff für
Seltene-Erden-Dauermagneten beschrieben, der aus einer Mischung
eines aliphatischen Polyols, eines aromatischen Dianhydrids, gegebenenfalls
eines flüssigen,
niederviskosen Epoxydharzes und gegebenenfalls eines Haftvermittlers
vom Silantyp besteht.
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In
der
EP 1 081 724 A2 werden
Seltene-Erden-Magnetkörper
mit einer korrosionsbeständigen Schicht
beschrieben, wobei die zur Beschichtung eingesetzte Lösung eine
Siliziumverbindung mit einer Hydroxylgruppe oder mindestens einer
hydrolisierbaren Gruppe, anorganische Feinpartikel und als organisches
Lösungsmittel
Ethylenglykol enthalten kann.
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In
der
US 3,997,501 A wird
eine galvanische Schutzschicht für
Eisensubstrate auf Basis von Polyolsilikaten beschrieben.
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In
der
WO 00/46312 A1 wird
ein Verfahren zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit
von Metallsubstraten beschrieben, bei dem das Metallsubstrat mit
einer Lösung
behandelt wird, die ein oder mehrere hydrolisierte Vinylsilane oder
multi-silylfunktionelle Silane enthält.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt gegenüber dem Stand der Technik die
Aufgabe zugrunde, die Verwendung eines Stoffes der eingangs genannten Art
beziehungsweise ein Verfahren zur Beschichtung von Oberflächen von
Körpern,
die Legierungen mit Seltenen Erden enthalten, zu schaffen, bei dem
eine zuverlässige
und haltbare Beschichtung eines Körpers entsteht, die einen guten
und dauerhaften Korrosionsschutz bildet, die leicht und unter geringer Umweltbelastung
aufzubringen ist und möglichst
wenige zusätzliche
Prozessschritte erfordert.
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Die
Aufgabe wird gemäß Anspruch
1 durch die Verwendung eines Stoffes der eingangs genannten Art
gelöst
mit jeweils wenigstens einem der folgenden Funktionsbestandteile
in wässriger
Lösung:
- – organofunktionelles
Silan der Formel R-(CH2)n-SiX3, wobei X eine Alkoxygruppierung, insbesondere
eine Methoxy- oder Ethoxygruppierung, R eine organische Alkylkette
darstellt, die als funktionelle Gruppen Vinyl-, Acrylat-, Methacrylat-,
Amino-, Epoxy-, Mercapto- oder Urethaneinheiten enthält, und
n eine ganze Zahl zwischen 0 und 2 darstellt;
- – aliphatisches
primäres
Diol der Formel HO-CH2-Y-CH2-OH,
wobei Y ein aliphatisches Restmolekül mit 3–6 Kohlenstoffatomen darstellt.
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Außerdem wird
die Aufgabe gemäß Anspruch
6 durch ein Verfahren gelöst,
bei dem die zu beschichtenden Körper
mit einem oben genannten Stoff benetzt und danach getrocknet und
vernetzt werden.
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Der
Stoff muss erfindungsgemäß den Funktionsbestandteil
organofunktionelles Silan als auch das aliphatische primäre Diol
enthalten. Zusätzlich
zu den Funktionsbestandteilen können übliche Lackaditive
wie zum Beispiel Entschäumer,
Verlaufshilfsmittel oder Verdickungsmittel enthalten sein.
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Durch
die Behandlung mit dem Stoff entsteht auf den Körpern, insbesondere Seltene-Erden-Dauermagneten,
eine stark hydrophobe transparente organische Schicht im Submikrometerbereich.
Der Stoff ist insbesondere zur Beschichtung von Neodym-Eisen-Bor-Dauermagneten
gut geeignet.
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Das
Verfahren zur Beschichtung von Oberflächen kann vor dem Schritt der
Benetzung mit dem genannten Stoff einen Prozessschritt vorsehen,
bei dem die Oberfläche
des Körpers
oder der Körper
gebeizt und phosphatiert wird. Die Phosphatschicht wird danach durch
das Aufbringen des erfindungsgemäßen Stoffes
durch Benetzen dauerhaft und zuverlässig versiegelt.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass bei dem
Stoff die Konzentration jedes der enthaltenen Funktionsbestandteile
in Volumenprozent zwischen 0,1% und 20%, insbesondere zwischen 1%
und 10% liegt.
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In
diesen Konzentrationsbereichen ergibt sich eine optimale Verarbeitbarkeit
des Stoffes und eine für
den Korrosionsschutz optimale Schichtdicke.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung des verwendeten Stoffes sieht
vor, dass neben Wasser als Lösungsmittel
zusätzlich
wenigstens ein wassermischbares organisches Lösungsmittel, insbesondere Alkohole,
Ketone, Ester, Amide, Glykolether enthalten ist.
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Diese
zusätzlichen
Lösungsmittel
können die
Verarbeitbarkeit des Stoffes verbessern, beispielsweise auch das
nachfolgende Trocknen der Körper
nach dem Benetzen beschleunigen.
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Es
ist jedoch in jedem Fall vorteilhaft, wenn der Anteil von Wasser
am Lösungsmittel
größer als 50%
ist.
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Durch
diese Maßnahme
wird die schlechte Brennbarkeit des Stoffes sichergestellt.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass
die Körper durch
Eintauchen in den Stoff benetzt werden.
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Seltene-Erden-Dauermagnete,
insbesondere Neodym-Eisen-Bormagnete,
werden üblicherweise
durch Sintern hergestellt und liegen dann als Kleinteile in Form
von Schüttware
vor. In diesem Fall kann die Schüttware
in einem Korb einfach in den Stoff eingetaucht und auf diese Weise
benetzt werden.
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Grundsätzlich kann
jedoch eine Beschichtung durch andere Verfahren wie beispielsweise Sprühen, Gießen, Tauchzentrifugieren
oder Schleudern geschehen. An die Benetzungszeit beziehungsweise
Eintauchzeit der Körper
in den Stoff werden keine besonderen Anforderungen gestellt.
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Vorteilhaft
ist bei dem Verfahren weiter vorgesehen, dass die Körper im
Trommelverfahren getrocknet werden.
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Beim
Trocknen im Trommelverfahren ist eine schnelle Trocknung gewährleistet,
ohne dass die Körper
miteinander verkleben.
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Besonders
schnell gelingt die Trocknung dadurch, dass die Körper bei
einer Temperatur zwischen 50 und 100 Grad Celsius getrocknet werden.
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Außerdem kann
vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Körper zum Vernetzen der Beschichtung
einer Temperatur zwischen 120 und 200 Grad Celsius ausgesetzt werden.
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Durch
die Vernetzung wird eine erhebliche Verbesserung der mechanischen
Eigenschaften der Beschichtung und somit auch ihrer Korrosionsbeständigkeit
erreicht. Die Vernetzungszeit kann zwischen wenigen Minuten und
etwa einer Stunde betragen.
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Die
Erfindung bezieht sich gemäß Anspruch 11
außerdem
auf einen Seltene-Erden-Magnetkörper, insbesondere
auf der Basis von Neodym-Eisen-Bor,
mit einer Beschichtung mit jeweils wenigstens einem der folgenden
Bestandteile in vernetzter Form:
- – organofunktionelles
Silan der Formel R-(CH2)n-SiX3, wobei X eine Alkoxygruppierung, insbesondere
eine Methoxy- oder Ethoxygruppierung, R eine organische Alkylkette
darstellt, die als funktionelle Gruppen Vinyl-, Acrylat-, Methacrylat-,
Amino-, Epoxy-, Mercapto- oder Urethaneinheiten enthält, und
n eine ganze Zahl zwischen 0 und 2 darstellt;
- – aliphatisches
primäres
Diol der Formel HO-CH2-Y-CH2-OH,
wobei Y ein aliphatisches Restmolekül mit 3–6 Kohlenstoffatomen darstellt.
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Ein
derartiger Körper
kann problemlos auch in feuchter Umgebung gelagert werden, ohne
dass stärkere
Korrosion zu befürchten
ist, die die nachfolgende Verwendung unmöglich macht.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben
und in einer Zeichnung dargestellt. Dabei zeigt die Figur schematisch
ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In
der Figur ist auf der linken Seite schematisch in mehreren symbolischen
Blöcken
das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren
dargestellt, wobei jeder Funktionsblock einen Prozessschritt symbolisiert.
Auf der rechten Seite sind entsprechende, ebenfalls symbolisch aufzufassende
Darstellungen der entsprechenden Prozessschritte wiedergegeben.
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Im
ersten Prozessschritt 1 werden Seltene-Erden-Dauermagnete
auf der Basis von Neodym-Eisen-Bor, die als gesinterte Körper 10 vorliegen,
gemeinsam in einen Korb 6 gefüllt.
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Die
Seltene-Erden-Magnetkörper 10 können dann
in einem optionalen Prozessschritt 2 zunächst gebeizt
und phosphatiert werden. Die Körper
können auch
in einer chromathaltigen Lösung
passiviert werden.
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Jedoch
ist eine solche Behandlung optional und nicht unbedingt notwendig.
Sie dient einer besseren Haftung der später aufzubringenden Lackschicht.
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In
einem dritten Prozessschritt 3 wird der Korb 6 mit
den Körpern 10 in
ein Gefäß mit einem Stoff
eingetaucht, in dem mindestens jeweils einer der funktionellen Bestandteile
- – organofunktionelles
Silan der Formel R-(CH2)n-SiX3, wobei X eine Alkoxygruppierung, insbesondere
eine Methoxy- oder Ethoxygruppierung, R eine organische Alkylkette
darstellt, die als funktionelle Gruppen Vinyl-, Acrylat-, Methacrylat-,
Amino-, Epoxy-, Mercapto- oder Urethaneinheiten enthält, und
n eine ganze Zahl zwischen 0 und 2 darstellt;
- – aliphatisches
primäres
Diol der Formel HO-CH2-Y-CH2-OH,
wobei Y ein aliphatisches Restmolekül mit 3–6 Kohlenstoffatomen darstellt,
enthalten
sind. Als Lösungsmittel
dient vorwiegend Wasser, jedoch können auch Anteile von wassermischbaren
Lösemitteln
wie zum Beispiel Alkohole (Ethanol, Isopropanol), Ketone (Aceton,
Methylethylketon), Ester (γ-Butyrolacton),
Amide (N-Methylpyrrolidon), Glycolether (zum Beispiel Butyldiglycol)
und ähnliche
enthalten sein, wobei Wasser mehr als 50% des Lösemittels ausmachen sollte,
um die Brandgefahr zu verringern.
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Das
Eintauchen in den Stoff 7 kann nur wenige Sekunden dauern,
da die Benetzung weitgehend unabhängig von der Eintauchzeit ist.
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Darauf
werden ohne eine Zwischenspülung in
einem vierten Prozessschritt 4 die Körper 10 in eine Trommel 8 gefüllt und
unter Drehen der Trommel 8 getrocknet wobei sich ein festhaftender
Lackfilm ausbildet. Dabei wird vorteilhaft eine Temperatur zwischen
50 und 100 Grad Celsius eingehalten.
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In
einem letzten Prozessschritt 5 wird dann die so aufgebrachte
Lackschicht in einem Ofen 9 bei Temperaturen zwischen 120
Grad Celsius und 200 Grad Celsius vernetzt.
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Bevorzugte Ausführungsformen:
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Der
Stoff kann aus 1 bis 5% eines Aminoalkylsilans in Kombination mit
1 bis 5% Pentan- oder Hexandiol in Wasser gelöst bestehen.
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Dann
werden die Seltene-Erden-Magnetkörper,
die in einer Trommel als Schüttgut
vorliegen, zunächst
in den Stoff getaucht und nachfolgend im Trommeltrockner bei 80
bis 100 Grad Celsius getrocknet. Für die Erzeugung dickerer Schichten
im Bereich von 1 bis 10 Mikrometer Schichtdicke empfiehlt sich eine
mehrmalige Beschichtung oder die Beschichtung im Sprühglockenverfahren.
Darauf wird der Lack bei Temperaturen zwischen 140 und 160 Grad
Celsius eingebrannt beziehungsweise vernetzt.
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Vorzugsweise
erfolgt vor der Beschichtung eine Reizung und Phosphatierung.
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Variante:
Phosphatierte Neodym-Eisen-Bor-Magnete mit den Abmessungen 20 × 8 × 2 mm werden
im Trommelverfahren in eine Lösung
aus γ-Aminopropyl-triethoxysilan
(4 Volumenprozent) und 1,6-Hexandiol (2 Volumenprozent) mit Wasser als
Lösemittel
eingetaucht. Anschließend
findet eine Trocknung im drehenden Trommeltrockner bei 80 Grad Celsius
und Anwendung von Umluft in ca. 30 Minuten statt. Danach wird der
Lackfilm ca. 15 Minuten bei 150 Grad Celsius eingebrannt/vernetzt.
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Versuche
zeigen, dass die nach der ersten Variante beschichteten Magnete
nach Benetzung mit Wasser und 7-tägiger Lagerung keinerlei Rost
oder Korrosion aufweisen. Lediglich phosphatierte Vergleichsmagneten
sind unter gleichen Bedingungen nach dieser Zeit stark verrostet.
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Lagert
man die genannten Körper
7 Tage lang in 5%iger Kochsalzlösung,
so stellt man ebenfalls keinen Rotrost oder sonstige Korrosion fest.
Ein nur phosphatierter Vergleichsmagnet weist stark voluminöse Rotrostausbildung
auf.
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Weitere
Variante: Phosphatierte Neodym-Eisen-Bor-Magnete der Abmessungen
20 × 8 × 2 mm werden
im Trommelverfahren mit einer Lösung
aus γ-Aminopropyl-triethoxysilan
(2 Volumenprozent), γ-Methacryloxypropyltrimethoxysilan
(2 Volumenprozent) und 1,8-Octandiol (2 Volumenprozent), gelöst in einem
Gemisch aus Wasser und Isopropanol im Verhältnis 70 zu 30 Volumenprozent
getaucht. Anschließend
werden die Magnete im Trommeltrockner bei 80% Celsius Umlufttemperatur
30 Minuten lang ge trocknet. Der Lackfilm wird bei 150 Grad Celsius für 15 Minuten
eingebrannt. Die Auslagerungsversuche liefern ebenso gute Ergebnisse
wie bei der zuerst genannten Variante.
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Zusammenfassend
ist festzustellen, dass die Verwendung des Stoffes zur Beschichtung
von Seltene-Erden-Magneten sowie das Verfahren zur Beschichtung
und die so beschichteten Magnetkörper einer
hervorragenden Korrosionsbeständigkeit
dienen, wobei andererseits durch die Verwendung wässriger
Chemie die Umweltbelastung gering gehalten beziehungsweise Bedienpersonal
wenig belastet wird und der prozesstechnische Aufwand äußerst gering
ist.