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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Plasma-Schweißen von
metallischen Werkstücken mit einem Plasmabrenner, wobei
beim Schweißen zwischen dem Werkstück und einer
Elektrode des Plasmabrenners ein Schweißlichtbogen gezündet
wird, in den ein Schweißdraht aus einer Drahtzuführung
zugeführt wird, und wobei der Schweißdraht aufgeschmolzen
wird.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin eine Schweißvorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens.
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Derartige
Schweißverfahren sind in verschiedenen Varianten aus dem
Stand der Technik bekannt. So wird beispielsweise beim Lichtbogenschweißen
ein Grundstoff des Werkstücks sowie ein Zusatzwerkstoff
in einem Lichtbogen aufgeschmolzen, wobei der Zusatzwerkstoff dabei
als Elektrode oder aber stromlos zugeführt werden kann.
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Aus
der
DE 37 28 473 A1 ist
eine Plasma-Heißdraht-Auftragsschweißung bekannt,
bei dem das Anschmelzen des Zusatzwerkstoffes, insbesondere eines
Schweißdrahtes, durch einen oszillierenden, mit nicht abschmelzender
Elektrode arbeitenden Plasmabrenner mit übertragenem Lichtbogen
erfolgt. Der Zusatzwerkstoff bzw. der Schweißdraht wird
im Nachlauf des Plasmabrenners zugeführt und im direkten
Stromdurchgang mit Hilfe des Heißdrahtprinzips unmittelbar
unter der Schmelztemperatur aufgeheizt. Zur Erzielung einer stabilen
Prozessführung werden die verfahrenstechnischen Parameter mit
Hilfe eines Prozessrechners und einer entsprechenden Software optimal
aufeinander abgestimmt. Die für das Verfahren wesentlichen
Parameter sind die Gasversorgung, die Plasmastromquelle mit Zündeinheit,
die Pendelbewegung, die Drahtvorschubeinheit mit Richtwerk sowie
die Heißdrahtstromquelle.
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Des
Weiteren sind aus der
DE
35 35 212 A1 und der
EP 0 803 309 A1 derartige Brenneraufbauten bekannt,
bei denen an einem Brenner mit nicht abschmelzender Elektrode ein
einziger Schweißdraht zugeführt wird.
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Bei
dem ARCOTOM-Verfahren brennt beispielsweise ein Lichtbogen zwischen
zwei in einem Halter untergebrachten Wolframelektroden. Durch spezielle
Ringdüsen wird jede Elektrode von Wasserstoff umspült,
der unter Energieaufnahme bei gleichzeitiger Elektrodenkühlung
atomar zerfällt und sich am Rande des Lichtbogens, d. h.
im Bereich der eigentlichen Schweißstelle, unter Wärmeabgabe
wieder zu Molekülen vereint. Entsprechend arbeitet das Plasma-Schweißen.
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Ein
weiteres Schweißverfahren unter Schutzgas stellt das so
genannte Wolfram-Inertgas-Verfahren (WIG-Verfahren) dar. Hier wird
ein Lichtbogen mit einer nicht abschmelzenden Elektrode aus Wolfram
erzeugt, wobei zumindest zwei Schweißdrähte bzw.
Zusatzstoffe über Drahtzuführungsvorrichtungen
in den Verbindungsbereich, insbesondere in den Schweißbereich
der zu verbindenden Werkstücke zugeführt werden.
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Beim
Lichtbogen-Plasmabrenner wird ein strömendes Gas (z. B.
Argon, Stickstoff) von einem Lichtbogen ionisiert und auf Temperaturen
von 10000 bis 20000 K aufgeheizt, beim Hochfrequenz-Plasmabrenner
wird das strömende Gas durch Anlegen eines hochfrequenten
elektromagnetischen Feldes (Frequenzen von etwa 20 MHz) ionisiert.
Anwendungen neben dem Schweißen sind u. a. das Aufspritzen von
Materialien als hochtemperaturfeste Überzüge auf
Werkstücken oder das Schmelzen und Schneiden von u. a.
nicht leitenden Werkstoffen. Nachteilig ist hierbei allerdings der
Umgang mit dem hochfrequenten elektromagnetischen Feld im Hinblick
auf dessen Abschirmung.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Plasma-Schweißen
bereitzustellen, bei dem einerseits der Abschirmungsaufwand minimiert und
andererseits eine stabile Prozessführung gewährleistet
werden kann.
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Es
ist weiterhin Aufgabe der Erfindung eine entsprechende Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
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Die
das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst,
dass zum Schweißen von einem Pilotlichtbogenbetrieb auf
einen Schweißlichtbogenbetrieb umgeschaltet wird, wobei
in der Zeit außerhalb des aktiven Schweißvorgangs
während des Pilotlichtbogenbetriebs ein Pilotlichtbogen erzeugt
wird.
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Dabei
ist in bevorzugter Verfahrensvariante vorgesehen, dass während
des Schweißlichtbogenbetriebs der Schweißlichtbogen über
eine Hauptstromquelle mit Gleichstrom und/oder dass während des
Pilotlichtbogenbetriebs der Pilotlichtbogen über eine Pilotlichtbogensteuerung
mit Gleichstrom versorgt wird.
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Die
die Vorrichtung betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass die Schweißvorrichtung eine Hauptstromquelle zur Versorgung
des Plasmabrenners mit Gleichstrom während des Schweißens
sowie eine zweite Gleichstromquelle aufweist, mit der der Pilotlichtbogen
während eines Pilotlichtbogenbetriebs mit Gleichstrom versorgbar
ist.
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Dabei
ist vorgesehen, dass ein negativer Pol der Hauptstromquelle sowie
der negative Pol der zweiten Gleichstromquelle mit der Elektrode,
ein positiver Pol der Hauptstromquelle mit dem Werkstück und
der positive Pol der zweiten Gleichstromquelle mit der Plasmadüse
elektrisch leitfähig verbunden sind. Dies ermöglicht
einerseits eine problemlose Umschaltung zwischen den beiden Betriebsarten. Andererseits
können Komponenten von anderen Schweißsystemen
in einer Anlage einfach und mit niedrigem finanziellem Aufwand miteinander
kombiniert werden. So kann beispielsweise ein herkömmlicher
Pulver-Plasmabrenner, der lediglich geringfügig modifiziert
wurde, mit einer WIG-Stromquelle ohne Hochfrequenz-Erzeugung betrieben
werden, wobei zur Erzeugung des Pilotlichtbogens beispielsweise eine
zweite WIG-Stromquelle verwendet werden kann.
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Mit
dem Verfahren und der Vorrichtung kann erreicht werden, dass eine
aufwendige Abschirmung, beispielsweise der Schweißkabine,
gegenüber den sonst üblichen Plasma-Schweißverfahren
mit Hochfrequenzanregung entfallen kann. Ein weiterer Vorteil ergibt
sich aus der Tatsache, dass während des inaktiven Betriebs
der Plasmabrenner mit dem Pilotlichtbogen bereits auf Betriebstemperatur
gehalten werden kann, da dieser ständig brennt, so dass
beim Umschalten auf den Schweißlichtbogen bessere Schweißergebnisse
erzielt werden können. Schweißspritzer können
beim Umschalten auf den Schweißlichtbogen weitgehend vermieden
werden.
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Dabei
ist vorgesehen, dass der Pilotlichtbogen zwischen Elektrode und
einer diese umgebende Plasmadüse erzeugt wird und zum Schweißen
der Schweißlichtbogen zwischen der Elektrode des Plasmabrenners
und dem Werkstück aktiviert wird.
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Dabei
bildet sich im Pilotlichtbogenbetrieb lediglich ein kleiner Lichtbogen
aus, der aber ausreicht, den Schweißlichtbogen zu zünden.
Durch den Schweißlichtbogen kann dann das Werkstück
sehr schnell aufgeheizt werden.
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Als
vorteilhaft hat sich dabei herausgestellt, wenn während
des Schweißlichtbogenbetriebs ein Schweißstrom
im Bereich von 100 bis 300 A und während des Pilotlichtbogenbetriebs
ein Pilotlichtbogenstrom von kleiner 20 A eingestellt wird.
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Wird
während des Schweißlichtbogenbetriebs der Draht
im Bereich des Pilotlichtbogens gehalten, kann damit erreicht werden,
dass bereits eine Vorwärmung des Drahtes erfolgt. Weiterhin
ist vorgesehen, dass der Schweißdraht während
des Schweißlichtbogenbetriebs potentialfrei zugeführt und
während des Schweißvorganges stromlos gehalten
wird.
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Die
vorteilhafte Ausgestaltung des Plasmabrenners sieht vor, dass die
Elektrode des Plasmabrenners eine diese umgebende Plasmadüse
aufweist, über die ein Prozessgas, beispielsweise Argon oder
ein Argon-Mischgas, zuführbar ist, und wobei die Plasmadüse
eine diese umgebende Schutzgasdüse aufweist, über
die ein Schutzgas, z. B. Stickstoff, zuführbar ist. Mit
derartigen Plasmabrennern können Temperaturen bis zu 25000
K im Kern des Lichtbogens erzeugt werden, wobei aufgrund der besonderen
chemischen Prozessabläufe im Plasma hohe Wärmeleistungen
an das Werkstück übertragen werden können.
Die Zuführung von Schutzgas beim Schweißen bewirkt,
dass das Werkstück während des Schweißvorgangs
nicht oxidiert bzw. verzundert.
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Die
Umschaltung zwischen Pilotlichtbogenbetrieb und Schweißlichtbogenbetrieb
wird in einer bevorzugten Verfahrensvariante über ein Steuerungsinterface
einer Steuereinheit durchgeführt, so dass beispielsweise
der Schweißlichtbogenbetrieb genau dann beginnt, wenn der
Plasmabrenner mittels einer Verfahrvorrichtung bzw. einem Schweißroboter
in eine zum Schweißen optimale Position in Bezug auf das
Werkstück herangefahren wurde.
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Dabei
kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Hauptstromquelle über
ein Steuersignal von dem Steuerungsinterface ansteuerbar ist. Die
zweite Gleichstromquelle zur Versorgung des Pilotlichtbogens kann
Bestandteil einer Pilot-Lichtbogensteuerung sein, die mittels des
Steuerungsinterfaces ansteuerbar ist. Die Hauptstromquelle und die
zweite Gleichstromquelle können aber auch Bestandteil einer
einzigen Versorgungseinheit sein.
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Das
Steuerungsinterface der Steuereinheit ist in bevorzugter Ausführungsvariante über
einen Steuereingang mit einer übergeordneten Steuerung verbunden,
so dass alle Parameter mit entsprechenden Schweißlisten über
diese übergeordnete Steuerung, beispielsweise eine Roboter-Steuerung,
vorgegeben werden können. Andererseits können über dieses
Steuerungsinterface auch Zustandsmeldungen, beispielsweise Fehlermeldungen
der Sub-Komponenten der Schweißvorrichtung an diese übergeordnete
Steuerung zurückgemeldet werden. Dies erlaubt sowohl eine
Einbindung in vollautomatisierten Roboter-Schweißstraßen
als auch eine Handschweißung, wobei sich die Parameter
für das Handschweißverfahren analog, beispielsweise über
Potentiometer, oder digital eingeben lassen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform weist die Steuereinheit
eine Durchflusskontrolle für eine Wasserkühlung
des Plasmabrenners, eine Drahtvorschubregelung für die
Drahtzuführung und eine Gasdruck- und Durchflusskontrolle
zur Regelung des Schutzgaszuflusses bzw. des Plasmagaszuflusses auf,
die mittels des Steuerungsinterfaces ansteuerbar sind. Damit kann
erreicht werden, dass alle für den Schweißbetrieb
notwendigen Parameter einerseits über das Steuerungsinterface
vorgegeben und andererseits entsprechende Zustandsmeldungen zwecks
Weitergabe an die übergeordnete Steuerung über
das Steuerungsinterface gesammelt und aufbereitet werden können.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigt:
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1 ein
Blockschema einer Schweißvorrichtung in einem Pilotlichtbogenbetrieb
und
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2 einen
Ausschnitt der Schweißvorrichtung in einem Schweißlichtbogenbetrieb.
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1 zeigt
eine Schweißvorrichtung 1 in einer schematisierten
Blockdarstellung, die einen Plasmabrenner 10 zum Schweißen
eines metallischen Werkstückes 20 sowie eine Steuereinheit 30 und eine
Hauptstromquelle 40 zur Versorgung des Plasmabrenners 10 aufweist.
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Der
Plasmabrenner 10 besteht aus einer im Plasmabrenner 10 zentral
angeordneten Elektrode 13, beispielsweise aus einem nicht
oder schwerschmelzbaren Material, wie beispielsweise Wolfram, die
von einer Plasmadüse 11 umgeben ist, wobei diese
eine die Plasmadüse 11 umgebende Schutzgasdüse 12 aufweist, über
die Schutzgas zuführbar ist. In die derart ausgebildete
Plasmadüse 11 wird über einen Plasmagaszufluss 15 Argon
oder eine Mischung aus Argon und einem anderen Gas, z. B. Stickstoff, zugeführt.
Die Schutzgasdüse 12 weist einen Schutzgaszufluss 14 auf, über
den das Schutzgas dem Plasmabrenner 10 zuführbar
ist.
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Die
Steuereinheit 30 weist ein Steuerungsinterface 32 auf,
welches über einen Steuereingang 31 mit einer übergeordneten
Steuerung, beispielsweise einer Roboter-Steuerung verbunden ist. Über
dieses Steuerungsinterface 32 können alle Parameter
der Schweißvorrichtung 1 mit entsprechenden Schweißlisten
gesteuert werden. Andererseits können auch Zustandsmeldungen
bzw. Fehlermeldungen über dieses Steuerungsinterface 32 an
die übergeordnete Steuerung zurückgeführt
werden.
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Mittels
einer Durchflusskontrolle 33 kann als ein Bestandteil der
Steuereinheit 30 ein Wasserzufluss 50 für
eine Wasserkühlung 17 des Plasmabrenners 10 geregelt
werden.
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Ein
weiterer Bestandteil der Steuereinheit 30 betrifft im gezeigten
Ausführungsbeispiel eine Drahtvorschubregelung 34 für
eine Drahtzuführung 16 eines Schweißdrahtes
in den Bereich der Spitze des Plasmabrenners 10. Dabei
ist vorgesehen, dass die Drahtzuführung 16 am
Plasmabrenner 10 potentialfrei ausgeführt ist.
Der Schweißdraht wird dabei von einer externen Drahtzuführung 60,
von beispielsweise einer Drahtrolle, der Drahtvorschubregelung 34 zugeführt.
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Zur
Regelung das Schutzgaszuflusses 14 und des Plasmagaszuflusses 15 ist
weiterhin innerhalb der Steuereinheit 30 eine Gasdruck-
und Durchflusskontrolle 35 vorgesehen, mit der ein Argon-Zufluss 70 bzw.
ein Argon-Mischgas-Zufluss 80 geregelt werden kann.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren sieht bei dieser Art
von Plasma-Schweißen vor, dass in der Zeit außerhalb
des aktiven Schweißvorgangs während eines Pilotlichtbogenbetriebs
ein Pilotlichtbogen 18 zwischen der Elektrode 13 und
der Plasmadüse 11 erzeugt wird und zum Schweißen
auf einen Schweißlichtbogen 19 (in 2 dargestellt)
zwischen der Elektrode 13 des Plasmabrenners 10 und dem
Werkstück 20 umgeschaltet wird, in den der Schweißdraht
aus der Drahtzuführung 16 zugeführt wird,
wobei der Schweißdraht unter dem Schutzgas aufschmelzen
kann. Der Schweißdraht wird während des Schweißlichtbogenbetriebs
potentialfrei zugeführt und wird während des Schweißvorganges stromlos
gehalten.
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Kennzeichnend
für die erfindungsgemäße Ausgestaltung
der Schweißvorrichtung 1 ist eine Pilot-Lichtbogensteuerung 36,
die neben der Hauptstromquelle 40 eine zweite Stromquelle
aufweist, mit der ein Pilotlichtbogen 18, welcher ständig
innerhalb der inaktiven Zeitabschnitte zwischen der Elektrode 13 und
der diese umgebende Plasmadüse, als Gegenelektrode, brennt.
Der negative Pol der Hauptstromquelle 40 sowie der negative
Pol der zweiten Gleichstromquelle sind dabei mit der Elektrode 13 verbunden.
Der positive Pol der Hauptstromquelle 40 ist mit dem Werkstück 20 und
der positive Pol der zweiten Gleichstromquelle ist mit der Plasmadüse 11 elektrisch
leitfähig verbunden.
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Die
zweite Gleichstromquelle zur Versorgung des Pilotlichtbogens 18 als
Bestandteil der Pilot-Lichtbogensteuerung 36 ist mittels
des Steuerungsinterfaces 32 ansteuerbar. Die Hauptstromquelle 40 kann über
ein Steuersignal 37 von dem Steuerungsinterface 32 angesteuert
werden. In einer nicht gezeigten Ausführungsvariante kann
die Hauptstromquelle 40 und die zweite Gleichstromquelle auch
als eine Einheit ausgeführt sein, wobei durch das Steuersignal 37 die
Betriebsart zwischen Pilotlichtbogenbetrieb und Schweißlichtbogenbetrieb
umgeschaltet wird.
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Während
der Pilotlichtbogenphase wird der Plasmabrenner 10 über
die Pilot-Lichtbogensteuerung 36 aus der zweiten Gleichstromquelle
mit Gleichstrom versorgt. Dabei wird ein typischer Pilotlichtbogenstrom 38 von
kleiner 20 A, typisch im Bereich von 12 A bei einer Gleichspannung
von etwa 80 V eingestellt. Von der Hauptstromquelle 40 erfolgt während
dieser Betriebsphase kein Stromfluss, wie dies in 1 dargestellt
ist.
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Mittels
des Steuerungsinterfaces 32 der Steuereinheit 30 können
die Durchflusskontrolle 33 für die Wasserkühlung 17 des
Plasmabrenners 10, die Drahtvorschubregelung 34 für
die Drahtzuführung 16 und die Gasdruck- und Durchflusskontrolle 35 zur
Regelung des Schutzgaszuflusses 14 bzw. des Plasmagaszuflusses 15 angesteuert
werden bzw. Fehlermeldungen dieser Komponenten zusammengefasst,
ausgewertet und an die übergeordnete Steuerung zurückgemeldet
werden. Die oben genannten Komponenten der Steuereinheit 30 können dabei
auch als Bestandteil anderer Subsysteme innerhalb der Schweißvorrichtung 1 ausgeführt
sein.
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In 2 ist
die Schweißvorrichtung 1 aus 1 ausschnittsweise
im Schweißlichtbogenbetrieb gezeigt. Die Umschaltung zwischen
Pilotlichtbogenbetrieb und Schweißlichtbogenbetrieb erfolgt
mittels des Steuerungsinterfaces 32 der Steuereinheit 30 über
das Steuersignal 37.
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In
diesem Betriebszustand wird der Plasmabrenner 10 direkt
von der Hauptstromquelle 40 mit Gleichspannung versorgt,
wobei sich ein Schweißstrom 41 von etwa 100 A
bei angelegten ca. 80 V Gleichspannung einstellen kann. Der Schweißstrom 41 kann
bis zu 300 A betragen.
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Zwischen
dem Werkstück 20 und der Elektrode 13 des
Plasmabrenners 10 brennt in dieser aktiven Schweißphase
ein intensiver Schweißlichtbogen 19, der das Werkstück 20 und
den Schweißdraht sehr schnell aufschmelzen kann.
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Mit
dem Verfahren und der oben beschriebenen Schweißvorrichtung 1 kann
erreicht werden, dass eine aufwendige Abschirmung, wie diese bei den
sonst üblichen Plasma-Schweißverfahren mit Hochfrequenzanregung
erforderlich sind, entfallen kann. Ein weiterer Vorteil ergibt sich
aus der Tatsache, dass während des inaktiven Betriebs der
Plasmabrenner 10 mit dem Pilotlichtbogen 18 bereits
auf Betriebstemperatur gehalten werden kann, so dass beim Umschalten
auf den Schweißlichtbogen 19 bessere Schweißergebnisse
erzielt werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3728473
A1 [0004]
- - DE 3535212 A1 [0005]
- - EP 0803309 A1 [0005]