DE10148954B4 - Device for compensation of deformations on clamping surfaces of machines - Google Patents
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Abstract
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Kompensation von Verformungen an Spannflächen (1) von Maschinen (2). Diese Vorrichtung ist gekennzeichnet durch wenigstens ein im Bereich der Spannflächen (1) angeordnetes Ausgleichselement (4). Dieses Ausgleichselement (4) verfügt über zumindest zwei ortsabhängig verschiedene Elastizitätsmodule (εA, εB). Die Größe dieser jeweiligen Elastizitätsmodule (εA, εB) lässt sich an die ortsabhängig zu erwartende unterschiedliche Flächenpressung (P1, P2) in der Weise anpassen, dass die Gesamtverformung (tges) der Maschine (2) inklusive Ausgleichselement (4) über die gesamte belastete Spannfläche (1) gesehen ortsunabhängig innerhalb vorgegebener Grenzen gleich ausgebildet ist.The present invention is an apparatus for compensating deformations on clamping surfaces (1) of machines (2). This device is characterized by at least one compensating element (4) arranged in the region of the clamping surfaces (1). This compensating element (4) has at least two location-dependent different moduli of elasticity (εA, εB). The size of these respective moduli of elasticity (εA, εB) can be adapted to the location-dependent expected surface pressure (P1, P2) in such a way that the total deformation (tges) of the machine (2) including compensating element (4) over the entire loaded clamping surface (1) Seen location independent within predetermined limits is the same.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zu Kompensation von Verformungen an Spannflächen von Maschinen, insbesondere zum Ausgleich von verformungsbedingten Spaltbildungen an Werkzeugaufspannflächen von Pressen, Innenhochdruckumformmaschinen, Spritzgießmaschinen etc..The invention relates to a device for compensation of deformations on clamping surfaces of machines, in particular to compensate for deformation-related gap formations on Werkzeugaufspannflächen of presses, hydroforming machines, injection molding machines, etc ..
Bei derartigen Maschinen müssen hohe Werkzeugschließkräfte aufgebracht werden. Dabei erfolgt die Krafteinleitung in der Regel über feste und bewegliche Maschinenholme, gegenüber denen sich zugehörige Werkzeuge (im Regelfall zwei Werkzeughälften) abstützen.In such machines high tool clamping forces must be applied. The introduction of force usually takes place via fixed and movable machine spars, against which associated tools (usually two tool halves) are supported.
Infolge der hohen zu übertragenden Kräfte verformen sich die im Kraftfluss liegenden Maschinenholme elastisch wegen der zu übertragenden Querkräfte durch Schubverformung. Zusätzlich führen zu übertragende Biegemomente zu einer Biegeverformung. Folgerichtig hat man in der Vergangenheit die betreffenden Maschinenholme auf maximale Steifigkeit ausgelegt. Das ist aufwendig.As a result of the high forces to be transferred, the machine spars lying in the force flow deform elastically because of the transverse forces to be transmitted by shear deformation. In addition, bending moments to be transmitted lead to bending deformation. Consequently, in the past, the relevant machine spars have been designed for maximum rigidity. This is expensive.
Hinzu kommt, dass das Aufklaffen der beiden Werkzeughälften in Schließebene beispielsweise bei Innenhochdruckumformmaschinen sowie (Kunststoff-)Spritzgussmaschinen unbedingt vermieden werden muss. Ansonsten besteht die Gefahr, dass der umzuformende Werkstoff aus dem zugehörigen Trennspalt herausfließt bzw. herausquillt. Das führt bei Spritzgusswerkzeugen zu einer unerwünschten Gratbildung am Werkstück. Schlimmstenfalls lassen sich auch dadurch bedingte Werkzeugschäden nicht verhindern. Deshalb hat man in der Praxis versucht, das beschriebene Aufklaffen dadurch zu vermeiden, dass das zugehörige Werkzeug ”überpresst” wird. Hierfür müssen Zuhaltekräfte aufgebracht werden, die letztlich viel größer sind, als dies bei unterbliebener Verformung erforderlich wäre. Eine solche Vorgehensweise erhöht den anlagentechnischen Aufwand und damit die Kosten.In addition, the opening up of the two mold halves in the closing level, for example, in hydroforming machines and (plastic) injection molding machines must be avoided at all costs. Otherwise, there is a risk that the material to be formed flows out of the associated separating gap or swells out. This results in injection molding tools to an undesirable burr formation on the workpiece. In the worst case, conditional tool damage can not be prevented. Therefore, in practice, attempts have been made to avoid the described opening up by "overpressing" the associated tool. For this purpose, locking forces must be applied, which are ultimately much larger than would be required if no deformation. Such an approach increases the plant engineering effort and thus the costs.
Zwar hat man in der Vergangenheit versucht, bei Pressen die Schrägstellung eines zugehörigen Stößels zu vermeiden. Eine solche Stößelparallelhaltung an einer Mehrpunktpresse mit hydraulischen Druckkissen wird beispielsweise in der
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine derartige Vorrichtung zur Kompensation von Verformungen an Spannflächen von Maschinen anzugeben, die einfach und preisgünstig aufgebaut ist sowie sich problemlos nachrüsten lässt.The invention is based on the technical problem of specifying such a device for compensation of deformations on clamping surfaces of machines, which is simple and inexpensive and can be easily retrofitted.
Zur Lösung dieser Aufgabenstellung ist Gegenstand der Erfindung eine Vorrichtung zur Kompensation von Verformungen an Spannflächen von Maschinen, insbesondere zum Ausgleich von verformungsbedingten Spaltbildungen an Werkzeugaufspannflächen von Pressen, Innenhochdruckumformmaschinen, Spritzgießmaschinen etc., wobei wenigstens ein im Bereich der Spannflächen angeordnetes Ausgleichselement, das im wesentlichen quer zur Kraftrichtung – ortsabhängig – zumindest zwei verschiedene Elastizitätsmodule aufweist, deren jeweilige Größe an die ortsabhängig zu erwartende unterschiedliche Flächenpressung in der Weise angepasst ist, dass die Gesamtverformung der Maschine inklusive Ausgleichselement über die gesamte belastete Spannfläche gesehen ortsunabhängig innerhalb vorgegebener Grenzen gleich ausgebildet ist und wobei
das Ausgleichselement als massiver Körper in Längsrichtung sandwichartig aus zwei oder mehr Lagen unterschiedlicher Werkstoffe mit unterschiedlichen Elastizitätsmodulen und mit gegebenenfalls variierender Dicke ausgebildet ist,
oder
das Ausgleichselement als aus einem einzigen Werkstoff vorgegebenen Elastizitätsmoduls gefertigter Körper mit eingebrachtem Hohlraum zur Verringerung des zugehörigen Elastizitätsmoduls an dieser Stelle ausgeführt ist, wobei der Hohlraum mit einem Stützkern ganz oder teilweise ausgefüllt ist.To solve this problem is the subject of the invention is a device for compensating deformations on clamping surfaces of machines, in particular to compensate for deformation-related gap formations on Werkzeugaufspannflächen of presses, hydroforming machines, injection molding machines, etc., wherein at least one arranged in the clamping surfaces compensating element, which is substantially transversely to the direction of force - depending on location - has at least two different moduli of elasticity whose respective size is adapted to the location-dependent expected surface pressure in such a way that the total deformation of the machine including compensating element over the entire loaded clamping surface seen anywhere within predetermined limits is the same and
the compensating element is designed as a solid body in the longitudinal direction, sandwiched by two or more layers of different materials with different moduli of elasticity and with optionally varying thickness,
or
the compensating element is embodied as a body made of a single material predetermined modulus of elasticity with inserted cavity for reducing the associated modulus of elasticity at this point, wherein the cavity is completely or partially filled with a support core.
D. h., die Spannflächen bewegen sich bei Belastung innerhalb vorgegebener Grenzen parallel zueinander. Die betreffenden Grenzen berücksichtigen die jeweiligen Anforderungen der mit dem Ausgleichselement ausgerüsteten Maschine.D. h., The clamping surfaces move under load within predetermined limits parallel to each other. The limits in question take into account the respective requirements of the machine equipped with the compensating element.
Idealerweise wird man natürlich versuchen, die Grenzen möglichst eng zu setzen bzw. eine Nullvariation zu erreichen. In der Praxis lassen sich jedoch durchaus Abweichungen von der Parallelität der Spannflächen zueinander akzeptieren, was in den betreffenden Grenzangaben zum Ausdruck kommt. Ebenso wird zugelassen, dass innerhalb dieser Spannbreite die Gesamtverformung der Maschine inklusive Ausgleichselement angesiedelt ist.Ideally, of course, you will try to set the limits as close as possible or to achieve a zero variation. In practice, however, it is quite possible to accept deviations from the parallelism of the clamping surfaces, which is reflected in the relevant marginal information. It is also permitted that within this range the total deformation of the machine including compensation element is settled.
Die zu erwartende Flächenpressung und die hieraus resultierende Auslegung des Ausgleichselementes lässt sich empirisch durch Versuche ermitteln. Dabei kann beispielsweise auf eine – im Vergleich zu der auszurüstenden Maschine – ähnlich aufgebaute Referenzmaschine zurückgegriffen und die Kraftverteilung an den Spannflächen mit entsprechenden Messwertaufnehmern ermittelt und ausgewertet werden. Aus den jeweiligen Werten für die Flächenpressung können dann Rückschlüsse auf die Auslegung des Ausgleichselementes hinsichtlich des jeweils ortsabhängigen Elastizitätsmoduls gezogen werden. So wird das Ausgleichselement üblicherweise so bemessen, dass im Bereich einer örtlich hohen Flächenpressung und Verformung eine große Steifigkeit (”harter Werkstoff” mit großem Elastizitätsmodul) des Ausgleichselementes eingestellt wird, während eine niedrige Flächenpressung sowie geringe Verformung auf eine weichere Federcharakteristik trifft. Dadurch wird unter dem Strich gewährleistet, dass die Gesamtverformung des Ausgleichselementes inklusive Maschine unter Berücksichtigung der ortsabhängig unterschiedlichen Flächenpressungen und Verformungen über die gesamte Fläche gesehen gleiche Werte (innerhalb der vorgegebenen Grenzen) einnimmt.The expected surface pressure and the resulting design of the compensation element can be empirically determined by experiments. It can, for example, on a - im Compared to the machine to be equipped - similarly constructed reference machine used and determined the force distribution on the clamping surfaces with corresponding transducers and evaluated. From the respective values for the surface pressure conclusions can then be drawn on the design of the compensation element with respect to the respective location-dependent modulus of elasticity. Thus, the compensation element is usually dimensioned so that in the region of a locally high surface pressure and deformation a high rigidity ("hard material" with high modulus of elasticity) of the compensation element is set, while a low surface pressure and low deformation meets a softer spring characteristic. This ensures the bottom line that the total deformation of the compensating element including the machine, taking into account the location-dependent different surface pressures and deformations over the entire surface seen equal values (within the specified limits) occupies.
Das hat zur Folge, dass auch die sich üblicherweise an das Ausgleichselement unmittelbar anschießende Spannfläche bzw. das hieran anliegende Werkzeug verformungsfrei beaufschlagt wird und eine homogene Krafteinleitung erfährt, aus welcher dann die gewünschte parallele Verschiebung zugehöriger Werkzeughälften resultiert.This has the consequence that the clamping surface or the adjoining tool usually adjoining the compensating element is also acted upon without deformation and undergoes a homogeneous force introduction, from which the desired parallel displacement of associated tool halves then results.
Bei dem Ausgleichselement mag es sich um einen zwischen das (bewegliche) Maschinenteil und die zugehörige Spannfläche (z. B. Werkzeugoberfläche) eingefügten Adapter handeln. Es ist aber auch denkbar, das Ausgleichselement direkt in das Maschinenteil (beispielsweise in den Ober- und/oder Unterholm einer Presse) zu integrieren. Eine solche Vorgehensweise empfiehlt sich bei einer Neukonstruktion und Neuherstellung einer zugehörigen Maschine bzw. Presse, während die Adapterlösung für Nachrüstungen prädestiniert ist.The compensating element may be an adapter inserted between the (movable) machine part and the associated clamping surface (eg tool surface). However, it is also conceivable to integrate the compensating element directly into the machine part (for example, in the upper and / or lower rail of a press). Such a procedure is recommended when redesigning and rebuilding an associated machine or press, while the adapter solution is predestined for retrofitting.
Im einzelnen mag es sich bei dem Ausgleichselement um einen massiven Körper aus zwei oder mehr Werkstoffen mit unterschiedlichen Elastizitätsmodule handeln. Für diesen Fall empfiehlt die Erfindung, das Ausgleichselement in Kraftquerrichtung bzw. in seiner Längsrichtung sandwichartig aus zwei oder mehr Lagen unterschiedlicher Werkstoffe mit gegebenenfalls variierender Dicke auszubilden. Dieser Sandwichaufbau des Ausgleichselementes erstreckt sich also in einer Ebene, auf welcher die Vektoren der eingeleiteten Kraft im Wesentlichen senkrecht stehen. Folglich werden die ortsabhängig unterschiedlichen Flächenpressungen von jeweils wechselnden Schichtenfolgen und/oder -dicken der einzelnen Werkstoffe aufgenommen, so dass unmittelbar ersichtlich wird, wie sich hierdurch die gewünschten wechselnden Federsteifigkeiten mit den unterschiedlichen Verformungsgraden darstellen lassen.In particular, the compensating element may be a solid body of two or more materials having different moduli of elasticity. In this case, the invention recommends sandwiching the compensating element in the transverse direction of force or in its longitudinal direction from two or more layers of different materials with optionally varying thickness. This sandwich structure of the compensation element thus extends in a plane on which the vectors of the introduced force are substantially perpendicular. Consequently, the location-dependent different surface pressures of each changing layer sequences and / or thicknesses of the individual materials are added, so that it is immediately apparent how this can represent the desired changing spring stiffness with the different degrees of deformation.
Denn jedes Ebenensegment des Ausgleichselementes verfügt über einen charakteristischen Schichtenaufbau. Daraus resultiert ein bestimmter Verformungsgrad, welcher vom Elastizitätsmodul des jeweils an der Stelle vorhandenen Werkstoffes und dessen Dicke abhängt.Because each level segment of the compensation element has a characteristic layer structure. This results in a certain degree of deformation, which depends on the modulus of elasticity of the material present at the point and its thickness.
Als Werkstoffe zur Darstellung des massiven Ausgleichselementes empfiehlt die Erfindung beispielsweise Eisenwerkstoff sowie einen Kunststoff hoher Festigkeit. Diese Materialpaarung kann einfach realisiert werden, weil Eisenwerkstoffe und zugehörige Kunststoffe problemlos durch An- bzw. Umspritzen miteinander vereinigbar sind. D. h., die Herstellung eines solchermaßen aufgebauten Ausgleichselementes ist kostengünstig.As materials for the representation of the massive compensation element, the invention recommends, for example, iron material and a high-strength plastic. This combination of materials can be easily realized because iron materials and associated plastics can be combined with one another without difficulty by means of injection molding or encapsulation. D. h., The production of a thus constructed compensating element is inexpensive.
Alternativ zu einer massiven Ausgestaltung des Ausgleichselementes empfiehlt die Erfindung auch eine Variation dergestalt, dass es sich bei dem Ausgleichselement um einen aus einem einzigen Werkstoff vorgegebenen Elastizitätsmoduls gefertigten Körper mit eingebrachtem Hohlraum handelt. Dieser Hohlraum erstreckt sich vorteilhaft in den Bereichen, die örtlich eine geringere Flächenpressung erfahren. Denn mit dem Hohlraum ist bekanntermaßen eine Verringerung des zugehörigen Elastizitätsmoduls an dieser Stelle verbunden.As an alternative to a massive embodiment of the compensating element, the invention also recommends a variation in such a way that the compensating element is a body made with a hollow space made of a single material of elasticity. This cavity extends advantageously in the areas that experience a lower surface pressure locally. Because with the cavity is known to reduce the associated modulus of elasticity connected at this point.
Selbstverständlich lassen sich auch mehrere Hohlräume in das Ausgleichselement gleichsam säulenartig einbringen. Dadurch kann im Rahmen dieser Variante ebenso ortsabhängig wechselnden Flächenpressungen Rechnung getragen werden. Schließlich lässt sich der Hohlraum vorteilhaft mit einem Stützkern ganz oder teilweise ausfüllen. Dann lassen sich sogar Elastizitätsmodule an dieser Stelle realisieren, die zunächst (bei Expansion des Werkstoffes in den noch vorhandenen Hohlraum) abnehmen und dann beim Verformen des Stützkernes wieder zunehmen. In gleicher Weise kann hierdurch ein progressiver Verlauf des Elastizitätsmoduls bzw. der zugehörigen Federkonstante dargestellt werden. Das Gleiche gilt für einen degressiven Verlauf.Of course, it is also possible to introduce a plurality of cavities into the compensating element in the manner of a column. As a result, in the context of this variant, location-dependent surface pressures can also be taken into account. Finally, the cavity can advantageously be completely or partially filled with a support core. Then even elasticity modules can be realized at this point, which initially (when the material expands into the remaining cavity) decrease and then increase again during deformation of the support core. In the same way, a progressive course of the modulus of elasticity or the associated spring constant can thereby be represented. The same applies to a degressive course.
Üblicherweise sind die verschiedenen Elastizitätsmodule der Werkstoffe bzw. Hohlraumausbildungen innerhalb des Ausgleichselementes so ausgelegt, dass ein voreingestelltes Verhältnis zueinander erreicht wird. Denkbar sind beispielsweise Verhältnisse von 10:1 bis 100:1. Selbstverständlich lässt sich das Ausgleichselement auch aus mehreren Segmenten mit unterschiedlichen Federcharakteristika aufbauen. Eine derartige Vorgehensweise ist beispielsweise dann erforderlich, wenn bei einer Presse die zugehörigen Werkzeughälften in Längs- und Querrichtung (x- und y-Richtung) zu jeweils verschiedenen Spaltbildungen neigen. Dann muss mit einem entsprechend angepassten Verlauf der Federcharakteristika in x-Richtung und hiervon unabhängig in y-Richtung gearbeitet werden. Der daraus resultierende Elastizitätsmodul stellt also eine Funktion der x- und y-Koordinaten dar, nimmt also die Gestalt einer Flache im dreidimensionalen Raum an.Usually, the different moduli of elasticity of the materials or cavity formations within the compensation element are designed so that a preset relationship is achieved. For example, ratios of 10: 1 to 100: 1 are conceivable. Of course, the compensation element can also be composed of several segments with different spring characteristics. Such an approach is required, for example, when in a press the associated tool halves in the longitudinal and transverse directions (x and y direction) to each different fissures tend. Then it is necessary to work with a suitably adapted course of the spring characteristics in the x-direction and independently thereof in the y-direction. The resulting modulus of elasticity thus represents a function of the x and y coordinates, thus assuming the shape of a surface in three-dimensional space.
So oder so lässt sich das Ausgleichselement durch einen örtlich variierenden Ersatz-Elastizitätsmodul charakterisieren, welcher an die dort jeweils zu erwartenden Gesamtbelastungen aus beispielsweise durch Biegung, Schubverformung, Stauchung etc. angepasst ist. Dadurch lässt sich eine idealebene Werkzeugaufspannfläche auch unter Last realisieren, weil Biege- und Schubverformungen vollständig kompensiert werden.Either way, the compensation element can be characterized by a locally varying replacement modulus of elasticity, which is adapted to the total loads to be expected there from, for example, by bending, shear deformation, compression, etc. As a result, an idea-level tool clamping surface can be realized even under load, because bending and shear deformations are completely compensated.
Üblicherweise bilden das Ausgleichselement und ein zugehöriges Werkzeug, insbesondere Spannwerkzeug, eine Einheit. Diese Einheit weist unter Berücksichtigung der erforderlichen Betätigungskräfte eine festgelegte (ortsunabhängige) Gesamtverformung auf und kann dadurch maschinenunabhängig eingesetzt werden. D. h., bei Kenntnis der angreifenden Betätigungskräfte lässt sich die Einheit inklusive Ausgleichselement gleichsam eichen und auf verschiedenen anderen Maschinen einsetzen.Usually, the compensation element and an associated tool, in particular clamping tool, form a unit. Taking into account the required actuating forces, this unit has a fixed (location-independent) overall deformation and can thus be used independently of the machine. In other words, with knowledge of the attacking actuating forces, the unit including the compensating element can be calibrated and used on various other machines.
Im Ergebnis wird eine Vorrichtung zur Kompensation von Verformungen an Spannflächen von Maschinen mit einem zugehörigen Ausgleichselement zur Verfügung gestellt, die zunächst einmal einfach und preisgünstig aufgebaut ist. Denn bei dem Ausgleichselement handelt es sich zumeist um einen zumeist quaderförmigen Körper aus zwei oder mehr Werkstoffen unterschiedlicher Elastizitätsmodule. Ebenso kann ein regelmäßig quaderförmiger Körper mit an gewünschter Stelle eingebrachtem Hohlraum realisiert sein.As a result, a device for compensating deformations on clamping surfaces of machines with an associated compensation element is provided, which is initially simple and inexpensive. Because in the compensation element is usually a mostly cuboid body made of two or more materials of different moduli of elasticity. Likewise, a regular cuboid body can be realized with introduced at the desired location cavity.
Dadurch, dass die Schichten aus den verschiedenen Werkstoffen zur Darstellung der sandwichartigen Struktur des Ausgleichselementes unterschiedlich aufgebaut und angeordnet sind, kann ein räumlich wechselnder Verlauf des sich einstellenden Ersatz-Elastizitätsmoduls dargestellt werden, und zwar sowohl in x- als auch y-Richtung. Wenn die Elastizitätsmodule unter Druckbeanspruchung näherungsweise konstant sind (lineare Spannungs-Stauchungskennlinie) kann unabhängig von der Höhe der äußeren Belastung eine gleichmäßige Absenkung des Arbeitstisches erreicht werden. Diese lineare Absenkung lässt sich zudem durch hydraulische Zuhaltezylinder fixieren. Weitere Vorteile und Maßnahmen der Erfindung werden mit Bezug zu der nachfolgenden Figurenbeschreibung erläutert.Because the layers of the different materials for the representation of the sandwich-like structure of the compensating element are constructed and arranged differently, a spatially changing course of the self-adjusting substitute elastic modulus can be represented, in both the x and y directions. If the moduli of elasticity are approximately constant under compressive stress (linear stress-strain curve), a uniform lowering of the workbench can be achieved, regardless of the magnitude of the external load. This linear lowering can also be fixed by hydraulic locking cylinders. Further advantages and measures of the invention will be explained with reference to the following description of the figures.
Es zeigen:Show it:
In den Figuren ist eine Vorrichtung zur Kompensation von Verformungen an Spannflächen
Erfindungsgemäß ist wenigstens ein im Bereich der Spannflächen
Anhand der
Die zugehörigen Flächenpressungen P1 und P2 lassen sich am besten anhand der
Dabei sind die ortsabhängig variierenden Elastizitätsmodule εA und εB dergestalt an die jeweiligen Flächenpressungen
Die jeweils unterschiedliche Flächenpressungen P1 und P2 lassen sich empirisch durch Versuche mittels einer Referenzmaschine erfassen. In gleicher Weise können auch Simulationen vorgenommen werden. Diese berücksichtigen mittels der Finite-Elemente-Methode (FEM) sämtlich zu erwartenden Verformungen an der Maschine
Wie beschrieben, handelt es sich bei dem Ausgleichselement
Man erkennt, dass das Ausgleichselement
Die
Das hat zur Folge, dass das Ausgleichselement
Für den Fall, dass gleiche Flächenpressungen P am Ausgleichselement
Im Bereich der
Dabei muss natürlich insgesamt berücksichtigt und gewährleistet werden, dass sich die jeweiligen Werkstoffe A und B ausweislich der
Für das Ausgleichselement nach den
Anstelle das Ausgleichselement
Bei dem Ausgleichselement
Diese Gesamtbelastungen lassen sich ebenfalls in einer Matrix durch zugehörige Flächenpresswerte Pi(x, y) mit i = 1, 2, 3, 4 ... ausdrücken (
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: SIEMPELKAMP MASCHINEN- UND ANLAGENBAU GMBH & C, DE |
|
8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |
Effective date: 20130914 |
|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20140501 |