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Die Erfindung betrifft einen Kriechprüfstand, enthaltend zumindest eine Auflage, auf welche eine Materialprobe auflegbar ist, zumindest ein Druckelement, mit welchem eine Prüfkraft auf die Materialprobe aufbringbar ist und eine Haltevorrichtung, auf welche eine Prüfmasse aufnehmbar ist, und welche mit dem Druckelement zusammenwirkt, so dass mit der Gewichtskraft der Prüfmasse die Prüfkraft beeinflussbar ist.
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Kriechprüfstände der eingangs genannten Art werden für Biege- und/oder Druckversuche verwendet, bei welchen die Ermüdung einer Materialprobe unter einer vorgebbaren Last ermittelt werden soll.
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Aus der Praxis sind Kriechprüfstände der eingangs genannten Art bekannt, bei welchen entweder durch Hebelsysteme und Gewichte oder durch elektromechanische oder hydraulische Vorrichtungen eine vorgebbare Prüflast auf eine Materialprobe aufgebracht werden kann. Durch einen Wegaufnehmer kann die Verformung der Materialprobe unter der aufgebrachten Last ermittelt werden. Da das Kriechen der Materialprobe unter der aufgeprägten Last mehrere Stunden bis mehrere Wochen andauern kann, kann die notwendige Messzeit entsprechend mehrere Stunden bis mehrere Wochen andauern.
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Sofern die Prüflast hydraulisch oder elektromechanisch über einen Spindelantrieb aufgebracht wird, muss dem Kriechprüfstand während der gesamten Messzeit elektrische Energie zugeführt werden, um die Prüflast aufrecht zu erhalten. Dadurch wird der Betrieb eines solchen Kriechprüfstandes bei länger andauernden Messzeiten unwirtschaftlich.
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Vorteilhaft werden bei solchen lang andauernden Kriechversuchen Kriechprüfstände eingesetzt, welche die Prüflast durch eine Prüfmasse aufbringen. Die Prüfmasse erzeugt im Schwerefeld der Erde eine Gewichtskraft, welche direkt oder über ein Hebelsystem und/oder ein Getriebe die Prüflast auf der zu untersuchenden Materialprobe erzeugt. Allerdings hat sich gezeigt, dass größere Prüfmassen ab etwa 3 kg nicht mehr stoßfrei aufgesetzt werden können. Somit ist die Prüflast zu Beginn des Kriechversuches erhöht. Die dadurch auftretende Spannungsspitze kann das Messergebnis des Kriechversuches verfälschen oder sogar unbrauchbar machen.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, einen Kriechprüfstand zu schaffen, welcher zuverlässige Messergebnisse bei geringem Energieverbrauch liefert.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kriechprüfstand gemäß Anspruch 1 und eine Verwendung gemäß Anspruch 12 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, einen an sich bekannten Kriechprüfstand, bei welchem die Prüflast durch die Gewichtskraft einer Prüfmasse erzeugt wird, so weiter zu entwickeln, dass die Gewichtskraft der Prüfmasse zu Beginn des Kriechversuches über eine Stützvorrichtung aufgenommen wird. Auf diese Weise kann die beim Auflegen der Prüfmasse auftretende Kraftspitze von der zu untersuchenden Materialprobe ferngehalten werden. Nachdem die Prüfmasse aufgelegt wurde, kann durch langsames Absenken der Stützvorrichtung die Prüflast stoßfrei auf die Materialprobe übertragen werden, so dass eine vorzeitige Alterung durch eine zu Beginn des Versuches auftretende Spannungsspitze vermieden wird.
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Da während des Kriechversuches die Prüflast durch die Gewichtskraft der Prüfmasse erzeugt wird, benötigt der Kriechprüfstand zur Erzeugung der Prüflast keine Primärenergie, so dass auch lange andauernde Versuche wirtschaftlich und umweltschonend durchgeführt werden können.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Stützvorrichtung hydraulisch und/oder mechanisch arbeiten. Zum Antrieb der Stützvorrichtung kann ein Elektromotor oder ein Handrad vorgesehen sein. Aufgrund der geringen Fehleranfälligkeit ist eine rein mechanisch arbeitende Stützvorrichtung vorteilhaft.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Stützvorrichtung zumindest einen ersten Schenkel und zumindest einen zweiten Schenkel aufweist, welche mit einem Gelenk verbunden sind, wobei jeder Schenkel mit einem Ende auf einem Maschinentisch anliegt und mit dem anderen Ende mit der Haltevorrichtung in Eingriff bringbar ist. Eine solche Konstruktion der Stützvorrichtung erlaubt es, die Stützvorrichtung von unten gegen die Haltevorrichtung der Prüfmasse zu führen, so dass die Haltevorrichtung mit der darauf befindlichen Prüfmasse gegen den Maschinentisch des Kriechprüfstandes gestützt wird. Auf diese Weise kann die Gewichtskraft der Prüfmasse über die Haltevorrichtung auf den unbeweglichen Maschinentisch abgetragen werden.
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In einer Weiterbildung der Erfindung kann die Stützvorrichtung zumindest einen ersten Schenkel und zumindest einen zweiten Schenkel aufweisen, welche mit einem ersten Gelenk verbunden sind, sowie zumindest einen dritten Schenkel und zumindest einen vierten Schenkel, welche mit einem zweiten Gelenk verbunden sind. Dabei trägt jeder Schenkel an einem Ende eine zugeordnete Rolle, welche auf dem Maschinentisch anliegt. Die entgegengesetzten Enden des ersten und dritten Schenkels und des zweiten und vierten Schenkels können mit je einer drehbar gelagerten Walze verbunden sein, welche in der angehobenen Stellung der Stützvorrichtung mit der Haltevorrichtung in Eingriff gebracht werden können. Da die Stützvorrichtung sowohl mit der Haltevorrichtung als auch mit dem Maschinentisch über drehbar gelagerte Elemente in Eingriff steht, erlaubt diese Ausführungsform eine besonders stoßfreie Übergabe der Prüflast von der Stützvorrichtung auf die zu untersuchende Materialprobe. Die Stützvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung weist eine einem Hubscherentisch ähnliche Funktionsweise auf, wobei die auf dem Maschinentisch anliegenden Enden der Stützvorrichtung durch die Rollen ruckfrei auf dem Maschinentisch und der Kontaktfläche der Haltevorrichtung gleiten können.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der vorgeschlagene Kriechprüfstand weiterhin eine Spindel enthalten, mit welcher die Stellung der Haltevorrichtung variierbar ist. Der Antrieb der Spindel kann durch ein Handrad oder einen Elektromotor, beispielsweise einen Schrittmotor, erfolgen. Auf diese Weise kann eine stoßfreie und zugleich für den Benutzer mühelose Bewegung der Stützvorrichtung erfolgen.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Spindel an je einem Verbindungselement angreifen, welches die der drehbaren Walze entgegengesetzten Enden des ersten und dritten Schenkels und des zweiten und vierten Schenkels verbinden. Diese Ausführungsform zeichnet ein mechanisch robuster und gleichzeitig einfacher Aufbau aus, welcher eine präzise und stoßfreie Bewegung der Stützvorrichtung erlaubt.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung weist der Kriechprüfstand weiterhin einen Wegaufnehmer auf, mit welchem die Stellung des Druckelementes messbar ist. Der Wegaufnehmer kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung ein induktiver Wegaufnehmer sein. Der Wegaufnehmer erlaubt die Messung des Kriechens der Materialprobe unter der Prüflast, indem dieser den Weg der Prüflast misst, während diese auf der Materialprobe aufliegt. Zur Aufnahme der Messdaten des Wegaufnehmers kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung ein automatisiertes Messsystem vorgesehen sein, welches die Messwerte des Wegaufnehmers mittels eines Analog/Digital-Wandlers aufnimmt.
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In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Druckelement und die Haltevorrichtung mittels zumindest einer Schubstange verbunden sind. Auf diese Weise kann die von der Prüfmasse über die Haltevorrichtung aufgebrachte Prüflast verlustarm auf das mit der zu untersuchenden Materialprobe im Eingriff stehende Druckelement übertragen werden.
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Weiterhin kann der vorgeschlagene Kriechprüfstand eine Klimatisierungseinrichtung aufweisen, mittels welcher die Lufttemperatur und/oder die Luftfeuchte der die Materialprobe umgebenden Atmosphäre auf einem vorgebbaren Sollwert regelbar ist. Die vorgeschlagene Klimatisierungseinrichtung kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung den gesamten Kriechprüfstand umgeben, also auch die Stützvorrichtung, die Haltevorrichtung und die Prüfmasse. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Klimatisierungseinrichtung nur den zur Aufnahme der Materialprobe vorgesehenen Bereich umgeben, wobei die Prüflast beispielsweise durch eine in einer Lineardurchführung geführten Schubstange auf den Prüfkörper übertragen wird. In jedem Fall erlaubt die Klimatisierungseinrichtung, den Kriechversuch der Materialprobe bei definierten Umgebungsbedingungen vorzunehmen, welche von der üblichen Raumtemperatur bzw. Raumfeuchte abweichen können. Somit kann das Verhalten der Materialprobe bei Umgebungsbedingungen untersucht werden, welche den späteren Einsatzbedingungen des zu prüfenden Materials entsprechen oder zumindest nahekommen.
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In einigen Ausführungsformen kann der Kriechprüfstand zwei beabstandete Auflagen enthalten und das Druckelement in Form einer Druckfinne ausgebildet sein, welche die Prüflast zwischen den Auflagen einbringt. In einer solchen Ausgestaltung des Kriechprüfstandes wird in der zu untersuchenden Materialprobe eine Biegespannung induziert, d. h. unterhalb der Druckfinne bildet sich eine Druckspannung aus und auf der der Druckfinne gegenüberliegenden Seite der Materialprobe eine Zugspannung.
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In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann der Kriechprüfstand genau eine Auflage aufweisen und das Druckelement dazu ausgebildet sein, die Prüflast über der Auflage einzubringen. Die zu untersuchende Materialprobe wird dann zwischen der Auflage und dem Druckelement eingeführt, so dass in der Materialprobe lediglich eine Druckspannung hervorgerufen wird.
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Der vorgeschlagene Kriechprüfstand kann unter anderem zur Bestimmung des Kriechverhaltens von Kunststoffen nach DIN EN ISO 899-2 eingesetzt werden.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden, welches in den anliegenden Figuren dargestellt ist. Dabei zeigt:
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1 eine rückwärtige Ansicht des Kriechprüfstandes.
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2 zeigt eine Seitenansicht des Kriechprüfstandes.
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3 zeigt eine Aufsicht auf den Kriechprüfstand.
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4 zeigt eine dreidimensionale Darstellung des Kriechprüfstandes.
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Der vorgeschlagene Kriechprüfstand weist einen Tragtisch 110 auf, welcher auf Fußelementen 130 gelagert ist. Die Fußelemente 130 können dazu eingerichtet sein, den Tragtisch 110 vom Boden zu entkoppeln. Hierzu können die Fußelemente 130 schwingungsdämpfende Eigenschaften aufweisen.
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Am Tragtisch 110 kann eine optionale Befestigungsvorrichtung 115 angebracht sein. An der Befestigungsvorrichtung 115 ist zumindest eine Auflage befestigt. In den Figuren dargestellt ist eine Ausführungsform der Erfindung, welche eine erste Auflage 21 und eine zweite Auflage 22 aufweist. Die erste und zweite Auflage ist dazu vorgesehen, eine zu untersuchende Materialprobe so aufzulegen, dass diese den Abstand zwischen der ersten Auflage 21 und der zweiten Auflage 22 überbrückt. Hierzu ist die erste Auflage 21 und die zweite Auflage 22 verschiebbar in der Befestigungsvorrichtung 115 aufgenommen, so dass der relative Abstand an unterschiedliche Längsausdehnungen der zu untersuchenden Materialprobe angepasst werden kann. Zur Untersuchung des Verhaltens einer Materialprobe unter einer Druckspannung kann jede der Auflagen 21 und 22 aus der Befestigungsvorrichtung 115 entnommen und durch eine einzige Auflage mit größerer Auflagefläche oder -form ersetzt werden.
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Die Prüflast wird auf den Prüfkörper über ein Druckelement 23 aufgebracht, welches in der dargestellten Ausführungsform als Druckfinne ausgebildet ist. Das Druckelement 23 ist über zumindest eine Schubstange 41 mit der Haltevorrichtung 40 verbunden. Wie in 3 verdeutlicht, weist die dargestellte Ausführungsform zwei Druckstangen 41a und 41b auf, um eine verdrehsichere und verkantungsfreie Führung des Druckelementes zu ermöglichen. Um ein seitliches Verkippen des Druckelementes zu vermeiden, sind die Schubstangen 41 im Durchstoßpunkt durch einen Maschinentisch 100 in je einem zugeordneten Gleitlager geführt.
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Der Maschinentisch 100 ist über vier Säulen 120 mit dem Tragtisch 110 verbunden. Die Oberseite des Maschinentisches 100 trägt wie bereits vorstehend erläutert die Gleitlager der Schubstangen 41 sowie die Stützvorrichtung 50.
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An dem dem Druckelement 23 entgegengesetzten Ende der Schubstangen 41 ist eine Haltevorrichtung 40 angebracht. Die Haltevorrichtung 40 dient zur Aufnahme einer Prüfmasse 70, welche durch ihre Gewichtskraft die Prüflast erzeugt, mit welcher das Druckelement 23 auf die Materialprobe drückt. Damit die Prüfmasse 70 auf der Haltevorrichtung 40 sicher gehalten wird, kann eine Befestigungseinrichtung vorgesehen sein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel besteht diese Befestigungseinrichtung aus einem Dorn 42, welcher mittig in der Haltevorrichtung 40 positioniert ist. Auf diesen Dorn können Prüfmassen 70 aufgesteckt werden, welche beispielsweise die Form gängiger Hantelscheiben aufweisen können. Dies erlaubt eine einfache und kostengünstige Variation der Prüfmasse. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in den 2–4 die Haltevorrichtung 40 ohne aufgebrachte Prüfmasse 70 dargestellt. In 1 ist beispielhaft eine Prüfmasse 70 dargestellt, welche aus einer großen Scheibe 70a und zwei kleinen Scheiben 70b besteht.
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Um ein stoßfreies Aufbringen der Prüflast auf die Materialprobe zu ermöglichen, kann die Haltevorrichtung 40 mittels der Stützvorrichtung 50 mit dem Maschinentisch 100 kraftschlüssig verbunden werden. Auf diese Weise wird die Gewichtskraft der Prüfmasse 70 von der Haltevorrichtung 40 über die Stützvorrichtung 50 auf den Maschinentisch 100 abgetragen, ohne dass das Druckelement 23 mit der auf den Auflagen 21 und 22 befindlichen Materialprobe in Eingriff steht. Somit können beim Auflegen der Prüfmasse 70 auf die Haltevorrichtung 40 entstehende Kraftspitzen von der Materialprobe ferngehalten werden.
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Die in den Figuren dargestellte Stützvorrichtung 50 arbeitet nach Art eines Hubscherentisches. Die Stützvorrichtung weist einen ersten Schenkel 51 und einen zweiten Schenkel 52 auf, welche durch ein erstes Gelenk 55 miteinander verbunden sind. Weiterhin weist die Stützvorrichtung einen dritten Schenkel 53 und einen vierten Schenkel 54 auf, welche durch ein zweites Gelenk 56 miteinander verbunden sind. Der erste und zweite Schenkel sowie der dritte und vierte Schenkel sind jeweils relativ zueinander um die zugeordneten Gelenke 55 und 56 drehbar.
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Die zum Maschinentisch 100 weisenden Enden des zweiten und vierten Schenkels 52 und 54 sind durch ein zugeordnetes Verbindungselement 59 miteinander verbunden. In gleicher Weise sind die zum Maschinentisch 100 weisenden Enden des ersten und dritten Schenkels 51 und 53 durch ein Verbindungselement miteinander verbunden. Die Verbindungselemente 59 weisen jeweils eine mittig angeordnete Gewindebohrung auf. Weiterhin sind die zum Maschinentisch weisenden Enden der Schenkel 51, 52, 53 und 54 mit je einer optionalen Rolle 57 versehen, welche entlang des Maschinentisches 100 rollt und somit eine leichte Bewegbarkeit der Schenkel auf dem Maschinentisch 100 sicherstellt.
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Die Gewindebohrungen der Verbindungselemente 59 stehen mit einer Spindel 30 im Eingriff, welche entlang der Längserstreckung des Maschinentisches 100 verläuft. Die Spindel 30 ist in einem ersten Lager 31 und einem zweiten Lager 32 an den Enden des Maschinentisches 100 drehbar gelagert. Die Spindel 30 kann mittels eines Handrades 33 oder mit Hilfe eines nicht dargestellten Elektromotors in Rotation versetzt werden.
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Eine Rotation der Spindel 30 bewirkt eine Positionsänderung der Verbindungselemente 59 entlang der Längserstreckung des Maschinentisches 100. Dadurch vergrößert sich der Abstand der dem Maschinentisch zugewandten Enden des ersten und dritten Schenkels 51 und 53 einerseits und des zweiten und vierten Schenkels 52 und 54 andererseits. Dies bewirkt ein Absenken der dem Maschinentisch entgegengesetzten Enden der Schenkel 51, 52, 53 und 54, so dass diese sich in Richtung auf den Maschinentisch zu bewegen.
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Die dem Maschinentisch entgegengesetzten Enden des ersten und dritten Schenkels sind mit einer ersten Walze 58 miteinander verbunden. In gleicher Weise sind die Enden des zweiten und vierten Schenkels mit einer zweiten Walze 58 miteinander verbunden. Die Walzen 58 gleiten an der Unterseite der Haltevorrichtung 40 entlang, so dass die Haltevorrichtung 40 zusammen mit den Walzen 58 bei Rotation der Spindel 30 abgesenkt wird. Dies führt ebenso zu einer Absenkung des Druckelementes 23, bis dieses auf der Materialprobe anliegt. Durch weiteres Absenken der Stützvorrichtung 50 verliert diese schließlich den Kontakt zur Haltevorrichtung 40, so dass die Gewichtskraft der Haltevorrichtung und der darauf angebrachten Prüfmasse 70 vollständig auf der Materialprobe ruht.
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Da die Stützvorrichtung 50 über die Spindel 30 feinfühlig und ruckfrei abgesenkt werden kann, kommt es bei der Lastübergabe von der Stützvorrichtung 50 auf die Materialprobe zu keiner Spannungsspitze im Inneren der Materialprobe. Somit wird das Messergebnis des Kriechversuches auch nicht durch eine initiale Spannungsspitze in der Materialprobe verfälscht. Während der Dauer des Kriechversuches wird die Prüflast ausschließlich durch die Gewichtskraft der Haltevorrichtung und der Prüfmasse 70 aufgebracht, so dass keinerlei elektrische Energie zugeführt werden muss, um die Prüflast zu erzeugen.
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Wenn die zu untersuchende Materialprobe unter der durch die Prüflast erzeugten Spannung nachgibt, führt dies zu einem weiteren Absenken der Haltevorrichtung 40. Dieses Absenken kann mittels des Wegaufnehmers 60 in Abhängigkeit der Messzeit aufgenommen werden. Der Wegaufnehmer 60 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel im rückwärtigen Teil des Kriechprüfstandes angeordnet und daher am besten in 1 zu erkennen.
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Nach Beendigung der vorgegebenen Messzeit kann die Stützvorrichtung 50 durch Drehen der Spindel 30 wieder in die in den Figuren dargestellte ausgefahrene Stellung gebracht werden, so dass das Druckelement 23 von der Materialprobe abgehoben und die Prüflast über die Stützvorrichtung auf den Maschinentisch abgetragen wird. In dieser Stellung kann die Materialprobe in einfacher Weise entnommen und die Prüflast an den nachfolgenden Kriechversuch angepasst werden.
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Selbstverständlich können die dargestellten Ausführungsbeispiele variiert werden, um auf diese Weise weitere, unterschiedliche Ausführungsformen der Erfindung zu erhalten. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche „erste” und „zweite” Merkmale definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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