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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstück
mit einem stromdurchflossenen Leiter gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus
der
DE 10 2004
060 290 A1 ist eine Bearbeitungsvorrichtung für
Werkstücke bekannt, bei der ein von zwei axial beabstandeten
Führungen geführter Draht von einem sich zeitlich
veränderten Strom durchflossen wird. Axial zwischen den
Führungen ist ein drehbares Magnetfeld angeordnet, mittels dem
der stromdurchflossene Leiter aufgrund der wirkenden Lorentzkraft
in radialer Richtung ausgelenkt wird und mittels dem der stromdurchflossene
Leiter weiterhin in elliptische oder kreisförmige Bewegungen
zum Herstellen konischer Bohrungen im Werkstück mit dem
die untere Führung überragenden Abschnitt des
Leiters versetzbar ist.
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Die
bekannte Vorrichtung hat sich bewährt – jedoch
gestaltet sich die definierte Auslenkung des stromdurchflossenen
Leiters in radialer Richtung mittels des Magnetfelds aufgrund einer
Vielzahl von Einflussgrößen als schwierig.
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Bei
anderen, in der Serienproduktion eingesetzten Vorrichtungen ist
von Nachteil, dass sich nur Bohrungen mit einer geringen Konizität
mit einem k-Faktor von etwa 1,5 realisieren lassen.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine alternative Vorrichtung
zum Bearbeiten eines Werkstück mit einem von einem elektrischen Strom
durchflossenen Leiter vorzuschlagen, bei der der elektrische Leiter
definiert auf einfache Weise in radialer Richtung in Bezug auf seine
Längserstreckung auslenkbar ist.
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Technische Lösung
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen
angeben. In den Rahmen der Erfindung fallen auch sämtliche
Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen
und/oder den Figuren angegebenen Merkmalen.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, anstelle eines Magnetfeldes
zur Auslenkung des, vorzugsweise von einem gepulsten und/oder die Fließrichtung ändernden
elektrischen Strom durchflossenen Leiters (Elektrode) eine mechanische
Auslenkeinrichtung vorzusehen, die eine präzise und definierte
Auslenkung des durch eine Leiterdurchführung geführten
Leiters in radialer Richtung erlaubt. Die eingestellte Auslenkung
kann stabil während der Bearbeitungszeit beibehalten werden.
Die über die mechanische Auslenkeinrichtung auf den Leiter
aufbringbaren Verstellkräfte ermöglichen die Realisierung
großer Auslenkung des Leiters zwischen den in axialer Richtung
beabstandeten Führungen, was wiederum zu einer großen
Auslenkung des die zweite Führung überragenden
freien Endes des Leiters führt. Ein Magnetfeld wird nicht länger
zur Auslenkung des Leiters benötigt. Im Gegensatz zu mittels eines
Magnetfeldes auslenkbaren Vorrichtung ist von Vorteil, dass die
Auslenkung des Leiters auch bei nicht stromdurchflossenem Leiter
funktioniert.
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Bei
einer rotierbaren Anordnung der Leiterdurchführung, also
bei der Realisierung einer planetären Umlaufbahn der Leiterdurchführung
mit Leiter um eine Drehachse, können aufgrund der großen
realisierbaren radialen Auslenkung des Leiters Bohrungen mit großen
Konizitäten mit einem k-Faktor von bis zu 10 realisiert
werden. Dabei berechnet sich der k-Faktor wie folgt: k-Faktor
= (Lochaustrittsdurchmesser – Locheintrittsdurchmesser)/10
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Bevorzugt
ist die Leiterdurchführung mindestens einmal um 360° oder
um ein geeignetes Vielfaches von 360° drehbar, wobei auch
Teilkreisdrehungen zur Realisierung asymmetrischer Löcher
denkbar sind. Ebenso ist es denkbar, die radiale Auslenkung des
Leiters mittels der mechanischen Auslenkeinrichtung während
einer Drehbewegung der Leiterdurchführung zu variieren,
um beispielsweise Bohrungen mit einer elliptischen Querschnittsfläche
zu verwirklichen.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die
mechanische Auslenkeinrichtung eine Verstellung der Leiterdurchführung
in eine zentrische Position erlaubt, in der die Leiterdurchführung
von der die beiden beabstandeten Führungen durchsetzenden,
gedachten Achse ebenfalls zentrisch durchsetzt ist, der Leiter also
keine Auslenkung in radialer Richtung in Bezug auf seine Längserstreckung
erfährt. Diese Einstellung ermöglicht das Einbringen
einer zylindrischen Bohrung in das Werkstück mittels des
Erodierprozesses.
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In
Ausgestaltung der Erfindung ist darauf zu achten, dass die Leiterdurchführung
derart ausgeformt ist, dass ein Knicken des Leiters selbst bei einer maximalen
radialen Auslenkung verhindert wird. Eine Möglichkeit zur
Erfüllung dieser Forderung besteht darin, die Leiterdurchführung
rotationssymmetrisch und bevorzugt tailliert auszubilden, so dass
sich der ausgelenkte Leiter an der inneren Umfangswand der Leiterdurchführung
abstützen kann. Bei der Auslegung der zweiten Führung,
also der zwischen Auslenkeinrichtung und Werkstück positionierten
Führung, ist darauf zu achten, dass diese auf die für
die zu erzielende Bohrungskonizität notwendige Auslenkung
des Leiters (Elektrode) abgestimmt ist, also mit einem ausreichend
großen Führungsspiel für den Leiter versehen
ist. Bevorzugt weist die zweite Führung hierzu einen taillierten
oder konischen Verlauf auf. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen,
die Leiterdurchführung und/oder zumindest eine der in axialer Richtung
beabstandeten Führungen als Keramikbauteil auszuführen.
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Eine
vorteilhafte Möglichkeit zur Realisierung der radialen
Auslenkung der Leiterdurchführung besteht darin, ein die
Leiterdurchführung aufnehmendes Führungselement
mittels eines Spindeltriebs in radialer Richtung zu verstellen,
wobei hierzu bevorzugt eine Gewindespindel mit einem Innengewindeabschnitt
des Führungselements zusammenwirkt. Zur Realisierung einer
Rotationsbewegung der Leiterdurchführung um eine gedachte
Achse (Drehachse) ist bevorzugt das Führungselement mit
samt Spindeltrieb rotierbar angeordnet.
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Von
Vorteil ist eine Weiterbildung, bei der zur manuellen Verstellung
(Auslenkung) der Leiterdurchführung ein Stellrad drehfest
mit der Gewindespindel des Spindeltriebs verbunden ist, wobei bevorzugt das
Stellrad mit Abstand zu der durch die Führungen verlaufende
gedachte Achse angeordnet ist, so dass die beschriebene Verstelleinrichtung
die Verstellung der Leiterdurchführung in eine zentrische,
von der genannten Achse durchsetzte Position erlaubt, um auf diese
Weise zylindrische Bohrungen mit dem freien Ende des Leiters im
Werkstück vornehmen zu können.
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Insbesondere
um schnelle Rotationsgeschwindigkeiten der Leiterdurchführung
um die die beiden beabstandeten Führungen durchsetzende Achse
auf einer planetaren Bahn präzise realisieren zu können,
ist es von Vorteil, wenn eine durch die veränderte Radialposition
des Führungselementes mit Leiterdurchführung verursachte
Unwucht zumindest zum Teil ausgeglichen wird. Hierzu ist in Weiterbildung
der Erfindung ein Ausgleichgewicht vorgesehen, welches bevorzugt
zusammen mit dem Spindeltrieb in radialer Richtung (in eine der
Verstellrichtung des Führungselementes entgegengesetzte
Radialrichtung) verstellbar ist.
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Eine
weitere Möglichkeit zur Realisierung der Auslenkbarkeit
der Leiterdurchführung besteht darin, das die Leiterdurchführung
aufnehmende Führungselement rotierbar anzuordnen. Bevorzugt
ist das Führungselement hierzu kreisförmig konturiert und
um eine, zu der die Führungen durchsetzenden Achse parallelen
Verstellachse rotierbar, wobei die Leiterdurchführung mit
Vorteil derart angeordnet ist, dass sie mit der die Führungen
durchsetzenden Achse in Deckung bringbar ist. Das rotierbare Führungselement
ist wiederum bevorzugt um die die Führungen durchsetzende
Achse rotier bar angeordnet. Zur Realisierung einer radialen Verstellung
der Leiterdurchführung ist es notwendig, das Führungselement um
seine Verstellachse zu verdrehen. Hierzu kann beispielsweise ein
Schneckengetriebe oder ein Stirnradgetriebe vorgesehen werden.
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Bevorzugt
erfolgt die radiale Auslenkung, d. h. ein definiertes Verdrehen
des Führungselementes mit Leiterdurchführung mittels
eines, insbesondere als Schrittmotor ausgebildeten Antriebsmotors.
Mit Vorteil ist zur Realisierung der Rotationsbewegung des Führungselementes
um die die Führungen durchsetzende Achse ein weiterer Antriebsmotor,
der bevorzugt ebenfalls als Schrittmotor ausgebildet ist, vorgesehen.
Beispielsweise ist es denkbar, die mechanische Auslenkeinrichtung über
einen Riementrieb mit einem entsprechenden Antriebsmotor zur Realisierung
der Rotationsbewegung zu verbinden.
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In
Ausgestaltung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass zumindest
eine der Führungen relativ zu der Auslenkeinrichtung verstellbar
ist. Dabei ist es denkbar, die Führungen während
des Erodierprozesses zu verstellen. Bevorzugt ist jedoch eine Vorgehensweise,
bei der die Position der Führungen und auch der Abstand
zwischen der zweiten Führung und dem Werkstück
während des eigentlichen Erodierprozesses konstant bleibt.
In diesem Fall liegt die Hauptfunktion der Verstellmöglichkeit
in der Vorjustierung der Bearbeitungsvorrichtung zur Einstellung des
gewünschten Konizitätsbereichs. Die Stellgröße zur
Einstellung der Konizität bzw. Zylindrizität einer herzustellenden
Bohrung während der Bearbeitung ist in diesem Fall (ausschließlich)
der mittels der mechanischen Auslenkeinrichtung einstellbare Auslenkradius.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
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1a:
in einer schematischen Darstellung eine erste Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer
mechanischen Auslenkeinrichtung, wobei eine Leiterdurchführung
zentrisch in Bezug auf eine Achse A angeordnet ist,
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1b:
in einer schematischer Darstellung eine Vergrößerung
der Leiterdurchführung aus 1a,
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2a:
die in 1a gezeigte Vorrichtung mit
in radialer Richtung verstellter Leiterdurchführung,
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2b:
in einer schematischen Darstellung eine vergrößerte
Detailansicht der Leiterdurchführung aus 2a,
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3a:
in einer schematischen Darstellung eine zweite Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die
Leiterdurchführung zentrisch angeordnet ist,
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3b:
die in 3a dargestellte Vorrichtung
mit der durch eine Drehbewegung in radialer Richtung verstellte
Leiterdurchführung und
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4:
in einer schematischen Darstellung eine Variante der Ausführungsform
gemäß den 3a und 3b,
wobei zur radialen Auslenkung der Leiterdurchführung ein
mit einem Führungselement über ein Stirnradgetriebe
gekoppelter Antriebsmotor vorgesehen ist.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In
den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit der gleichen
Funktion mit den gleichen Funktionszeichen gekennzeichnet.
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Die
in den 1a und 2a schematisch dargestellte
Vorrichtung 1 weist einen abschnittsweise dargestellten,
drahtförmigen Leiter 2 auf, der beispielsweise
von einer nicht gezeigten Rolle abwickelbar ist. Der Leiter 2 ist
zur elektroerosiven Bearbeitung eines Werkstückes 3 ausgebildet.
Bei dieser elektroerosiven Bearbeitung bzw. EDM-Bearbeitung (Electrical
Discharge Machining) ist vorgesehen, dass durch den Leiter 2 ein
sich zeitlich verändernder Strom fließt, so dass
zwischen einem Endbereich 4 des Leiters 2 und
einer Bearbeitungsstelle des Werkstücks 3 ein
elektrisches Feld anliegt. Durch Zuführung einer geeigneten
Bearbeitungsflüssigkeit, beispielsweise eines Dielektrikums,
kann an dem Werkstück 3 ein Materialabtrag hervorgerufen
werden, so dass in das Werkstück im gezeigten Ausführungsbeispiel
ein Loch 5 gebohrt wird.
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Der
Leiter 2 dient bei der EDM-Bearbeitung als Elektrode, wobei
der Leiter 2 zwischen einer ersten, in der Zeichnungsebene
oberen Führung 6 und einer in der Zeichnungsebene
unteren zweiten Führung 7 geführt ist.
Axial zwischen den beiden Führungen 6, 7 befindet
sich eine mechanische Auslenkeinrichtung 8, die in der
Vorrichtung 1 lediglich schematisch angedeutet und neben
der Vorrichtung 1 im Detail gezeigt ist.
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Die
mechanische Auslenkeinrichtung 8 ist mit einer Leiterdurchführung 9 für
den Leiter 2 versehen, wobei die Leiterdurchführung 9 im
Detail schematisch in den 1b und 2b gezeigt
ist. Die Leiterdurchführung 9 ist in ein Führungselement 10 eingebracht,
welches von einer Gewindespindel 11 eines Spindeltriebs 12 durchsetzt
ist. Dabei ist die Gewindespindel 11 drehfest mit einem
Stellrad 13 verbunden. Das Führungselement 10 ist
durch zwei gegenüberliegende Führungsschienen 14 in
radialer Richtung geführt, so dass das Führungselement 10 mit
der Leiterdurchführung 9 zusammen mit dem die Leiterdurchführung 9 durchsetzenden
Leiter 2 durch Verdrehen des Stellrades 13 in
radialer Richtung auslenkbar ist. Bei dem in 1a gezeigten
Ausführungsbeispiel ist die Leiterdurchführung 9 in
eine zentrische Position verstellt, so dass sie von einer Achse A
zentrisch durchsetzt ist, welche auch zentrisch die beiden Führungen 6, 7 durchsetzt.
Wird der Leiter 2 in dieser nicht ausgelenkten, geraden
Anordnung stromdurchflossen, so erhält das Loch 5 im
Werkstück 3 eine kreiszylindrische Kontur.
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Durch
Verdrehen des Stellrades 13 wird das Führungselement 10 mit
der Leiterdurchführung 9 radial nach außen
um einen Auslenkradius r relativ zu der Achse A verstellt, wodurch
der Endbereich 4 in eine entgegengesetzte Radialrichtung
ausgelenkt wird. Wird nun die mechanische Ausrichteinrichtung 8 mittels
eines Antriebsmotors 15 über einen Riemen 16 um
die Achse A rotierend angetrieben, so erhält das Loch 5 eine
konische Kontur (vgl. 2a). Dabei ist die Konizität
des Loches 5 abhängig von dem Auslenkradius r.
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Zum
Ausgleich einer durch die Radialverstellung des Führungselementes 10 verursachten
Unwucht, ist ein Ausgleichgewicht 17 vorgesehen, dass ebenfalls
von der Gewindespindel 11 durchsetzt ist und bei einem
Verdrehen des Verstellrades 13 in die der Verstellrichtung
des Führungselementes 10 entgegengesetzte Radialrichtung
verstellt wird. Zur Anpassung des Ausgleichgewichtes 17 an
das Gewicht des Führungselementes 10 ist das Ausgleichgewicht 17 mit
Materialaussparungsbohrungen 18 versehen.
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Wie
insbesondere aus 2a ersichtlich ist, ist das
Stellrad 13 in der Zeichnungsebene rechts versetzt von
der Achse A angeordnet, um die in 1b gezeigte
zentrische Position der Leiterdurchführung 9 einstellen
zu können.
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Um
ein Abknicken des Leiters selbst bei einer maximalen Auslenkung
der Leiterdurchführung 9 in radialer Richtung
zu verhindern, ist zwischen dem Leiter 2 und der Leiterdurchführung 9 ein
Radialspiel vorgesehen. Ferner ist die Leiterdurchführung 9 tailliert
ausgebildet, so dass sich der Leiter 2, wie in 2b schematisch
angedeutet, an die rotationssymmetrische, konvexe Form der Leiterdurchführung 9 anliegen
kann und somit gestützt wird. Durch eine Variation von
Abständen L(1) und L(2) zwischen der ersten Führung 6 und
der mechanischen Auslenkrichtung 8 einerseits und der mechanischen
Auslenkeinrichtung 8 und der zweiten Führung 7 andererseits
kann sowohl die Auslenkung des Endbereichs 4 der Leitung 2 und
damit das Maß der Konizität des herzustellenden
Loches 5 als auch eine translatorische Bewegung des Leiters 2 beeinflusst
werden. Ebenso ist es möglich, auf den Bearbeitungsverlauf durch
Variation eines Abstandes x zwischen der zweiten Führung 7 und
dem Werkstück 3 Einfluss zu nehmen.
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Wie
aus den 1a und 2a hervorgeht, weisen
beide Führungen 6, 7 einen konischen
Verlauf auf, wobei beide Führungen im gezeigten Ausführungsbeispiel
identisch konturiert sind. Der konische Verlauf der ersten Führung 6 erleichtert
dabei das Einfädeln des Leiters 2 und der konische
Verlauf der zweiten Führung 7 bestimmt maßgeblich
die Geometrie der konischen Bohrung.
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Die
mittels der mechanischen Auslenkeinrichtung 8 realisierbare
planetare Umlaufbahn 19 des Leiters 2 ist in 2a mit
einer gestrichelten Linie angedeutet.
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In
den 3a und 3b ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer mechanischen Auslenkeinrichtung 8 gezeigt,
die mittels eines nicht dargestellten Antriebsmotors um die zentrische
Achse A (vgl. 1a und 2a) rotierbar
ist. Zur Realisierung der in 3b strichliert
angedeuteten planetaren Umlaufbahn 19 der Leiterdurchführung 9 um
die Achse A ist das die Leiterdurchführung 9 aufnehmende
Führungselement 10 um eine Verstellachse V verdrehbar
angeordnet. Durch Verdrehen des Führungselementes 10 um
die Verstellachse V kann der Leiter 2 bzw. die Leiterdurchführung 9 in
radialer Richtung relativ zu der Achse A ausgelenkt werden. In 3a ist
das Führungselement 10 derart eingestellt, dass
der Leiter 2 entlang der Achse A verläuft und
somit ein zylindrisches Loch in das in 1a gezeigte
Werkstück 3 einbringbar ist. In 3b ist
die Leiterdurchführung 9 in einer ausgelenkten
Position gezeigt, wobei das Führungselement 10 mittels
einer Gewindeschnecke 20 eines Schneckengetriebes 21, welche
mit einer Außenverzahnung 22 des Führungselementes 10 zusammenwirkt
in die gezeigte Position verdreht wurde.
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In 4 ist
ein dem Ausführungsbeispiel der 3a und 3b sehr ähnliches
Ausführungsbeispiel einer mechanischen Auslenkeinrichtung 8 gezeigt.
Auch hier ist die gesamte mechanische Auslenkeinrichtung 8 um
die Achse A verdrehbar angeordnet. Das Führungselement 10 mit
der Leiterdurchführung 9 ist um die zur Achse
A parallele Verstellachse V verdrehbar, wobei zum Verdrehen ein
Antriebsmotor 23 vorgesehen ist, der mittels eines Stirnrades 24, das
mit dem Außengewinde 22 des Führungselementes 10 zusammenwirkt
das Führungselement 10 mit der Leiterdurchführung 9 in
eine Drehbewegung versetzten kann, durch die der Auslenkradius r
beeinflussbar ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004060290
A1 [0002]