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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Gießvorrichtung,
umfassend eine Anzahl von Gießeinheiten, die jeweils mindestens
eine Kokille mit einem Speiser aufweisen, einen drehbaren Rundtisch,
auf dem die Gießeinheiten voneinander beabstandet angeordnet
sind, und Mittel zur Einbringung einer Metallschmelze in die Kokillen
der Gießeinheiten. Darüber hinaus bezieht sich
die vorliegende Erfindung auf eine Kokille für eine Gießvorrichtung,
umfassend eine Kokillenwand, die einen Formhohlraum im Inneren der
Kokille definiert, in den eine flüssige Metallschmelze
eingebracht werden kann.
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Gießvorrichtungen
sowie Kokillen (Gießformen) für Gießvorrichtungen
sind aus dem Stand der Technik in zahlreichen unterschiedlichen
Ausführungsformen bekannt. Bislang ist insbesondere beim Schwerkraftgießen
eine erhebliche Speisermenge nötig, um zu gewährleisten,
dass die Kokille während des Gießprozesses vollständig
ausgegossen wird. Der Speiser muss dabei eine bestimmte Größe
haben, damit er möglichst spät erstarrt. Während
des Erstarrungsvorgangs muss gewährleistet werden, dass
stets genügend Schmelze aus dem Speiser nachgeliefert wird,
um eine Schwindung nach dem Gießen während des
Abkühlvorgangs des gegossenen Bauteils auszugleichen.
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Die
deutsche Patentanmeldung
DE 10 2004 046 962 A1 offenbart ein Gießverfahren
für einen Einzelgießplatz, wobei durch eine gezielte,
mindestens bereichsweise Einbringung von Wärme der Erstarrungsvorgang
der Schmelze zumindest in Teilbereichen verzögert wird.
Die Einbringung von Wärme kann dabei insbesondere im Bereich
des Speisers und/oder Steigers erfolgen. Bei diesem Verfahren kann
eine offene Flamme vorgesehen sein, die beispielsweise von einem
Gasbrenner erzeugt werden kann, mittels derer die Wärmeeinbringung
erfolgen kann. Das in der vorstehend genannten Druckschrift beschriebene
Verfahren dient dazu, gezielt Wärme in bestimmte Bereiche
der Schmelze einzubringen oder die Wärme in der Schmelze
zu halten. Das Verfahren eignet sich sowohl für Eisenmetalle
als auch für Nichteisenmetalle und kann insbesondere auch
auf einem Rundtisch mit einer Mehrzahl von Gießeinheiten
eingesetzt werden.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gießvorrichtung
der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, bei
der die Speisermenge im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik
bekannten Lösungen erheblich verringert werden kann. Darüber
hinaus liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine
Kokille der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der eine gezielte
Erwärmung einzelner Kokillenteile beziehungsweise Kokillenbereiche
während des Gießzyklus möglich ist.
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Hinsichtlich
der Gießvorrichtung wird die der vorliegenden Erfindung
zugrunde liegende Aufgabe durch eine Gießvorrichtung der
eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des
Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich der Kokille wird die der
vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe durch eine Kokille
der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden
Teils des Anspruchs 7 gelöst. Die Unteransprüche
betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Gemäß Anspruch
1 zeichnet sich eine erfindungsgemäße Gießvorrichtung
dadurch aus, dass die Gießvorrichtung zumindest eine bewegbare
Erwärmungseinrichtung aufweist, die während der
Drehung des Rundtischs über die mit der flüssigen
Metallschmelze gefüllten Kokillen der Gießeinheiten führbar
ist. Die erfindungsgemäße Gießvorrichtung gestattet
es, dass nach dem Einfüllen der Metallschmelze in eine
Kokille mittels der bewegbaren Erwärmungseinrichtung gezielt
Wärme in den Speiserbereich der entsprechenden Kokille
eingebracht werden kann. Für das Einbringen der Wärme
steht auf Grund der Rotationsbewegung des Rundtischs ein bestimmtes
Zeitfenster zur Verfügung, innerhalb dessen die Erwärmungseinrichtung über
dem Speiser mitgeführt wird und den Speiser erwärmt
oder zumindest die Abkühlgeschwindigkeit im Speiser reduziert. Durch
die gezielte Einbringung der Wärme kann der Speiser der
Gießvorrichtung auch mit einem geringeren Volumen lange
genug flüssig gehalten werden. Hierdurch wird in vorteilhafter
Weise weniger Schmelze benötigt, um das Gussteil dicht
zu speisen. Dabei können unterschiedliche Arten von Erwärmungseinrichtungen
eingesetzt werden. Es besteht zum Beispiel die Möglichkeit,
dass die Wärme über eine Flamme in den Speiserbereich
der Kokille eingebracht wird. Die eingebrachte Wärmeenergie
kann bei der hier vorgestellten Lösung dazu genutzt werden,
um die Erstarrungsgeschwindigkeit der Schmelze im Speiser zu verringern.
Somit kann in vorteilhafter Weise eine gerichtete Erstarrung auch
mit kleiner Speisermasse erfolgen und es kann eine erhebliche Menge
des Kreislaufmaterials eingespart werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass
die Gießvorrichtung eine Robotereinrichtung umfasst, an
der die Erwärmungseinrichtung angeordnet ist.
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Mittels
der Robotereinrichtung kann eine flexibel ansteuerbare Bewegung
der Erwärmungseinrichtung ermöglicht werden. Es
besteht in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform
die Möglichkeit, dass die Robotereinrichtung auf einer
Drehvorrichtung angeordnet ist. Diese Robotereinrichtung ist neben
dem Rundtisch angeordnet, auf dem die Gießeinheiten montiert
sind. Dadurch kann in vorteilhafter Weise eine Drehung der Robotereinrichtung
zusammen mit der daran angebrachten Erwärmungseinrichtung
um eine Drehachse erreicht werden, die sich parallel zur Drehachse
des Rundtischs erstreckt, auf dem die Gießeinheiten angeordnet
sind.
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Die
Erwärmungseinrichtung kann in einer bevorzugten Ausführungsform
einen Brenner mit einem Brennerkopf umfassen. Mittels der vorteilhaft vorgesehenen
Robotereinrichtung kann der Brennerkopf des Brenners in besonders
einfacher Weise über einen bestimmten Drehwinkel des Rundtischs, auf
dem die einzelnen Gießeinheiten angeordnet sind, mitgeführt
werden. In einer alternativen, besonders bevorzugten Ausführungsform
besteht die Möglichkeit, dass der Brenner ein Porenbrenner
ist. Der Porenbrenner kann mit herkömmlichen Brennersteuerungen
betrieben werden, wobei lediglich eine Gas- beziehungsweise Luftzufuhr
notwendig ist. Durch die Einbringung der Wärme mittels
des Porenbrenners können die Speiser der einzelnen Gießeinheiten auch
mit einem geringeren Volumen lang genug flüssig gehalten
werden. Bei einem Porenbrenner wird ein Gas-Luft-Gemisch in eine
poröse Hochtemperaturkeramik geleitet und reagiert dort.
Bei dieser Reaktion entsteht eine große Wärmemenge,
welche die poröse Hochtemperaturkeramik des Porenbrenners zum
Glühen bringt. Mit anderen Worten entsteht dabei keine
offene Flamme und der Verbrauch kann somit bei gleicher Leistung
gegenüber herkömmlichen Flammenbrennern in besonders
vorteilhafter Weise erheblich reduziert werden. Die Brennerleistung
des Porenbrenners kann in einer vorteilhaften Ausführungsform
stufenlos modulierbar sein, so dass eine im Wesentlichen homogene
Verteilung der Wärmeabstrahlung erhalten werden kann.
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Eine
erfindungsgemäße Kokille zeichnet sich gemäß Anspruch
7 dadurch aus, dass die Kokille zumindest einen Porenbrenner aufweist,
der in der Kokillenwand angeordnet ist und dazu geeignet ist, die Kokille
zumindest abschnittsweise zu erwärmen. Vorzugsweise weist
die Kokillenwand zumindest einen Aufnahmeraum auf, innerhalb dessen
der Porenbrenner angeordnet ist. Der bei der erfindungsgemäßen
Kokille eingesetzte Porenbrenner kann mit herkömmlichen
Brennersteuerungen betrieben werden. Es ist lediglich eine Gas-
beziehungsweise Luftzufuhr notwendig. Die erfindungsgemäße
Kokille ermöglicht in besonders vorteilhafter Weise das
gezielte Erwärmen von lokalen Bereichen innerhalb der Kokille.
Auf Grund einer homogenen Erwärmung bei gleichzeitig hoher
Leistungsdichte kann die gewünschte Zieltemperatur sehr
schnell erzeugt werden. Daraus ergibt sich insbesondere eine Energieeinsparung.
Mittels der hier vorgestellten Lösung kann somit eine schnelle
flächennahe Erwärmung einzelner Bereiche beziehungsweise
Teile der Kokille erreicht werden.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen,
dass der Porenbrenner lösbar in einem Aufnahmeraum der
Kokillenwand angeordnet ist. Der Porenbrenner kann dann zum Beispiel
mittels einer Robotereinrichtung in den Aufnahmeraum der Kokillenwand
eingesetzt werden und nach dem Gießprozess wieder aus dem
Aufnahmeraum entfernt werden, so dass der Porenbrenner anschließend
in einen passenden Aufnahmeraum einer weiteren Kokille eingesetzt
werden kann. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Gussteile
auf einem Rundtisch mit einer Anzahl von Gießeinheiten mit
jeweils mindestens einer Kokille gegossen werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass
der Porenbrenner einen Außendurchmesser aufweist, der ≤ 30
mm ist. Dadurch kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass räumlich
begrenzte Bereiche beziehungsweise Teile der Kokille auf effiziente
Weise erwärmt werden können.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen
sein, dass der Porenbrenner an einem Ende eine Brennerspitze aufweist, die
sich in Richtung des Formhohlraums der Kokille erstreckt. In einer
besonders vorteilhaften Ausführungsform kann sich die Brennerspitze
fast bis an den Formhohlraum der Kokille erstrecken, so dass nur
ein geringer Abstand zwischen der Brennerspitze und dem Formhohlraum
verbleibt. Während des Betriebs des Porenbrenners kann
ein Wärmeeintrag in diesen räumlich sehr eng begrenzten
Bereich der Kokille über die Brennerspitze des Porenbrenners
erfolgen. Durch diese Maßnahme können lokale Bereiche innerhalb
der Kokille gezielt erwärmt werden.
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Im
nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen beschrieben. Darin
zeigen
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1 eine
Draufsicht auf eine Gießvorrichtung, die gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
aufgebaut ist;
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2 eine
schematisch stark vereinfachte Schnittdarstellung eines Teils einer
Kokille, die gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.
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Unter
Bezugnahme auf 1 soll nachfolgend zunächst
eine Gießvorrichtung 1 näher beschrieben
werden, die gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Die Gießvorrichtung 1 weist
eine Anzahl von Gießeinheiten 2a–2f auf,
die jeweils eine Kokille mit einem Speiser umfassen, in die während
des Betriebs der Gießvorrichtung 1 eine flüssige
Metallschmelze eingegossen werden kann. In diesem Ausführungsbeispiel
weist die Gießvorrichtung 1 insgesamt sechs Gießeinheiten 2a–2f auf,
die voneinander beabstandet auf einem drehbaren Rundtisch 3 angeordnet
sind. Die Drehrichtung, in die sich der Rundtisch 3 während
des Betriebs der Gießvorrichtung 1 kontinuierlich
dreht, ist durch zwei Pfeile gekennzeichnet.
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Die
Gießvorrichtung 1 umfasst mehrere Prozessstationen,
die nachfolgend näher erläutert werden soll. Jede
der Gießeinheiten 2a–2f durchläuft
vor dem Einfüllen der flüssigen Metallschmelze
zunächst eine Formvorbereitungsstation 4, in der
die Kokillen für den anschließenden Einfüllprozess
der Metallschmelze vorbereitet werden. In der Darstellung gemäß 1 befindet
sich die mit dem Bezugszeichen 2a versehene Gießeinheit
im Bereich der Formvorbereitungsstation 4. An die Formvorbereitungsstation 4 schließt
sich in Drehrichtung des Rundtischs 3 eine Eingießstation 5 an,
bei der die flüssige Metallschmelze in die Kokille der
jeweiligen Gießeinheit 2a–2f eingegossen
wird. Bei Zylinderköpfen, die mit der in 1 dargestellten
Gießvorrichtung 1 hergestellt werden können,
wird in der Regel eine flüssige Metallschmelze aus einer
Aluminiumlegierung verwendet. Aluminiumlegierungen haben ihren Schmelzpunkt
bei einer Temperatur von über 600°C. Sie erstarren
allerdings nicht bei einer bestimmten (festen) Temperatur, sondern
in einem Erstarrungsintervall (Ausnahme: Eutektikum).
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In
Drehrichtung des Rundtischs 3 befindet sich hinter der
Eingießstation 5 eine Erwärmungsstation 6,
die eine Robotereinrichtung 7 umfasst, an der eine Erwärmungseinrichtung 8 bewegbar
angeordnet ist. Die Erwärmungsstation 6 umfasst ferner
eine Drehvorrichtung 9, auf dem die Robotereinrichtung 7 angebracht
ist. Die Robotereinrichtung 7 kann somit um eine Drehachse
der Drehvorrichtung 9 gedreht werden, die sich senkrecht
zur Zeichenebene erstreckt. Die Erwärmungseinrichtung 8 weist
in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel einen Brenner mit
einem Brennerkopf auf. Der Brenner kann zum Beispiel ein Gasbrenner
sein, der ein Gas-Luft-Gemisch bei offener Flamme verbrennt. Alternativ
kann der Brenner 8 auch ein Porenbrenner sein, innerhalb dessen
eine Reaktion mit einem Keramikschaum erfolgt und diesen zum Glühen
bringt. Bei dieser Reaktion entsteht eine große Wärmemenge,
welche die poröse Hochtemperaturkeramik des Porenbrenners zum
Glühen bringt. Die Brennerleistung des Porenbrenners kann
vorzugsweise stufenlos modulierbar sein, so dass eine im Wesentlichen
homogene Verteilung der Wärmeabstrahlung erhalten werden
kann.
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Nachdem
die flüssige Metallschmelze in die Kokille einer der Gießeinheiten 2a–2f eingegossen wurde,
erreicht die entsprechende Gießeinheit 2a–2f auf
Grund der kontinuierlichen Drehbewegung des Rundtischs 3 schließlich
die vorstehend bereits beschriebene Erwärmungsstation 6,
bei der eine Beflämmung der Kokille mit Hilfe der bewegbaren
Erwärmungseinrichtung 8 erfolgt. Auf Grund der
kontinuierlichen Drehbewegung des Rundtischs 3 steht ein
gewisses Zeitfenster für die Wärmeeinbringung
in die Kokille der jeweiligen Gießeinheit 2a–2f zur
Verfügung. Innerhalb dieses Zeitfensters wird der Brennerkopf
des Brenners der Erwärmungseinrichtung 8 mittels
der drehbaren Robotereinrichtung 7 oberhalb des Speisers
der jeweiligen Gießform mitgeführt. Durch diese
Maßnahme wird der Speiser erwärmt beziehungsweise
die Abkühlgeschwindigkeit innerhalb des Speisers reduziert.
Die Leistung des Brenners hängt dabei insbesondere vom
Gießmaterial sowie von der Masse des Speisers ab. Nach
ausreichender Beflammung wird der Brennerkopf des Brenners angehoben
und auf die Kokille der nachfolgenden Gießeinheit 2a–2f zurückgefahren,
so dass ein kontinuierlicher Zyklus entsteht. Somit können
mit nur einer Wärmeeinbringungsstation 5 mehrere Gießeinheiten 2a–2f auf
dem Rundtisch 3 unterstützt werden. Durch die
gezielte Einbringung der Wärme kann der Speiser der Gießvorrichtung 1 auch
mit einem geringeren Volumen lange genug flüssig gehalten
werden. Hierdurch ist in vorteilhafter Weise weniger Schmelze nötig,
um das Gussteil dicht zu speisen.
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In
Drehrichtung des Rundtischs 3 der Gießvorrichtung 1 ist
hinter der Wärmeeinbringungsstation 5 eine Entnahmestation 10 angeordnet,
die einen bewegbaren Entnahmeroboter 11 umfasst, mittels dessen
das fertige Gussteil aus der Kokille der jeweiligen Gießeinheit 2a–2f entnommen
werden kann. Der Entnahmeroboter 11 ist ebenfalls drehbar
auf einer der Entnahmestation 10 zugeordneten Drehvorrichtung 12 angeordnet.
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Unter
Bezugnahme auf 2 soll nachfolgend der Aufbau
einer Kokille 13, die gemäß einem weiteren
vorteilhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
ausgeführt ist, näher erläutert werden.
Die Kokille 13 weist einen Formhohlraum 14 auf, die
durch eine Kokillenwand 15 begrenzt wird. In den Formhohlraum 14 wird
während des Gießprozesses eine flüssige
Metallschmelze 18 eingebracht, die anschließend
innerhalb des Formhohlraums 14 erstarrt. In einem Bereich
der Kokillenwand 15 ist ein Aufnahmeraum ausgebildet, in
den ein Porenbrenner 16 eingesetzt ist. Der Porenbrenner 16 hat
in diesem Ausführungsbeispiel einen relativ geringen Durchmesser (vorzugsweise ≤ 30
mm) und weist an einem Ende eine Brennerspitze 17 auf,
die sich zum Formhohlraum 14 erstreckt und einen geringen
Abstand zum Formhohlraum 14 aufweist.
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Während
des Betriebs des Porenbrenners 16 kann ein Wärmeeintrag
in diesen Bereich der Kokille 13 lokal über die
Brennerspitze 17 erfolgen. Durch diese Maßnahme
können lokale, räumlich begrenzte Bereiche innerhalb
der Kokille 13 gezielt erwärmt werden. Mit anderen
Worten können bestimmte Formkonturbereiche der Kokille 13 gezielt
erwärmt werden, so dass eine gerichtete Erstarrung der Schmelze über
eine Mehrzahl von Gießzyklen gewährleistet werden
kann. Der Porenbrenner 16 kann mit Hilfe einer herkömmlichen
Brennersteuerung betrieben werden. Es ist lediglich eine Luft- beziehungsweise
Gaszufuhr notwendig. Mit Hilfe des Porenbrenners 16 wird
Wärme erzeugt, ohne dass eine offene Flamme die Werkzeugoberfläche
berührt. Dadurch entsteht weniger Abbrand und der Werkzeugverschleiß kann
verringert werden. Durch die hohe Leistungsdichte kann die gewünschte
Zieltemperatur sehr schnell erreicht werden, so dass auf Grund längerer
Betriebszeiten der mit dem Porenbrenner 16 ausgerüsteten
Kokillen 13 Energie eingespart und die Produktivität
insgesamt gesteigert werden kann.
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Es
besteht die Möglichkeit, dass der Porenbrenner 16 fest
in der Kokillenwand 15 angeordnet ist und immer dann in
Betrieb genommen wird, wenn die angrenzenden Konturbereiche der
Kokille 13 lokal erwärmt werden sollen. In einer
alternativen Ausführungsform besteht auch die Möglichkeit,
dass der Porenbrenner 16 lösbar in dem Aufnahmeraum
der Kokillenwand 15 angeordnet ist. Der Porenbrenner 16 kann
dann zum Beispiel mittels einer Robotereinrichtung in den Aufnahmeraum
der Kokillenwand 15 eingesetzt werden und nach dem Gießprozess
wieder aus dem Aufnahmeraum entfernt werden, so dass der Porenbrenner 16 in
den Aufnahmeraum einer anderen Kokille eingesetzt werden kann. Dies
ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Gussteile auf einem
Rundtisch mit einer Anzahl von Gießeinheiten mit jeweils
mindestens einer Kokille 13 gegossen werden.
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- 1
- Gießvorrichtung
- 2a
- Gießeinheit
- 2b
- Gießeinheit
- 2c
- Gießeinheit
- 2d
- Gießeinheit
- 2e
- Gießeinheit
- 2f
- Gießeinheit
- 3
- Rundtisch
- 4
- Formvorbereitungsstation
- 5
- Eingießstation
- 6
- Erwärmungsstation
- 7
- Robotereinrichtung
- 8
- Erwärmungseinrichtung
- 9
- Drehvorrichtung
- 10
- Entnahmestation
- 11
- Entnahmeroboter
- 12
- Drehvorrichtung
- 13
- Kokille
- 14
- Formhohlraum
- 15
- Kokillenwand
- 16
- Porenbrenner
- 17
- Brennerspitze
- 18
- Metallschmelze
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004046962
A1 [0003]