Metallkunde und Werkstoffauswahl – Titan und Nickelwerkstoffe einordnen
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Metallkunde und Werkstoffauswahl – Titan und Nickelwerkstoffe einordnen
Kurzbeschreibung: Titan- und Nickelwerkstoffe sind keine universellen Standardlösungen. Sie werden vor allem dort gewählt, wo besondere Anforderungen an Korrosion, spezifische Festigkeit, Temperaturbeständigkeit oder Funktionswerkstoffe bestehen. Du lernst, typische Vertreter einzuordnen und für einen konkreten Ausbildungsfall begründet auszuwählen.
Sicherheitsgrenze: Praktische Werkstattarbeiten dürfen nur nach betrieblicher Unterweisung, Gefährdungsbeurteilung und mit zuständiger Aufsicht durchgeführt werden. Dieser Kurs erteilt keine Arbeitsfreigabe und ersetzt weder Betriebsanweisungen noch Werkstoff-, Maschinen- oder Verfahrensfreigaben.
Titan: geringe Dichte, gute spezifische Festigkeit und in vielen Medien hohe Korrosionsbeständigkeit.
Nickel: deutlich höhere Dichte; als Reinnickel und besonders in Nickelbasislegierungen für spezielle chemische und thermische Belastungen wichtig.
Einleitung
Bei der Werkstoffauswahl zählt nicht der „beste“ Werkstoff, sondern der Werkstoff, dessen Eigenschaften zum Einsatzfall passen. Titan kann Gewicht und Korrosionsprobleme lösen. Nickelbasislegierungen können hohe Temperaturen, Korrosion und mechanische Belastung kombinieren. Beides hat einen Preis: Werkstoffe, Bearbeitung, Prüfungen und Beschaffung sind oft aufwendiger als bei üblichen Stählen.
Lernziele
Nach dem Kurs kannst Du Titan- und Nickelwerkstoffe nach Werkstoffgruppe, Eigenschaft und typischer Anwendung unterscheiden. Du kannst Kennwerte aus Datenblättern lesen, Mess- und Prüfwerte vorsichtig einordnen und eine begründete Vorauswahl treffen. Du erkennst außerdem, wann eine Auswahl ohne Werkstoffzeugnis, Normbezug und betriebliche Freigabe nicht belastbar ist.
Ausbildungsfall: Zwei Bauteile, vier Werkstoffe
Du arbeitest in der Ausbildung in der Instandhaltung einer kleinen Prozessanlage. Für zwei Ersatzteile liegen vier Werkstoffkarten auf dem Tisch:
| Werkstoff | Kurzprofil | Typischer Auswahlgrund |
|---|---|---|
| Titan Grade 2, 3.7035 | kommerziell reines Titan | Korrosionsbeständigkeit, geringe Dichte |
| Ti-6Al-4V, Grade 5, 3.7165 | α+β-Titanlegierung | hohe Festigkeit bei geringer Dichte |
| Nickel 200 | technisch reines Nickel | spezielle chemische Beständigkeit, insbesondere in geeigneten Laugenmilieus |
| Alloy 718 | aushärtbare Nickel-Chrom-Superlegierung | hohe Festigkeit bei erhöhter Temperatur |
Bauteil A: Rohr eines Wärmetauschers mit chloridhaltigem Kühlwasser bei mäßiger Temperatur.
Bauteil B: hoch belastetes Befestigungsteil in einem heißen Gasbereich um etwa 650 °C.
Deine Aufgabe: Wähle jeweils einen sinnvollen Kandidaten und begründe mit der entscheidenden Beanspruchung. Die endgültige reale Auswahl müsste zusätzlich Norm, Geometrie, Lastkollektiv, Medium, Temperaturverlauf, Fertigung, Kosten und Freigaben berücksichtigen.
Gestufte Hilfen zum Ausbildungsfall
Hilfe 1: Markiere zuerst den dominierenden Auswahlgrund: Korrosion oder Hochtemperaturfestigkeit?
Hilfe 2: Für chloridhaltige Wässer ist Titan Grade 2 ein typischer Kandidat. Für hohe mechanische Beanspruchung bei erhöhter Temperatur ist Alloy 718 ein typischer Kandidat.
Hilfe 3: Prüfe, warum die jeweils anderen Werkstoffe zwar besondere Eigenschaften besitzen, aber nicht automatisch besser passen.
Begründetes Feedback: Für Bauteil A ist Titan Grade 2 plausibel, weil dieser Werkstoff in chloridhaltigen Kühl- und Meerwasseranwendungen eingesetzt wird. Für Bauteil B ist Alloy 718 plausibel, weil diese Nickelbasislegierung hohe Festigkeit mit Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit verbindet. Das ist eine Ausbildungs-Vorauswahl, keine reale Bauteilfreigabe.
Kurze Lerneinheiten
Lerneinheit 1: Titanwerkstoffe einordnen
Titanwerkstoffe werden grob in kommerziell reine Titanqualitäten und Titanlegierungen eingeteilt. Bei Legierungen sind α-, β- und α+β-Gefüge wichtig.
| Gruppe | Beispiel | Merksatz |
|---|---|---|
| Reintitan | Grade 2 / 3.7035 / UNS R50400 | mäßige Festigkeit, sehr gute Korrosionsbeständigkeit |
| α+β-Titanlegierung | Ti-6Al-4V / Grade 5 / 3.7165 | deutlich höhere Festigkeit bei weiterhin geringer Dichte |
Mikrostruktur statt Farbe: Das BSE-Bild zeigt ein äquiaxiales Gefüge von Ti-6Al-4V. Für die Werkstoffidentifikation reicht die äußere Farbe eines Metallteils nicht aus.
Anwendungshinweis: Titanlegierungen werden unter anderem in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt, wenn geringe Masse und hohe Festigkeit zusammen wichtig sind.
Videoimpuls: Achte darauf, welche Eigenschaften des Elements Titan erklärt werden. Übertrage diese nicht ungeprüft auf jede Titanlegierung.
Lerneinheit 2: Nickelwerkstoffe einordnen
„Nickelwerkstoff“ kann sehr Unterschiedliches bedeuten. Reinnickel, Nickel-Kupfer-, Nickel-Chrom-, Nickel-Chrom-Molybdän-Legierungen und Nickelbasis-Superlegierungen haben unterschiedliche Einsatzfelder.
| Gruppe | Beispiel | Typisches Profil |
|---|---|---|
| Reinnickel | Nickel 200 | chemische Anwendungen, gute Verformbarkeit, hohe Wärmeleitfähigkeit gegenüber Titan |
| Nickel-Chrom-Superlegierung | Alloy 718 | hohe Festigkeit, Ermüdungs- und Kriechfestigkeit bei erhöhter Temperatur |
| Nickel-Titan | Nitinol | Formgedächtnis und Superelastizität |
Wichtig: INCONEL® ist eine Marke. Nicht jede Nickelbasislegierung heißt Inconel, und nicht jeder Nickelwerkstoff ist eine Superlegierung.
Videoimpuls: Trenne im Kopf das chemische Element Nickel von den technischen Nickellegierungen.
Lerneinheit 3: Messwertansicht – Datenblatt statt Bauchgefühl
Orientierungswerte: Werte hängen von Norm, Produktform und Zustand ab. Sie sind keine Freigabewerte für ein konkretes Bauteil.
| Kennwert | Titan Grade 2 | Nickel 200 | Was bedeutet das für die Auswahl? |
|---|---|---|---|
| Dichte | ca. 4,51 g/cm³ | ca. 8,89 g/cm³ | Titan ist bei gleichem Volumen deutlich leichter |
| Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur | ca. 22 W/(m·K) | ca. 70 W/(m·K) | Nickel 200 leitet Wärme deutlich besser |
| Elastizitätsmodul | ca. 103 GPa | werkstofftypisch deutlich höher als bei Titan | Titanbauteile sind bei gleicher Geometrie elastisch nachgiebiger |
| Festigkeit | abhängig von Grade, Zustand und Produktform | abhängig von Zustand und Produktform | nicht aus einem einzigen Tabellenwert verallgemeinern |
Quellenbezug: Titan Grade 2 nach Alleima-Datenblatt; Nickel 200 nach Special Metals. Prüfe für reale Aufgaben immer das aktuelle Datenblatt und das konkrete Materialzeugnis.
Lerneinheit 4: Festigkeit messen und richtig lesen
Beim Zugversuch werden unter anderem Streckgrenze, Zugfestigkeit und Bruchdehnung ermittelt. Diese Werte beschreiben verschiedene Aspekte des Werkstoffverhaltens.
Merke: Ein hoher Zugfestigkeitswert allein entscheidet keine Werkstoffauswahl. Temperatur, Korrosion, Ermüdung, Kriechen, Fertigung und Sicherheitsanforderungen gehören dazu.
Lerneinheit 5: Härte prüfen – Messwert mit Kontext
Härtewerte sind nur vergleichbar, wenn Prüfverfahren, Skala, Probenvorbereitung und Werkstoffzustand zusammenpassen. Ein Rockwell-Wert ersetzt keine vollständige Werkstoffidentifikation.
Lerneinheit 6: Korrosion und Passivierung
Titan bildet in geeigneten Umgebungen eine dichte Oxidschicht, die wesentlich zu seiner Korrosionsbeständigkeit beiträgt. Nickellegierungen nutzen je nach Legierungssystem unter anderem Nickel, Chrom, Molybdän und weitere Elemente, um bestimmte chemische oder thermische Beanspruchungen zu beherrschen.
Grenze der Kurzregel: Weder Titan noch Nickelbasislegierungen sind „gegen alles korrosionsbeständig“. Medium, Konzentration, Temperatur, Sauerstoffgehalt, Spalte, Fremdmetallkontakt und Spannungen können entscheidend sein.
Lerneinheit 7: Hochtemperatur – hier trennt sich Reinnickel von Superlegierung
Alloy 718 ist eine aushärtbare Nickel-Chrom-Legierung. Sie wird unter anderem in Flugzeug- und Gasturbinenbauteilen, Raketenkomponenten, Befestigungselementen und Instrumententeilen eingesetzt. Für die Ausbildung wichtig: Eine Nickelbasis-Superlegierung wird nicht wegen „viel Nickel“ gewählt, sondern wegen eines gezielt eingestellten Eigenschaftspakets.
Lerneinheit 8: Sonderfall Nitinol
Nitinol ist eine Nickel-Titan-Legierung mit Formgedächtnis- und superelastischen Eigenschaften. Sie zeigt besonders deutlich, dass ein Legierungssystem völlig andere Funktionen besitzen kann als die reinen Ausgangselemente.
Lerneinheit 9: Fertigung und Werkstattbezug
Titan und Nickelbasislegierungen können bei der Bearbeitung anspruchsvoller sein als typische Baustähle. Titan besitzt eine vergleichsweise geringe Wärmeleitfähigkeit. Hochfeste Nickelbasislegierungen behalten auch bei erhöhter Temperatur hohe Festigkeit und können zur Kaltverfestigung neigen.
Für Deine Ausbildung gilt: Keine Schnittwerte, Wärmebehandlungen, Schleif-, Schweiß- oder Bearbeitungsversuche aus diesem Kurs direkt übernehmen. Bearbeitung nur nach Unterweisung, Gefährdungsbeurteilung, Maschinenfreigabe, Werkstoffdaten und zuständiger Aufsicht. Nickelhaltige Stäube und Rauche müssen in der Gefährdungsbeurteilung berücksichtigt werden.
Basis-, Anwendungs- und Transferaufgaben mit Feedback
Basisaufgabe
Aufgabe: Ordne die vier Werkstoffe zu: Titan Grade 2, Ti-6Al-4V, Nickel 200, Alloy 718.
| Werkstoff | Richtige Einordnung |
|---|---|
| Titan Grade 2 | kommerziell reines Titan |
| Ti-6Al-4V | α+β-Titanlegierung |
| Nickel 200 | technisch reines Nickel |
| Alloy 718 | Nickelbasis-Superlegierung |
Feedback: Richtig eingeordnet ist ein Werkstoff erst dann, wenn Du nicht nur den Namen, sondern auch die Werkstoffgruppe erkennst. Das verhindert den Fehler, „Titan“ oder „Nickel“ als einheitliche Werkstoffklasse zu behandeln.
Anwendungsaufgabe
Aufgabe: Ein dünnwandiges Rohr führt chloridhaltiges Kühlwasser. Ein zweites Bauteil sitzt in einem heißen Bereich mit hoher mechanischer Last. Welcher Kandidat passt jeweils besser?
Begründetes Feedback: Titan Grade 2 ist für das Kühlwasserrohr ein typischer Kandidat, weil seine Korrosionsbeständigkeit in chloridhaltigen Wässern technisch genutzt wird. Alloy 718 passt eher zum heißen, hoch belasteten Bauteil, weil seine Festigkeit und Hochtemperatureigenschaften genau dort relevant werden.
Transferaufgabe
Aufgabe: Die Beschaffung meldet: Titan Grade 2 ist teuer, Alloy 718 ist noch teurer, normaler Edelstahl ist verfügbar. Darf allein der Preis entscheiden?
Begründetes Feedback: Nein. Der Preis ist ein wichtiges Auswahlkriterium, aber nur zusammen mit Lebensdauer, Ausfallrisiko, Korrosion, Temperatur, Fertigung, Prüfung und Ersatzteilstrategie. Ein günstiger Werkstoff kann im falschen Medium die teurere Lösung sein. Umgekehrt ist ein Hochleistungswerkstoff unwirtschaftlich, wenn seine besonderen Eigenschaften gar nicht benötigt werden.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Welche Eigenschaft ist für Titan im Leichtbau besonders wichtig? (Hohe spezifische Festigkeit) (!Sehr hohe Dichte) (!Sehr hohe Wärmeleitfähigkeit) (!Immer höchste Härte)
Welcher Werkstoff ist kommerziell reines Titan? (Titan Grade 2) (!Ti-6Al-4V) (!Alloy 718) (!Nitinol)
Welche Werkstoffgruppe beschreibt Ti-6Al-4V am besten? (Alpha-Beta-Titanlegierung) (!Reinnickel) (!Nickel-Kupfer-Legierung) (!Baustahl)
Welcher Werkstoff ist eine Nickelbasis-Superlegierung? (Alloy 718) (!Titan Grade 2) (!Nickel 200) (!Reinaluminium)
Wofür ist Titan Grade 2 ein typischer Kandidat? (Chloridhaltige Wärmetauscheranwendung) (!Ungeprüfte Universalersetzung jedes Stahls) (!Ausschließlich elektrische Heizdrähte) (!Nur dekorative Beschichtungen)
Welche Aussage zur Wärmeleitfähigkeit trifft im Vergleich der gezeigten Datenblätter zu? (Nickel 200 leitet Wärme deutlich besser als Titan Grade 2) (!Titan Grade 2 leitet Wärme deutlich besser als Nickel 200) (!Beide besitzen exakt dieselbe Wärmeleitfähigkeit) (!Wärmeleitfähigkeit ist bei Metallen nicht messbar)
Warum reicht ein einzelner Härtewert nicht zur Werkstoffauswahl? (Weil auch Prüfverfahren Zustand und Einsatzbedingungen berücksichtigt werden müssen) (!Weil Härte nur bei Kunststoffen messbar ist) (!Weil Härte immer der Dichte entspricht) (!Weil jede Legierung dieselbe Härte besitzt)
Welche Eigenschaft ist für Nickelbasis-Superlegierungen besonders typisch? (Hohe Festigkeit bei erhöhter Temperatur) (!Extrem geringe Dichte wie Magnesium) (!Vollständige Korrosionsfreiheit in jedem Medium) (!Sehr niedriger Schmelzpunkt als Auswahlziel)
Was ist Nitinol? (Eine Nickel-Titan-Legierung mit Formgedächtniseffekt) (!Eine reine Titansorte) (!Ein unlegierter Baustahl) (!Eine Aluminium-Kupfer-Legierung)
Was muss vor praktischen Werkstattarbeiten mit diesen Werkstoffen vorliegen? (Unterweisung Gefährdungsbeurteilung und zuständige Aufsicht) (!Nur ein Internetvideo) (!Nur eine private Werkzeugliste) (!Nur der Werkstoffname)
Memory
| Titan Grade 2 | Korrosionsbeständiger Reintitanwerkstoff |
| Ti-6Al-4V | Alpha-Beta-Titanlegierung |
| Nickel 200 | Technisch reines Nickel |
| Alloy 718 | Aushärtbare Nickelbasis-Superlegierung |
| Passivschicht | Schutzwirkung durch dichte Oxidschicht |
| Spezifische Festigkeit | Festigkeit bezogen auf die Dichte |
| Kriechfestigkeit | Widerstand gegen zeitabhängige Verformung |
| Nitinol | Formgedächtnislegierung |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Thema |
|---|---|
| Titan Grade 2 | Chloridhaltiger Wärmetauscher |
| Ti-6Al-4V | Leichtes hochfestes Bauteil |
| Nickel 200 | Spezielle chemische Apparatur |
| Alloy 718 | Hochbelastetes Heißteil |
| Nitinol | Formgedächtnis-Aktor |
| Werkstoffzeugnis | Rückverfolgbare Materialdaten |
Kreuzworträtsel
| Titan | Welches Metall steht für geringe Dichte und hohe spezifische Festigkeit? |
| Nickel | Welches Metall ist Basis vieler Hochtemperaturlegierungen? |
| Korrosion | Wie heißt die schädigende Reaktion eines Werkstoffs mit seiner Umgebung? |
| Kriechen | Wie heißt die zeitabhängige Verformung unter Last bei erhöhter Temperatur? |
| Nitinol | Wie heißt eine Nickel-Titan-Legierung mit Formgedächtniseffekt? |
| Passivschicht | Wie heißt die schützende Oberflächenschicht vieler korrosionsbeständiger Metalle? |
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Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Werkstoffkarte erstellen: Gestalte je eine kompakte Karte für Titan Grade 2 und Nickel 200 mit Werkstoffgruppe, zwei Eigenschaften und einer typischen Anwendung.
- Werkstoffbild analysieren: Beschreibe an zwei der eingebundenen Bilder, welche Informationen ein Foto liefern kann und welche Werkstoffdaten es nicht beweist.
- Kennwerte vergleichen: Übertrage Dichte und Wärmeleitfähigkeit von Titan Grade 2 und Nickel 200 in ein eigenes Balkendiagramm und formuliere zwei Aussagen dazu.
- Begriffe erklären: Erkläre in eigenen Worten spezifische Festigkeit, Passivschicht und Kriechfestigkeit.
Standard
- Ausbildungsfall begründen: Schreibe für Bauteil A und B jeweils eine kurze Werkstoffbegründung mit Beanspruchung, Eigenschaft und Werkstoff.
- Datenblatt lesen: Suche in einem aktuellen Herstellerdatenblatt nach Norm, Dichte, Festigkeitswert und zulässigem Zustand eines der vier Kurswerkstoffe.
- Prüfplan entwerfen: Erstelle einen theoretischen Prüfplan zur Werkstoffkontrolle mit Sichtprüfung, Zeugnisprüfung, Härteprüfung und Zugversuch. Keine praktische Durchführung.
- Fehlerhafte Aussage prüfen: Widerlege die Aussage „Inconel ist einfach nur besonders hartes Nickel“ mit mindestens drei fachlichen Argumenten.
Schwer
- Nutzwertanalyse entwickeln: Vergleiche Titan Grade 2, Ti-6Al-4V und Alloy 718 für einen erfundenen Einsatz mit Kriterien wie Masse, Temperatur, Korrosion, Fertigung und Kosten.
- Substitution bewerten: Prüfe, unter welchen Bedingungen ein Standardstahl einen Sonderwerkstoff ersetzen könnte und welche Nachweise dafür nötig wären.
- Fachinterview vorbereiten: Entwickle acht Fragen für eine Fachkraft aus Qualitätssicherung, Konstruktion oder Fertigung zur realen Werkstofffreigabe.
- Erklärvideo planen: Entwirf ein zweiminütiges Storyboard zum Thema „Warum der teuerste Werkstoff nicht automatisch der richtige ist“.
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Lernkontrolle
- Beanspruchung in Auswahlkriterien übersetzen: Du erhältst ein Bauteil mit Chloridkontakt, wechselnder Last und 120 °C Betriebstemperatur. Leite zuerst Auswahlkriterien ab, bevor Du einen Werkstoff nennst.
- Titan gegen Nickelbasis abgrenzen: Begründe, warum Titan Grade 2 und Alloy 718 trotz beider hoher Korrosionsbeständigkeit nicht als direkte Alternativen betrachtet werden dürfen.
- Messwerte bewerten: Zwei Proben zeigen ähnliche Härtewerte. Erkläre, warum daraus keine sichere Werkstoffgleichheit folgt.
- Schadensfall analysieren: Ein ursprünglich korrosionsbeständiges Bauteil versagt nach Änderung von Medium und Temperatur. Nenne systematisch mindestens vier zu prüfende Ursachen.
- Datenblattentscheidung begründen: Erkläre, warum ein typischer Herstellerwert nicht automatisch ein garantierter Mindestwert für jedes Halbzeug ist.
- Beschaffung und Technik verbinden: Entwickle eine kurze Entscheidungsregel, die technische Eignung, Beschaffungskosten und Lebenszyklus gemeinsam berücksichtigt.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis zu diesem Thema solltest Du zeigen, dass Du:
- Werkstoffgruppen korrekt unterscheidest.
- Kennwerte aus Tabellen und Datenblättern mit Einheit und Kontext lesen kannst.
- Titan Grade 2 und Ti-6Al-4V fachlich auseinanderhältst.
- Nickel 200 und eine Nickelbasislegierung wie Alloy 718 fachlich auseinanderhältst.
- Werkstoffauswahl aus Beanspruchung, Eigenschaft und Einsatz begründest.
- Prüfverfahren nicht mit Werkstoffidentifikation verwechselst.
- Sicherheits- und Freigabegrenzen der praktischen Arbeit benennen kannst.
- Deine Entscheidung mit Quelle, Norm oder Datenblatt absicherst.
Fachquellen und Medienrechte
Fachquellen:
- Alleima: Ti Grade 2 – aktuelle technische Daten zu Dichte, Wärmeleitfähigkeit, mechanischen Eigenschaften und Anwendungen.
- Carpenter Technology: Ti-6Al-4V – Einordnung als α+β-Legierung, Eigenschaften und Anwendungen.
- Special Metals: Nickel 200 – physikalische und mechanische Kennwerte.
- Special Metals: INCONEL Alloy 718 – Zusammensetzung, Eigenschaften, Wärmebehandlung und Anwendungen.
- Nickel Institute: Nickel Alloys – Einordnung verschiedener Nickellegierungsgruppen.
- NIOSH: Nickel metal and other compounds – Arbeitsschutzinformationen zu Nickel.
- Wikipedia: Titan – Überblick zu Titan und Titanlegierungen.
- Wikipedia: Nickelbasislegierung – Überblick zu Nickelbasiswerkstoffen.
Geprüfte Wikimedia-Commons-Medien:
| Datei | Rechtehinweis |
|---|---|
| Titanium crystal bar.jpg | Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0 / GFDL |
| Nickel chunk.jpg | Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0 / GFDL |
| Ti-6Al-4V microstructure.tif | Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0 |
| Inconel 718.JPG | Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0 / GFDL |
| Titanium turbine blade from an unknown aircraft.jpg | Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0 |
| Rockwell hardness tester 001.jpg | Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0 / GFDL |
| Dureza rockwell.png | Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0 |
| Stress-strain curve.svg | Wikimedia Commons, Public Domain |
| Tensile specimen nomenclature.svg | Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0 / GFDL |
| Nitinol draht.jpg | Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0 |
YouTube: Die beiden Videos stammen von „Periodic Videos“ aus dem Umfeld der School of Chemistry der University of Nottingham. Sie werden nur über die offizielle YouTube-Einbettung verlinkt. Eine YouTube-Einbettung macht das Video nicht automatisch zu einer frei lizenzierten OER-Datei; Rechte und Verfügbarkeit verbleiben beim jeweiligen Anbieter.
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