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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschneiden eines Werkstücks
nach der Laser-Remote-Methode, wobei ein Laserstrahl durch Bewegen
oder/und Verkippen eines Laserkopfs oder/und einer Laserstrahlablenkoptik
auf einen Bearbeitungsbereich, welcher mindestens eine Bearbeitungsstelle aufweist,
gelenkt wird, wobei ein aus mindestens einer Prozessgasdüse
austretendes Prozessgas verwendet wird. Ferner betrifft die Erfindung
eine Vorrichtung zum Laserbearbeiten eines Werkstücks umfassend
eine Einrichtung zur Lenkung eines Laserstrahls auf ein Werkstück
nach der Laser-Remote Methode mit mindestens einer bewegbaren und/oder verkippbaren
optischen Einheit und mindestens eine Prozessgasdüse.
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Als
Werkstück wird der zu bearbeitenden Gegenstand oder Gegenstände
bezeichnet; ein Werkstück kann also sowohl ein zusammenhängender
Gegenstand sein als auch zwei oder mehrere Gegenstände,
die in einem Produktionsschritt zusammengefasst werden.
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Beim
Laserschneiden wird als Regelfall ein Laserstrahl auf das zu bearbeitende
Werkstück fokussiert. Dabei werden Laserstrahl und Optikelemente
von einem Gehäuse geschützt und der Laserstrahl wird – bevor
er auf das Werkstück trifft – mit einer Linse
auf die Bearbeitungsstelle fokussiert. Diese Linse befindet sich
meist in einer Düse, wobei diese Düse dann auch
zur Zufuhr eines Schneidgases dient. Schneidgase unterstützen
dabei den Schneidvorgang positiv. Beim Schneiden von eisenhaltigen Werkstoffen
mit Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Gasgemischen wird durch Verbrennung
des Sauerstoffs mit dem Eisen zusätzlich Energie in den Schneidprozess
eingebracht und man spricht vom Laserbrennschneiden.
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Bei
den sogenannten Laser-Remote-Methoden, welche auch als Laser-Scanner-Methoden
bezeichnet werden, wird ein langbrennweitig fokussierter Laserstrahl
hoher Strahlqualität frei über das dreidimensionale
Werkstück gelenkt. Dies geschieht beispielsweise, indem
der Laserstrahl mittels verkippbarer Spiegel über das Werkstück
bewegt wird und durch die hochdynamische Verkippung feststehender Spiegel
in großem Abstand über dem Werkstück
eine sehr schnelle Bewegung des Laserstrahls auf dem Werkstück
erreicht wird. Dazu ist ein Spiegelsystem im großen Abstand über
dem Werkstück angebracht. In vielen Fällen ist
dieses Spiegelsystem zusätzlich verfahrbar. In sehr vielen
Fällen ist dieses Spiegelsystem in einem Laserkopf angebracht
und der Laserkopf wird über dem Werkstück bewegt.
Bei kleinen und handlichen Lasern wird die Verkippung des Laserstrahls
meist durch Verkippen der Laserquelle selbst erreicht. In der Regel
ist dann die Laserquelle in dem Laserkopf angebracht und man sieht
die Bewegung des Laserkopfs. Auch hier ist der Laserkopf fast immer
zusätzlich verfahrbar. In manchen Fällen wird
die Bewegung auch ausschließlich durch ein Hin und Herfahren
des Laserkopfs erreicht. In vielen Fällen wird, um die
Bearbeitungsgeschwindigkeit zu maximieren, immer wieder auch gleichzeitig
die fahrende und die kippende Bewegung ausgeführt. Die
Laserleistung wird synchron zur Bewegung des Laserstrahls auf dem
Werkstück gesteuert. Der Laser ist dabei in einem Bereich
von ca. 40 cm bis 180 cm, meist in einem Bereich von 60 cm bis 1
m über dem Werkstück angeordnet und kann einen
Werkstückbereich überstreichen, der im allgemeinen
im Bereich von 60 × 60 cm bis 1 × 2 m liegt. Jedoch
sind auch deutlich größere Werkstückbereiche
bearbeitbar. Die Bewegung des Laserstrahls auf dem Werkstück
erfolgt mit hoher Geschwindigkeit. Ein Optikelement in unmittelbarer
Nähe zur Bearbeitungsstelle ist nicht notwendig. Die Verfahren
gemäß der Laser-Remote-Methode zeichnen sich folglich
durch eine sehr hohe Produktivität aus und werden nahezu
ausschließlich automatisiert ausgeführt.
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Beim
Laserschneiden nach der Laser-Remote-Methode wird der Laserstrahl über
das Werkstück gelenkt und schneidet dabei das Werkstück.
Dabei wird ohne Schneidgas gearbeitet, also an Atmosphäre.
Mit der Laser-Remote-Methode können Werkstücke
bis zu einer Dicke von höchstens 0,5 mm geschnitten werden.
Hohe Schneidgeschwindigkeiten sind nur bei Werkstück möglich,
eine Dicke von maximal 0,1 mm aufweisen. Diese Beschränkung
hinsichtlich Werkstückdicke und Bearbeitungsgeschwindigkeit
ist unbefriedigend, da aufgrund dieser der wesentliche Vorteil der
Laser-Remote-Methode, der in der hohen Bewegungsgeschwindigkeit
des Laserstrahls auf dem Werkstück liegt, nur unzureichend genutzt
werden kann.
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Aus
der
WO 90/06206 ist
eine Mikrolasermaschine zum Behandeln kleiner Objekte bekannt, wobei
die kleinen Objekte in einer luftdichten Kammer angeordnet sind,
die dann mit einem reaktiven Gas geflutet wird. Diese Vorrichtung
eignet sich allerdings nur für kleine Gegenstände.
Auch aus der
EP 102 835
B1 ist ein Schweißapparat bekannt, der eine gasdichte
Schweißkammer enthält, die von unten mit einem
Schutzgas geflutet wird. Auch diese Vorrichtung eignet sich nur
zum Bearbeiten relativ kleiner Gegenstände, die in die
Kammer eingeschlossen werden können. Auch ist das Fluten
von Kammern zeitintensiv und dauert mitunter im Vergleich zum eigentlichen Schweißvorgang
relativ lange.
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Die
DE 10 218 296 lehrt die
Benutzung einer Wanne, in welche das zu bearbeitende Werkstück gelegt
wird uns welche mit Prozessgas gefüllt wird, so dass das
zu bearbeitende Werkstück mit Prozessgas gefüllt
wird. Auch die
DE 10 2005
011 885 und die
EP 1481752 lehren
das gesamte zu bearbeitenden Werkstück mit Prozessgas zu
bedecken. Nachteilig an diesen Verfahren ist jedoch, dass sehr große Volumina
mit Prozessgas gefüllt werden müssen.
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Aus
der
DE 10 2006
021 622 A1 wiederum ist es bekannt, den zu bearbeitenden
Bereich, welcher von dem Laserstrahl erreicht werden kann, in einzelne
Segmente zu unterteilen, welche nacheinander auch mit unterschiedlichen
Prozessgasen beaufschlagt werden können.
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Ein
Hinführen von Prozessgas an die zu bearbeitende Stelle
beim Laser-remote-Schweißen ist auch aus der
WO 2006/050043 bekannt. Dabei
wird das Prozessgas über Befestigungs- beziehungsweise
Hebevorrichtungen, über welche das Werkstück in Position
gebracht wird, zugeführt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Bearbeiten nach der Laser-Remote-Methode anzugeben, bei welchem
der Bearbeitungsstelle ein Prozessgas zugeführt wird, wobei
die Prozessgaszufuhr den Arbeitsraum des Laserstrahls nicht oder
zumindest nur kaum einschränkt. Ferner sollte das Verfahren
und die Vorrichtung in die bei der Laser-Remote-Methode vorzufindende
Automatisierung einzubinden sein und die Vorteile der Laser-Remote-Methode
bezüglich der hohen Produktionsgeschwindigkeit sollten
möglichst weitgehend erhalten bleiben.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass während des Bearbeitens des Werkstücks von
der Prozessgasdüse ein Bearbeitungsbereich begast wird,
danach die Prozessgasdüse bewegt wird und wiederum danach
ein anderer Bearbeitungsbereich begast wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren macht es möglich,
dass auch beim Bearbeiten nach der Laser-Remote-Methode ein Prozessgas
an den Bearbeitungsstellen eingesetzt werden kann ohne dass dabei
die Laser-Remote-Methode nennenswert eingeschränkt wird.
Durch die hinsichtlich der Prozessgaszufuhr stattfindende Unterteilung
des Werkstücks in Bearbeitungsbereiche, die nacheinander
begast werden, wird es möglich eine Prozessgaszufuhr bereitzustellen,
die der Schnelligkeit der Laser-Remote-Methode folgen kann. Bei
der Laser-Remote-Methode bearbeitet der Laserstrahl einzelne Bearbeitungsstellen,
die meist nur eine sehr geringe räumliche Ausdehnung aufweisen
und von welchen der Laserstrahl sehr schnell zu der nächsten
Bearbeitungsstelle springt. Bearbeitungsstellen, die nun sehr dicht beisammen
liegen, bilden einen Bearbeitungsbereich. Falls jedoch in einem
Gebiet nur eine einzelne Bearbeitungsstelle liegt, weist der Bearbeitungsbereich
nicht zwei oder mehrere Bearbeitungsstellen sondern nur eine Bearbeitungsstelle
auf. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden
nun die Bearbeitungsstellen eines Bearbeitungsbereichs gemeinsam
begast. Den sehr schnellen Bewegungen des Laserstrahls in dem Bearbeitungsbereich
muss somit mit der Prozessgaszufuhr nicht gefolgt werden. Den weiteren
und damit langsameren Bewegungen von Bearbeitungsbereich zu Bearbeitungsbereich
hingegen folgt die Prozessgasdüse, so dass die Prozessgaszufuhr
räumlich und zeitlich auf die Bearbeitungsstellen konzentriert
ist. Sollte die Bewegung des Laserstrahls zwischen zwei Bearbeitungsbereichen
so schnell sein, dass die Prozessgasdüse auch diesen nicht
folgen kann, so ist auf den zweiten Bearbeitungsbereich eine zweite
Prozessgasdüse zu richten. Während nun die zweite
Prozessgasdüse diesen zweiten Bearbeitungsbereich begast,
wird die erste Prozessgasdüse zu dem nächsten
Bearbeitungsbereich bewegt. Die beiden Prozessgasdüsen
wechseln sich somit bei der Begasung immer ab. Möglich ist
natürlich auch ein Abwechseln von drei oder mehr Prozessgasdüsen.
Auch ein Überspringen eines Bearbeitungsbereichs beim Begasen
ist möglich, wenn beispielsweise für eine Bearbeitungsstelle
kein Prozessgas erforderlich ist.
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Aufgrund
dessen, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
eine zeitlich und räumlich optimierte Begasung stattfindet,
ist die benötigte Gasmenge so gering wie möglich.
Weiterhin eröffnet dies die Möglichkeit eine Begasung,
also eine Gaszufuhr, die mit einem Strom an Prozessgas verbunden
ist, durchzuführen.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich,
auch beim Laser-Remote-Schneiden die Bearbeitungsstellen zu begasen.
Durch das Begasen ist eine sehr gute Einwirkung auf den Schneidprozess
gewährleistet. Da es sich um ein Begasen handelt, bei welchem
vorteilhafterweise eine Prozessgasstrom gegen die Werkstückoberfläche
geleitet wird, wird an der oder den Bearbeitungsstellen im Bearbeitungsbereich
ein Austreiben des geschmolzenen Materials erreicht, wodurch sich
eine Verbesserung des Schneidergebnisses einstellt.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren werden der oder
die Bearbeitungsstellen des Bearbeitungsbereichs begast. Es ist
somit möglich, das verflüssigte und verdampfte
Material mit Hilfe des Prozessgasstroms abzutragen. Durch das Abtragen
des Materials wird eine deutlich Verbesserung des Schneidprozesses
erreicht, da das Material nun nicht mehr, wie beim Laser-Remote-Schneiden
an Atmosphäre, vollständig verdampfen und sich
verflüchtigen muss. Diese Prozessverbesserung kann nun
zu einer Erhöhung der Schneidgeschwindigkeit verwendet
werden oder/und es besteht die Möglichkeit, dicke Werkstücke
zu schneiden. Weiterhin wirkt sich das Prozessgas an der Bearbeitungsstelle
vorteilhaft auf die Schneidqualität aus. Werden eisenhaltige Werkstücke
geschnitten und als Prozessgas Sauerstoff oder sauerstoffhaltige
Gasmischungen verwendet, zeigt sich ein weiterer Vorteil der Erfindung:
Das Eisen des Werkstücks reagiert mit dem Sauerstoff, wodurch
zusätzliche Energie in den Schneidprozess eingebracht wird.
Aufgrund von diesem erhöhten Energieeintrag pro Zeiteinheit
kann, da ja die zusätzliche Energie zur Verdampfung und
Verflüssigung von weiterem Material verwendet wird, die
Schneidgeschwindigkeit erhöht werden.
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Vorteilhafterweise
ist die Prozessgasdüse in einem Abstand von 3 bis 220 cm,
vorzugsweise von 5 bis 180 cm, weiter bevorzugt 10 bis 150 cm und
besonders bevorzugt von 30 bis 120 cm über dem Werkstück
(3) angeordnet. Damit ist die Prozessgasdüse genügend
weit über dem Werkstück angebracht, so dass die
Prozessgasdüse die Laserstrahlführung gemäß dem
Laser-Remote-Prozess nicht stört und trotzdem ein Begasen
der Bearbeitungsbereiche möglich ist.
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Vorteilhafterweise
wird die Prozessgasdüse mit einer Fahrbewegung bewegt.
Ein Verfahren der Prozessgasdüse ist insbesondere dazu
geeignet, den Weg zwischen den verschiedenen Bearbeitungsbereichen
zu überwinden. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung
ist die Prozessgasdüse dazu auf einem Robotorarm angebracht.
Besonders vorteilhaft ist dabei, damit möglichst wenig
Ausrüstung benötigt wird, Prozessgasdüse
und Laserkopf auf demselben Robotorarm anzubringen. Möglich
ist es aber auch die Prozessgasdüse durch Kippen zu bewegen
oder sowohl zu Kippen als auch zu Verfahren, um zu einem anderen
Bearbeitungsbereich zu gelangen.
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Mit
besonderen Vorteilen werden zumindest ein Teil der Parameterwerte,
die zur Lenkung des Laserstrahls verwendet werden, auch zur Führung
des Prozessgases benutzt. Ein Herausarbeiten von Parametern für
die Prozessgasführung ist also nicht notwendig, welche
auch eine Fehlerquelle darstellt.
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Vorteilhafterweise
wird der jeweilige Bearbeitungsbereich vor oder/und während
der Bearbeitung durch den Laserstrahl begast. Dadurch wird die Menge
an benötigtem Prozessgas, auch wenn mehrere Bearbeitungsstellen
gleichzeitig begast werden, so gering wie möglich gehalten.
Das Führen von Prozessgas an die Bearbeitungsstelle bereits
vor der Bearbeitung hat den Vorteil, dass die Bearbeitungsstelle bereits
optimal für den Laserstrahl vorbereitet ist und das Schneiden
sofort und ohne jede Verzögerung beim Auftreffen des Laserstrahls
unter Prozessgas beginnen kann.
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Vorteilhafterweise
werden als Prozessgas Sauerstoff, Stickstoff oder/und Argon verwendet.
Mit diesen Gasen und Gasmischungen aus diesen Gasen ist eine besonders
vorteilhafte Beeinflussung der Bearbeitungsstellen gegeben. So ist
bei Verwendung von Sauerstoff beim Schneiden von eisenhaltigen Werkstoffen
ein zusätzlicher Energieeintrag gegeben.
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Für
das erfindungsgemäße Verfahren wird eine Vorrichtung
gemäß Anspruch 7 verwendet. Mit einer derartigen
Anordnung lässt sich das erfindungsgemäße
Verfahren besonders vorteilhaft ausführen.
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Die
Aufgabe wird ferner für die Vorrichtung dadurch gelöst,
dass die Prozessgasdüse von dem Werkstück einen
Abstand von 3 bis 220 cm aufweist und während der Laserbearbeitung
des Werkstücks bewegbar ist. Durch die erfindungsgemäße
große Entfernung stören sich Laser-Remote-Vorrichtung und
Prozessgasdüse nicht. Ferner ist gewährleistet, dass
die Prozessgasdüse die verschiedenen Bearbeitungsbereiche
erreichen kann. Bei einem Einsatz der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zeigen sich die vorgenannten Vorteile.
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Vorteilhafterweise
beträgt der Abstand zwischen 5 bis 180 cm, vorzugsweise
zwischen 10 bis 150 cm, besonders bevorzugt zwischen 30 bis 120 cm.
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In
besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Prozessgasdüse
eine Mittelachse auf deren Verlängerung eine in Richtung
des Laserstrahls vor dessen Auftreffen auf dem Werkstück gelegte
Gerade unter einem Winkel von 0 bis 45° schneidet. Eine
derartige Anordnung der Prozessgasdüse führt dazu,
dass Laserstrahl und Prozessgasstrom parallel bis zu einer Abweichung
von maximal 45°, vorzugsweise von maximal nur 30° in
Richtung des Werkstücks geführt werden. Damit
ist gewährleistet, dass Laserstrahl und Prozessgas in das Werkstück
hinein wirken.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Prozessgasdüse
und die Einrichtung zur Lenkung des Laserstrahls nach der Laser-Remote-Methode 3 bis
50 cm, vorzugsweise 5 bis 30 cm voneinander beabstandet. Bei einer
solchen Anordnung ist es besonders einfach, das Prozessgas als Prozessgasstrom
an den Bearbeitungsbereich zu führen.
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Die
Erfindung ist im Folgenden in beispielhaften und bevorzugten Ausführungsformen
näher beschrieben.
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Gemäß einer
beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung, dargestellt in 1,
tritt aus einem Laserkopf 1 ein Laserstrahl 2 aus
und trifft auf ein Werkstück 3. Das Werkstück
ist hier beispielhaft als eben dargestellt, jedoch sind Werkstücke,
die nach der Laser-Remote-Methode bearbeitet werden, häufig
uneben, unterbrochen und dreidimensional. Der Laserstrahl bearbeitet
auf dem Werkstück 3 einen Bearbeitungsbereich 9.
In dem Bearbeitungsbereich 9 befinden sich mehrere, beispielsweise
drei Bearbeitungsstellen 4, von welchen eine die aktuelle
Bearbeitungsstelle 8 ist, auf welche der Laserstrahl 2 gerade auftrifft.
Aus einer Prozessgasdüse 5 tritt ein Prozessgas
aus und bildet einen Prozessgasstrom 7. Der Prozessgasstrom
begast den Bearbeitungsbereich 9.
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2 zeigt
nun ein Werkstück 3 mit mehreren Bearbeitungsbereichen 9,
wobei die Bearbeitungsbereiche 9 eine oder mehrere Bearbeitungsstellen 4 aufweisen.
Die Anordnung, Größe und Gestalt der Bearbeitungsbereiche 9 und
der Bearbeitungsstellen 4 ist dabei rein schematisch und
beispielhaft. Die Bearbeitungsbereiche 9 sind meist ungleichmäßig über
das Werkstück verteilt. Der Bearbeitungsbereich 9 mit
der aktuellen Bearbeitungsstelle 8 wird nun, wie in 1 gezeigt,
mit Prozessgas begast. Nach Bearbeitung des aktuellen Bearbeitungsbereichs
wird die Prozessgasdüse 5 bewegt und anschließend
wird ein anderer Bearbeitungsbereich begast. So werden nacheinander
verschiedene Bearbeitungsbereiche 9, wie sie in 2 gezeigt sind,
unter Prozessgas bearbeitet. Von Vorteil ist es dabei in vielen
Fällen, die Bearbeitung durch eine Prozessgaszufuhr vorzubereiten.
Dazu wird während ein erster Bearbeitungsbereich von einer
Prozessgasdüse begast und vom Laserstrahl bearbeitet wird ein
zweiter Bearbeitungsbereich bereits von einer anderen Prozessdüse
begast. Ist der erste Bearbeitungsbereich fertig, so wird der Laserstrahl
zu dem zweiten Bearbeitungsbereich geführt und die Bearbeitung
findet unter Prozessgas, das von der zweiten Prozessgasdüse
bereitgestellt wir, statt. Währendessen kann die erste
Prozessgasdüse einen weiteren Bearbeitungsbereich vorbereiten.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Prozessgasdüse
und die Einrichtung zur Lenkung des Laserstrahls nach der Laser-Remote-Methode an
ein und demselben Robotorarm befestigt. Dies ist aus wirtschaftlichen
Gesichtpunkten von Vorteil, da so der apparative Aufwand bei einem
Einsatz von Prozessgas gering bleibt. Möglich ist jedoch
auch, und dies kann in bestimmten Anwendungsfällen wiederum
von Vorteil sein, einen unabhängigen Robotorarm für
die Prozessgasdüse vorzusehen. Dieser mit der Prozessgasdüse
bestückte Robotorarm kann beispielsweise auf der dem Robotorarm,
an welchem die Einrichtung zur Lenkung des Laserstrahls angebracht
ist, gegenüberliegenden Seite angeordnet sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 90/06206 [0006]
- - EP 102835 B1 [0006]
- - DE 10218296 [0007]
- - DE 102005011885 [0007]
- - EP 1481752 [0007]
- - DE 102006021622 A1 [0008]
- - WO 2006/050043 [0009]