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Induktive Sensoren (LVDT)

Als Spezialist für Weg-, Abstands- und Positionsmesstechnik möchten wir, die eddylab GmbH, Ihnen auf dieser Seite die Technologie der induktiven Sensoren (LVDT) näher bringen und die Möglichkeiten und Vorteile unserer Wegaufnehmer erläutern. Dies soll Ihnen als Kunde helfen, den richtigen Sensor für Ihre Anwendung zu finden und durch das Verständnis der Grundlagen und charakteristischen Eigenschaften dieser Sensorart einen bestmöglichen Betrieb sicherstellen.

Funktionsweise von LVDT Sensoren

Ein LVDT (Linear Variable Differential Transformer) ist ein analoger Sensor zur Wegmessung. Im Inneren arbeitet ein Spulensystem, bestehend aus einer Primärwicklung und zwei Sekundärwicklungen und wandelt die lineare Bewegung in ein elektrisches Signal.

Von der Elektronik, auch Trägerfrequenzmessverstärker genannt, wird die Primärspule mit einer Wechselspannung gespeist. Ein ferromagnetischer Kern, der im Inneren der rohrförmigen Spulen sitzt und üblicherweise mit dem zu messenden Objekt verbunden ist, induziert Spannung in die Sekundärspulen (Usec).

In der Mittelposition ist der Betrag von Sekundärspule 1 und Sekundärspule 2 gleich groß und hebt sich damit auf. Wird der Kern aus der Mitte herausbewegt, steigt die Spannung in der Spule, in dessen Richtung der Kern verschoben wird. In der anderen Spule sinkt die Spannung (s. Abbildung).



Das Verhältnis dieser Spannungen wird von der Elektronik differentiell ausgewertet und üblicherweise in ein normiertes Ausgangssignal (0...10 V, 4...20 mA, etc.) transformiert. Innerhalb des spezifizierten Messbereiches weisen LVDT-Sensoren eine sehr gute Linearität auf. Die Erweiterung des Messbereichs ist oftmals möglich unter Berücksichtigung einer stärkeren Linearitätsabweichung.

Aufbau von LVDT's

Der ferromagnetische Kern besitzt ein Innengewinde, über das eine sogenannte Kernverlängerung aus antimagnetischem Material montiert wird. Dieser Stößel wird in der Regel an dem sich bewegenden Objekt befestigt und läuft berührungslos im Sensor. Alternativ kann ein LVDT auch mit einer Stößellagerung ausgeführt werden.

Die dritte und zugleich beliebteste Bauform ist der Federtastmechanismus. Über eine im Sensor integrierte Präzisionslagerung und Rückstellfeder kann so auf Objekte gemessen werden, an denen es nicht möglich oder gewünscht ist, eine Bohrung zur Stößelmontage anzubringen. Das Außengehäuse aus rostfreiem Edelstahl oder verchromtem Stahl dient zugleich als magnetische Abschirmung gegenüber externen Störeinflüssen. Zusätzlich kann das Spulensystem mit einer speziellen Abschirmfolie umwickelt werden.

Primär- und Sekundärwicklungen werden je nach Anforderung unterschiedlich ausgeführt. Das untere Bild zeigt eine Langspule in Lagenwicklung, mit der sich sehr gute Linearitäten erreichen lassen. Andere Wickeltechniken bieten zum Teil einen einfacheren Aufbau, was fertigungstechnische Vorteile bringt, oder können ein besseres Verhältnis aus Spulenlänge und Messbereich aufweisen. Das Spulensystem kann als elektrische Halb- oder Vollbrücke geschaltet werden. Alle eddylab LVDT Sensoren werden grundsätzlich als Vollbrücke gebaut. Dies bringt große Vorteile bei der Kompensation von Temperaturfehlern (geringer Temperaturkoeffizient) und macht das Messsystem unempfindlich gegenüber äußeren Störeinflüssen (EMV).


Abb.: Schematischer Aufbau eines LVDT

 

Betriebsarten von LVDT's

LVDT´s der eddylab GmbH werden idealerweise mit einer eddylab Auswerteelektronik, oder Trägerfrequenzmessverstärker genannt, betrieben. Dies garantiert beste Performance und stellt für den Kunden die schnellste und einfachste Möglichkeit dar, einen induktiven Sensor zu installieren. Selbstverständlich ist sowohl der Betrieb als AC-Version ohne Messverstärker möglich, als auch der Anschluss an eine Elektronik eines Fremdherstellers.

Die eddylab Produktphilosophie schreibt vor, empfindliche Bauteile aus dem Sensor zu entfernen, um möglichst robuste Sensoren zu erhalten, die Vibration, Schock und extremer Temperatur widerstehen.

Sogenannte DC-LVDT´s mit integrierter Elektronik haben oftmals eine obere Betriebstemperatur von nur +85°C und weisen einen höheren Temperaturkoeffizienten auf (Änderung des Ausgangssignals in Folge von Temperaturänderung ohne Bewegung des Kerns). Unsere LVDT´s hingegen können standardmäßig bis 120°C dauerhaft betrieben werden, optional sind Geräte bis 200°C und 230°C erhältlich.

Der Messverstärker findet geschützt Platz im Schaltschrank oder wird integriert in das Sensoranschlusskabel als Kabelelektronik. Darüber hinaus bietet eine externe Elektronik weitere entscheidende Vorteile:

  • nachträgliche Anpassung von Nullpunkt und Verstärkung an die Applikation bzw. Ausgleich von Einbautoleranzen
  • kürzere Sensorbauform, da Platz für Platine entfällt
  • erweiterter Funktionsumfang: Einstellung der Trägerfrequenz, Kompensation der Phasenverschiebung, Variation der Filterstruktur und Ausgangssignale (4...20 mA, 0...20 mA, 0...10 V, 0...5 V, 0,5...4,5 V, ±5 V, ±10 V), Kabelbrucherkennung, etc.

Im Sensorgehäuse integrierte Messverstärker sind einfacher aufgebaut. Sie bieten den Vorteil der „All-in-one“-Lösung und geben direkt ein analoges Signal aus. Es wird kein zusätzlicher Platz für eine Elektronik benötigt und bei großen Stückzahlen bieten sich Kostenvorteile.

Einsatzgebiete

LVDT´s sind durch ihre vielfältigen Bauformen fast universell einsetzbar. Unter Laborbedingungen werden sie gerne zur Qualitätsüberwachung eingesetzt, in Maschinen zur kontinuierlichen Überwachung der Fertigung.

Ihr volles Potential schöpfen sie jedoch bei anspruchsvollen Anwendungen aus. Typisch sind hier Applikationen, bei denen es auf hohe Lebensdauer und Zuverlässigkeit ankommt (Militär, Luftfahrt, Turbinen, Kraftwerke, Fabrikautomation, etc.).

Die Robustheit in Bezug auf Störempfindlichkeit, extreme Betriebstemperaturen, schnelle Temperaturwechsel und Vibrationen qualifizieren sie für anspruchsvolle Anwendungen in allen industriellen Bereichen. Hohe IP-Schutzklassen und hochwertige Gehäusematerialien wie Edelstahl und Titan machen Applikationen unter Wasser möglich. Unbeschadet überstehen diese Wegaufnehmer auch den Kontakt mit aggressiven Chemikalien, beispielsweise zur Reinigung oder Desinfektion in Maschinen zur Lebensmittelproduktion bzw. Verpackungsanlagen. Die druckdicht konstruierten Versionen werden zur Steuerung und Regelung in Hydraulikzylindern, Servoventilen und Pneumatikzylindern eingebaut.

Eigenschaften

Technische Spezifikationen von induktiven Sensoren lassen sich in weiten Grenzen verschieben durch Anpassung der Konstruktion, die sorgfältige Auswahl der verwendeten Materialien und eingesetzten Fertigungstechnologien. Unabhängig davon ändern sich die grundlegenden herausragenden Eigenschaften des LVDT Messprinzips jedoch nicht:

  • Durch das differentielle Messprinzip werden Störungen „herausgefiltert“ (Differentialdrossel).
  • Das absolute Messprinzip dieser Sensoren ist ein großer Vorteil gegenüber inkrementellen Wegaufnehmern. Selbst nach einem Ausfall der Spannungsversorgung ist die Sensorposition immer eindeutig. Es muss keine Referenzmarke angefahren werden, um die Position zu bestimmen.
  • Das berührungslose Messprinzip ohne Kontakt zwischen Spule und Kern ist „verschleißfrei“ und verspricht bei der Ausführung mit freiem Stößel eine theoretisch unendliche mechanische Lebensdauer. Berührend messende Sensoren wie Linearpotentiometer haben hier einen entscheidenden Nachteil. Der fortwährende Kontakt zwischen Schleifer und Leiterbahn begrenzt deren Lebensdauer merklich.
  • LVDT´s weisen eine sehr gute Linearität bzw. geringe Linearitätsabweichung auf. Typisch sind 0,20 bis 0,30 % vom Messbereich. Auf Wunsch sind hier natürlich auch geringere Werte erzielbar.
  • Im Fall des ungelagerten Stößels entsteht im Sensor keinerlei mechanische Reibung. Die Auflösung ist hier theoretisch unendlich fein und wird nur begrenzt durch das Rauschverhalten des Messkreises (vornehmlich der Elektronik).
  • Induktive Sensoren reagieren ausschließlich auf axiale Verschiebungen des Kerns. Gegenüber radialem Versatz des Stößels, der bei außermittigem Einbau oder nicht hundertprozentig geradliniger Bewegung des Messobjektes auftreten kann, sind die Wegaufnehmer unempfindlich und Ausgangssignal wird nicht beeinflusst.

Bauformen unserer LVDT's

Die eddylab GmbH bietet LVDT Sensoren mit Messbereichen von ±1 mm (2 mm) bis zu ±300 mm (600 mm) an. Das Standardprogramm teilt sich in vier verschiedene Baureihen auf und stellt sicher, für fast jede Anwendung ein passendes Messsystem anbieten zu können:

  • Die Standardserie SM mit einem Gehäusedurchmesser von 12 mm kann als Variante mit freiem Stößel, gelagertem Stößel oder Federtaster ausgeführt werden. Offene Bauformen mit durchgehender Sensorbohrung eignen sich für extreme Verschmutzungen. Alle Geräte können mit festem Kabelausgang oder M12 Steckverbinder in radialer oder axialer Richtung ausgestattet werden. Der Federtastmechanismus bietet zusätzlich einen Spanndurchmesser von 8 mm und kann durch den Einsatz eines Faltenbalges vor Feuchtigkeit und Schmutz geschützt werden. Alternativ steht eine Variante mit kombiniertem Abstreif- und Dichtring zur Verfügung. Beispiele der SM-Serie:


     


  • Die unverwüstliche SL-Serie trotzt härtesten Bedingungen durch die komplette Edelstahlausführung und einem äußerst robusten Stößel mit 8 mm Durchmesser. Die eddylab GmbH bietet neben der Ausführung freier Kern, einen kompletten Stößel, einen gleitgelagerten Stößel sowie eine Bauform mit Gelenkköpfen an. Letztere Variante bietet eine einfache Installation und gleicht durch die Gelenkköpfe Einbautoleranzen (z. B. radialer Versatz) aus und ermöglicht gleichzeitig Anwendungen, die beispielsweise einer kreisförmigen Bewegung folgen. Beispiele der SL-Serie:


  • Die Hydraulikserie HYD wurde konzipiert für den Zylindereinbau. Der Sensorkörper ragt bis auf den Montageflansch in den Hydraulikzylinder und widersteht Drücken von bis zu 400 bar. Mit diesen Sensoren zur Erfassung der Kolbenposition lässt sich eine Regelung der Zylinder realisieren. Beispiele der Serie SM-HYD:

 

 

 


  • Zur Bestimmung der Position bei Drücken bis 150 bar in Hydraulik- oder Pneumatikzylindern sowie Servoventilen bietet sich die F18-Serie an. Die Sensoren bieten ebenfalls einen Gewindeflansch zum Einschrauben. Im Gegensatz zur HYD-Serie befindet sich bei dieser Bauform der Großteil des Sensorgehäuses außerhalb des Zylinder bzw. Ventils. Die F18-Serie ist auch als Federtaster lieferbar, so dass lediglich eine Montagebohrung für den Flansch gefertigt werden muss. Beispiele der Serie SM-HYD-F18:

Die Vorteile unserer Sensoren

Bei allen eddylab Sensoren können Sie sich auf Präzision bis in den Submikrometerbereich verlassen.
Bei der Entwicklung der induktiven Wegaufnehmer wurde großer Wert auf folgende Eigenschaften gelegt:

  • hohe Genauigkeit und sehr gute Linearität
  • Wiederholgenauigkeiten im Bereich von bis zu 0,1 µm
  • Einsatz in anspruchsvollen Anwendungen durch extern untergebrachte Elektronik
  • kompakte Bauformen mit günstigem Verhältnis von Messbereich / Gehäuselänge
  • unzählige Konfigurationsmöglichkeiten zur optimalen Anpassung an Applikation
  • sehr guter Temperaturkoeffizient
  • zahlreiche Signalausgänge, Kabelbrucherkennung und vielfältige Einstellmöglichkeiten an Extern- oder Kabelelektronik
  • komplett kalibrierte Messkette inkl. rückführbarem Kalibrierzertifikat

Installations- und Warnhinweise

  • Sensor und Kabel bilden mit der Elektronik ein rückführbar justiertes und kalibriertes Messmittel. Bitte beachten Sie, dass durch Veränderungen am Kabel oder der Elektronik (Justage) diese Kalibrierung seine Gültigkeit verliert. Die Zuordnung Sensor-Elektronik entnehmen Sie bitte dem Kalibrierprotokoll oder der Aufschrift am Gerät, gekennzeichnet über die Seriennummer. Vertauschen Sie nicht die Kanäle. Sollte ein Kürzen oder Verlängern des Kabels notwendig sein, so nehmen Sie bitte einen erneuten Feinabgleich der Elektronik vor. Generell gilt, dass ausschließlich geschirmte Kabel verwendet werden und die Kabellänge zwischen Sensor und Elektronik so kurz wie möglich sein sollte, um den Einfluss von externen Störquellen zu minimieren.
  • Verlegen Sie das Kabel geschützt und vermeiden Sie die Kabelführung an scharfkantigen Objekten. Ein gequetschtes oder anderweitig beschädigtes Kabel kann das Signal verfälschen oder den Sensor unbrauchbar machen, falls Medien in das Kabel eindringen und sich darin ausbreiten.
  • Vermeiden Sie Zug und Torsion des Kabels. Drehen Sie niemals Sensoren in Halterungen ein oder aus, ohne das Kabel vorher von Befestigungen zu lösen.
  • Kernverlängerungen (im Fall der Variante „Anker / freier Kern") dürfen nicht aus ferromagnetischem Material bestehen. Aluminium und Messing sind ebenfalls unbrauchbar. Wir empfehlen Ihnen, einen austenitischen Edelstahl (1.4301, 1.4571) oder Titan zu verwenden. Bitte beachten Sie, dass einige Metalle wie 1.4305 durch die Bearbeitung einen Restmagnetismus aufweisen können und dadurch das Messergebnis beeinflussen. Kunststoffe sind prinzipiell geeignet, weisen jedoch oft eine unzureichende Festigkeit sowie einen hohen Temperaturausdehnungskoeffizienten auf.
  • Schützen Sie die Elektronik vor Feuchtigkeit und Nässe.
  • Versuchen Sie nicht, den Sensor zu öffnen. Dies führt zum Verlust des Garantieanspruches und könnte den Sensor zerstören.
  • Die Sensoren sind nicht für den Einsatz in stark strahlender Umgebung geeignet (Atomkraftwerke).
  • Spannen Sie die Sensoren der SM-Serie auf dem Außendurchmesser. Eine Klemmung über einen geschlitzten Montageblock (s. Zubehör SM-Serie) lässt eine axiale Verschiebung des Sensorkörpers zu und vereinfacht somit ungemein den Einbau des Sensors und die Einstellung des Nullpunktes respektive Messbereichsanfangs. Das Fixieren des Sensorgehäuses mittels radialem Gewindestift (Madenschraube, Schraube) ist dank robustem Aufbau problemlos möglich. Bei der Verwendung von Stahlschrauben wird jedoch das Gehäuse oftmals beschädigt, so dass ein axiales Verschieben oder die Demontage erschwert wird. Wenn sich nur diese Befestigungsmöglichkeit bietet, empfehlen wir den Einsatz von Messing- oder Kunststoffschrauben. Die Federtaster der SM-Serie können alternativ über den Klemmbund mit 8 mm Durchmesser befestigt werden. Bitte Verwenden Sie für das Einschrauben des Stößels mit Außengewinde Schraubensicherung (z. B. Loctite 243) oder die mitgelieferte Kontermutter.
  • Beim Einbau von Sensoren der SL-Serie gelten ebenfalls die Hinweise der SM-Serie. Für Geräte mit Gelenkköpfen empfehlen wir als Gegenstück Bolzen der Toleranz ø8g7. Die Gelenkköpfe sind wartungsfrei und müssen nicht nachgeschmiert werden.
  • Für Wegaufnehmer der HYD und F18-Serie muss das Einschraubgewinde des Gegenstücks nach DIN ISO 6149 ausgeführt werden, um die Druckdichtigkeit zu gewährleisten.

     


Abb: Beispiel Einbau Hydraulikzylinder

Einbauhinweise Elektronik

  • Die Externelektronik IMCA ist für DIN-Schienenmontage im Schaltschrank konzipiert. Wählen Sie daher einen trockenen und vorzugsweise temperaturstabilen Ort für die Installation der Elektronik wie z. B. Schaltschränke, Klemmkästen, Umgehäuse und dgl.
  • Bitte achten Sie auf den richtigen Anschluss der Versorgungsspannung zum Gerät. Ein versehentliches Anschließen der Versorgungsspannung am Signalausgang könnte das Gerät zerstören.
  • Verdrahten Sie die Versorgungsleitung, Sensorleitungen und Ausgangsleitungen, bevor Sie die Versorgungsspannung zum Gerät einschalten. Bitte beachten Sie die getrennte Verlegung aller Versorgungs- und Signalleitungen von energieführenden Leitungen wie Zu- und Ableitungen von Umrichtern und Antrieben, Leitungen von Öfen und getakteten Geräten sowie Generatorleitungen und dgl., um Störungen im Signalverlauf zu vermeiden.
  • Bitte verwenden Sie nach Möglichkeit geschirmte Versorgungsleitungen und legen Sie den Schirm einseitig zur Vermeidung von Erdschleifen auf. Achten Sie auf die richtige Versorgungsspannung.

Kabelbrucherkennung

Ein LVDT erzeugt an seinen Sekundärspulen ein Wechselspannungssignal (Usec), abhängig von der Position des Kerns. Dieses Signal geht in der Mitte des Messbereiches gegen Null und steigt an, falls der Stößel aus der Mittelstellung heraus bewegt wird. Die Elektronik formt dieses Signal in ein lineares analoges Ausgangssignal um. Für einen Analogausgang von z. B. 0...10 V wird in der Mittelstellung des Stößels 5 V ausgegeben, für einen Stromausgang von 4...20 mA entsprechend 12 mA. Im Falle eines Kabelbruchs zwischen Sensor und Elektronik liegt kein Signal am Eingang der Elektronik an. Die Sekundärspannung Usec wird durch den Bruch zu Null und dies entspricht der Mittelstellung des Stößels. Herkömmliche Gerate interpretieren dieses Signal irrtümlich als Messbereichsmitte und geben ein falsches Analogsignal aus. Dies kann z. B. bei einer Weiterverarbeitung der Signale durch eine Steuerung zu Fehlfunktionen in einer Anlage oder Maschine führen.

Die neu entwickelte Elektronik der eddylab GmbH besitzt eine integrierte Kabelbrucherkennung. Hierzu dient eine Impedanzmessung der Sekundärspule des LVDT's. Wird das Sensorkabel durchtrennt, ändert sich die Impedanz an der Elektronik unabhängig von der Kernstellung und die Kabelbrucherkennung wird ausgelöst. Voraussetzung ist hierzu die Durchtrennung der Anschlüsse der Sekundärspule des Sensors. Ein Teilbruch lediglich der Anschlüsse zu den Primärspulen aktiviert diese Funktion nicht. Je nachdem, ob eine IMCA oder KAB eingesetzt wird, werden verschiedene Funktionen durch die Kabelbrucherkennung aktiviert:
 

Funktionen bei aktiver Kabelbrucherkennung

IMCA

  1. Freischaltung des Ausgangs über einen Switch. Kein Strom- oder Spannungssignal liegt an.
  2. Rote LED blinkt.
  3. Ein Alarm-Schaltausgang wird aktiviert (Schließer). Kabelbruch ON: 30 Ω, Kabelbruch OFF: ∞, Belastbarkeit max. 30 mA oder ±14 V.

KAB

  1.  -
  2. Rote LED leuchtet durchgängig
  3.  -

Abb.: IMCA Alarmfunktion

Abgleich Elektronik

Die eddylab GmbH achtet bei der werksseitigen Kalibrierung auf bestmögliche Linearität. Aufgrund leicht unterschiedlicher Spulencharakteristiken sowie Einflüsse von anderen verwendeten Bauteilen, kann der Messbereichsanfang leicht variieren. Bitte folgen Sie den Abbildungen, um den Messbereichsanfang des Sensors zu finden.

Bitte beachten Sie, dass sich Nullpunkt und Verstärkung bei großen Leitungslängen zwischen Sensor und Elektronik verschieben können. Installieren Sie daher den Sensor mit der erforderlichen Leitungslänge zur Elektronik und nehmen Sie dann die Einstellung von Nullpunkt und Verstärkung vor. Für maximale Präzision empfehlen wir den Einsatz von Endmaßen, um den Stößel in eine bestimmte Position zu bringen (Messbereichsanfang/ -ende).

1. Bewegen Sie den Stößel an den Messbereichsanfang:



2. Offset einstellen: Stellen Sie mit Hilfe des Offset Potentiometers das Ausgangssignal auf 4,000 mA (für 4...20 mA) oder 0,000 V (für 0...10 V).

3. Bewegen Sie den Stößel an das Messbereichsende: z. B. SM25-T: Abstand zwischen Sensor und Tastspitze = 30 mm (5 + 25 mm) z. B. SL100-G: Abstand zwischen Sensor und M8 Mutter = 115 mm (15 + 100 mm)

4. Verstärkung einstellen: Stellen Sie mit Hilfe des Verstärkungspotentiometers das Ausgangssignal auf 20,000 mA oder 10,000 V ein.

5. Kontrollieren Sie das Ausgangssignal an Messbereichsanfang und -ende. Sollte es leichte Abweichungen geben, wiederholen Sie bitte nochmals die Schritte 2-4.

Hinweis:

Ausgangssignal 0...20 mA: Einstellung analog zu 4...20 mA

Ausgangssignal 0...5 V: Einstellung analog zu 0...10 V

Ausgangssignal ±5 V, ±10 V: Bewegen Sie den Stößel in die Messbereichsmitte (SM25-T: 17,5 mm, SL100-G: 65 mm). Stellen Sie den Offset auf 0,000 V. Bewegen Sie den Stößel an Messbereichsanfang und -ende und kontrollieren Sie, ob die Werte identisch sind (z. B. -10,035 V und +10,035 V). Sollte das nicht der Fall sein, korrigieren Sie mit Hilfe des Offset Potentiometers. Anschließend stellen Sie die Verstärkung auf 5,000 V (-5,000 V) bzw. 10,000 V (-10,000 V).

Richtungsumkehr: Sollten Sie ein invertiertes Ausgangssignal benötigen (20...4 mA/ 10...0 V/ 5...0 V), so tauschen Sie die Klemmen 6 und 8 (Sekundärspule) an der Externelektronik.

Zubehör

Die eddylab GmbH bietet ein umfangreiches Zubehörprogramm für seine induktiven Sensoren an wie Kabel, Montagezubehör, selbstkonfektionierbare Steckverbinder, Anzeigen, etc. Besonderes Augenmerk sollte auf Tastspitzen gelegt werden, die als Zubehör für die Messtaster der SM-Serie angeboten werden. Es stehen unterschiedliche Geometrien und Materialien zur Verfügung, um den Einsatz des Sensors auf die Applikation hin zu optimieren.

Materialien:

Stahl: Standardvariante, ausreichend für die meisten Anwendungen

Hartmetall: Hartmetall bestückte, oder mit einer Hartmetallkugel versehene Messspitzen, deutlich weniger Verschleiß

Rubin: deutlicher härter und verschleißfester als Stahl, elektrisch nicht leitend, für alle Anwendungen außer Tasten auf Aluminium und Gusseisen

Keramik: vergleichbare Eigenschaften wie Rubin, jedoch ideal für Aluminium und Gusseisen


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