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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrowerkzeugmaschine, insbesondere einen Bohrhammer, mit einer mittels eines Elektromotors antreibbaren Werkzeugwelle sowie ein Verfahren zum Abschalten eines Elektromotors der insbesondere erfindungsgemäßen Elektrowerkzeugmaschine.
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Für Bohrmaschinen ist es bekannt, eine Sicherheitskupplung so vorzusehen, dass sich die Bohrmaschine bei Verkanten des Bohrers, beispielsweise in einer Mauer oder einem anderen Werkstück, oder bei Blockieren der Werkzeugaufnahme nicht unkontrolliert weiterdreht. Eine solche Bohrmaschine ist beispielsweise in der
DE 100 02 748 A1 offenbart. Eine solche Sicherheitskupplung ist als Rastkupplung ausgebildet und ab einem bestimmten Drehmoment geöffnet, so dass ein verkanteter Bohrer oder eine blockierende Bohrkrone auch bei weiterhin angetriebenem Elektromotor nicht weiter gedreht wird. Dadurch wird der Bediener geschützt.
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Weiterhin ist es bekannt, das in einem Blockierfall typischerweise auftretende Drehmoment des Motors zu begrenzen. Dies ist beispielsweise in der Druckschrift
DE 103 41 975 A1 offenbart, die lehrt, den Motorstrom in Abhängigkeit von der Drehzahl auf einen maximal zulässigen Wert zu begrenzen.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine sehr kompakte kostengünstig herstellbare Elektrowerkzeugmaschine zu schaffen, bei der die den Blockierfall des Bohrers und/oder der Bohrkrone sichernde Sicherheitskupplung gerätespezifisch konfigurierbar ist.
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Die Aufgabe wird gelöst mit einer Elektrowerkzeugmaschine, insbesondere einem Bohrhammer, mit einer mittels eines Elektromotors antreibbaren Werkzeugwelle, wobei die Elektrowerkzeugmaschine eine elektronische Steuerungseinheit umfasst, die den Elektromotor bei blockierter Werkzeugwelle in Abhängigkeit von einem Stromistwert eines Motorstroms des Elektromotors abbremst oder abschaltet.
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Mit Abbremsen des Elektromotors im Sinne der Erfindung wird ein Kurzschließen des Elektromotors bezeichnet, mit Abschalten des Elektromotors im Sinne der Erfindung ein Leerlauf des Elektromotors. Bei starrem Antrieb der Werkzeugwelle führt daher sowohl das Abbremsen des Elektromotors als auch das Abschalten des Elektromotors zum Stillstand der Werkzeugwelle und somit zum Stillstand des Werkzeugs.
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Eine solche Elektrowerkzeugmaschine benötigt daher keine mechanische Sicherheitskupplung, sondern diese wird durch die elektronische Steuerungseinheit ersetzt. Daher entfällt die mechanische Sicherheitskupplung bei der erfindungsgemäßen Elektrowerkzeugmaschine und der an der Werkzeugwelle bei herkömmlichen Elektrowerkzeugmaschinen benötigte Bauraum sowie der für den Einbau der mechanischen Sicherheitskupplung benötigte Montageaufwand und das Bauteil selbst werden eingespart.
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Um den Stromistwert zu erfassen, umfasst die Steuerungseinheit bevorzugt eine Messeinheit. Der Elektromotor wird vorzugsweise dann abgebremst oder abgeschaltet, wenn der Stromistwert einen Stromgrenzwert über einen definierten Zeitraum überschreitet. Zur Erfassung des definierten Zeitraums umfasst die Steuerungseinheit bevorzugt einen Zähler.
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Der Stromgrenzwert und/oder der definierte Zeitraum sind bevorzugt konfigurierbar, so dass die die Sicherheitskupplung ersetzende Steuerungseinheit gerätespezifisch konfigurierbar ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind der Stromgrenzwert und/oder der definierte Zeitraum so vorgesehen, dass sich die Werkzeugwelle nach Überschreiten des Stromgrenzwertes um weniger als eine Umdrehung, bevorzugt um weniger als eine halbe Umdrehung weiterdreht, damit die Elektrowerkzeugmaschine im Blockierfall möglichst nicht unkontrolliert gedreht wird.
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Besonders bevorzugt ist der definierte Zeitraum dabei so vorgesehen, dass er höchstens einer halben Umdrehung der Werkzeugwelle, ganz besonders bevorzugt höchstens einer viertel Umdrehung der Werkzeugwelle, entspricht. Dies berücksichtigt, dass sich der Elektromotor allein aufgrund der rotatorischen Energie der Elektrowerkzeugmaschine, aber auch aufgrund weiterer Einflüsse, beispielsweise der Haltung des Bedieners und/oder Materialeigenschaften des bearbeiteten Werkstücks, nach Abschalten des Elektromotors noch weiter dreht.
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Es ist ebenfalls bevorzugt, dass der definierte Zeitraum höchstens 80 ms, besonders bevorzugt höchstens 40 ms beträgt, ganz besonders bevorzugt höchstens 20 ms. Dieser Zeitraum entspricht in Abhängigkeit von den Eigenschaften der Elektrowerkzeugmaschine, insbesondere in Abhängigkeit von ihrem Massenträgheitsmoment, etwa einer halben bis einer viertel Umdrehung der Werkzeugwelle. In Abhängigkeit von der Elektrowerkzeugmaschine sind aber auch andere Zeiträume bevorzugt.
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Die Steuerungseinheit umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform eine Speichereinheit, der der Stromgrenzwert und/oder der definierte Zeitraum entnehmbar ist. Der Stromgrenzwert und/oder der definierte Zeitraum sind im Rahmen der Entwicklung bestimmbar, so dass es in dieser Ausführungsform bevorzugt ist, die Elektrowerkzeugmaschine vorzukonfigurieren. Dabei ist es sowohl bevorzugt, genau einen Stromgrenzwert und/oder genau einen bestimmten Zeitraum für die Steuerung vorzusehen. Es ist aber ebenfalls bevorzugt, dass der Stromgrenzwert und/oder der definierte Zeitraum abhängig von einem Drehzahlistwert und/oder einem Drehmomentverlauf, das ist die Änderung des Drehmomentes über die Zeit, des Elektromotors sind. Zur Erfassung eines solchen Drehmomentverlaufes und/oder eines solchen Drehzahlistwertes umfasst die Steuerungseinheit bevorzugt eine weitere Messeinheit. Der Speichereinheit sind ein einem Drehmomentverlauf und/oder einem Drehzahlistwert entsprechender Stromgrenzwert und/oder bestimmter Zeitraum beispielsweise über eine Look up Table entnehmbar.
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Zusätzlich oder alternativ zur Speichereinheit ist es aber ebenfalls bevorzugt, dass die Steuerungseinheit eine Recheneinheit zum Steuern der Steuerungseinheit, und/oder zur Berechnung des Stromgrenzwertes und/oder des definierten Zeitraums in Abhängigkeit vom Drehzahlistwert und/oder vom Drehmomentverlauf umfasst. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass keine gerätespezifische Vorkonfiguration der Elektrowerkzeugmaschine erforderlich ist, da die Berechnung des Stromgrenzwertes und/oder des definierten Zeitraums formelmäßig geräteübergeordnet in der Steuerungseinheit hinterlegbar ist.
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Der Elektromotor der erfindungsgemäßen Elektrowerkzeugmaschine ist bevorzugt als Gleichstrommotor ausgebildet.
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Die Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einem Verfahren zum Abschalten eines Elektromotors einer insbesondere erfindungsgemäßen Elektrowerkzeugmaschine, insbesondere eines Bohrhammers, mit einer mittels des Elektromotors antreibbaren Werkzeugwelle, wobei der Elektromotor abgeschaltet oder abgebremst wird, wenn ein für den Antrieb des Elektromotors benötigter Stromistwert einen Stromgrenzwert über einen definierten Zeitraum überschreitet.
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Das Verfahren ermöglicht eine elektronische Sicherheitskupplung für eine insbesondere erfindungsgemäße Elektrowerkzeugmaschine. Vorteilhafterweise sind der Stromgrenzwert und/oder der definierte Zeitraum zur Durchführung des Verfahrens konfigurierbar, so dass die die Sicherheitskupplung ersetzende Steuerungseinheit gerätespezifisch konfigurierbar ist.
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Es ist bevorzugt, dass der definierte Zeitraum so vorgesehen wird, dass er höchstens einer halben Umdrehung der Werkzeugwelle, besonders bevorzugt höchstens einer viertel Umdrehung der Werkzeugwelle, entspricht, so dass sich der Elektromotor nach Abschalten des Motorstroms möglichst nicht unkontrolliert weiter dreht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform werden der Stromgrenzwert und/oder der definierte Zeitraum der Elektrowerkzeugmaschine in Abhängigkeit vom Drehzahlistwert und/oder vom Drehmomentverlauf des Elektromotors berechnet, so dass auch die Vorkonfigurierung der Elektrowerkzeugmaschine entfällt.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren beschrieben. Die Figuren sind lediglich beispielhaft und schränken den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht ein.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Elektrowerkzeugmaschine, hier einen Bohrhammer,
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2 zeigt die Elektrowerkzeugmaschine mit der Steuerungseinheit schematisch, und
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3 zeigt in 3(a) und 3(b) zwei mögliche Verläufe für den Stromistwert.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Elektrowerkzeugmaschine 1, hier einen mittels eines Akkus 9 betriebenen Bohrhammer. Im Folgenden werden die Begriffe Elektrowerkzeugmaschine 1 und Bohrhammer synonym verwendet.
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Der Bohrhammer 1 weist eine Werkzeugwelle 3 auf, die durch einen Elektromotor 2 (s. 2) antreibbar ist. Die Werkzeugwelle 3 ist hier schematisch eingezeichnet. Dabei ist ein gegebenenfalls zwischen einer Motorwelle (nicht gezeigt) des Elektromotors 2 und der Werkzeugwelle 3 angeordnetes Getriebe hier und im Folgenden nicht gezeigt. An die Werkzeugwelle 3 ist ein Werkzeug 31, hier beispielsweise ein Bohrer 31 (s. 2), mittels einer Werkzeugaufnahme 13 drehfest anordbar, wobei sich der Bohrer 31 bei Antrieb der Werkzeugwelle 3 gemeinsam mit dieser in eine Drehrichtung 32 dreht. Im Folgenden werden die Begriffe Werkzeug 31 und Bohrer synonym verwendet.
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Der Elektromotor 2, der hier als ein Gleichstrommotor ausgebildet ist, ist durch einen Bediener über einen Bedienschalter 11 einschaltbar. Außerdem weist der Bohrhammer 1 einen Umschalter 12 auf, mit dem die Drehrichtung 32, in der sich die angetriebene Werkzeugwelle 3 dreht, umkehrbar ist.
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Wenn der Bohrer 31 verkantet oder die Werkzeugaufnahme 13 blockiert, wird der Elektromotor 2 noch angetrieben, obwohl die Werkzeugwelle 3 sich nicht mehr dreht. Dadurch dreht sich der Bohrhammer 1. Um den Bediener zu schützen, weist der vorliegende Bohrhammer 1 eine Steuerungseinrichtung 4 (s. 2) auf.
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Die 1 zeigt außerdem schematisch einen Drehwinkel α der Werkzeugwelle 3, hier von einer viertel Umdrehung.
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2 zeigt die Elektrowerkzeugmaschine 1 mit der Steuerungseinheit 4 schematisch.
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Die Steuerungseinheit 4 umfasst eine Messeinheit 51, mit der ein Stromistwert IIST eines Motorstroms I gemessen wird. Überschreitet der Stromistwert IIST einen Stromgrenzwert IGRENZ, beginnt ein Zähler 6 zu laufen, der einen definierten Zeitraum TDEF lang zählt. Überschreitet der Stromistwert IIST während dieses gesamten definierten Zeitraums TDEF den Stromgrenzwert IGRENZ, öffnet eine Recheneinheit 8, die zur Steuerung der Steuerungseinheit 4 vorgesehen ist, einen Schalter 10 im Stromkreis 91 des Motorstroms I, so dass dieser unterbrochen wird und der Elektromotor 2 nicht mehr angetrieben wird. Die 2 zeigt daher das Abschalten des Elektromotors 2 durch Unterbrechung des Stromkreises I, und somit einen Leerlauf des Elektromotors 2. Da der Elektromotor 2 bei einem solchen Abschalten nicht aktiv abgebremst wird, läuft er solange aus, bis die gespeicherte kinetische Energie verbraucht ist. Alternativ wird der Elektromotor 2 durch die Steuerungseinheit 4 elektrisch abgebremst, indem er kurzgeschlossen oder umgepolt wird, beispielsweise mithilfe eines MOSFET (metal oxide semiconductor field-effect transistor). Es ist für diesen Fall bevorzugt möglich, die gespeicherte Restenergie in den Akku 9, beispielsweise einen Lithium-Ionen Akkumulator, der den Elektromotor 2 antreibt, zurück zu speisen.
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Es ist ebenfalls eine Ausführungsform bevorzugt, bei der der definierte Zeitraum TDEF auch dann noch weitergezählt wird, wenn der Stromistwert IIST nach Überschreiten des Stromgrenzwertes IGRENZ diesen zwar noch mals, gegebenenfalls um einen definierten Betrag (nicht dargestellt), unterschreitet, ihn aber innerhalb eines kürzeren definierten Zeitraums (nicht dargestellt) und/oder um einen anderen definierten Betrag (nicht dargestellt) danach wieder überschreitet.
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Der Stromgrenzwert IGRENZ und/oder der definierte Zeitraum TDEF sind bevorzugt so vorgesehen, dass die Drehung des Elektromotors 2, gemessen nach Überschreiten des Stromgrenzwertes IGRENZ, weniger als einem Drehwinkel α (s. 1) von einer Umdrehung der Werkzeugwelle 3, bevorzugt weniger als einer halben Umdrehung der Werkzeugwelle 3, entspricht. Dieser Drehwinkel α setzt sich ab dem Zeitpunkt, in dem der Stromistwert IIST den Stromgrenzwert IGRENZ überschreitet, aus einem ersten Anteil, der dem definierten Zeitraum TDEF entspricht, und einem zweiten Anteil nach dem Öffnen des Schalters 10, der aus der noch im Bohrhammer 1 gespeicherten rotatorischen Energie resultiert, zusammen. Außerdem wird dieser Drehwinkel α durch den Bediener, insbesondere seine Haltung oder wie fest er den Bohrhammer 1 hält, und das bearbeitete Werkstück (nicht gezeigt), insbesondere seine Materialeigenschaften, beeinflusst. Außerdem ist der Drehwinkel α abhängig von den Eigenschaften des Bohrhammers 1, insbesondere von seinem Massenträgheitsmoment, so dass bei einem schwereren Bohrhammer 1 bei identischem definiertem Zeitraum TDEF ein anderer Drehwinkel α resultiert.
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Der definierte Zeitraum TDEF ist bevorzugt so vorgesehen, dass er höchstens einem Drehwinkel α von einer halben Umdrehung der Werkzeugwelle 3, besonders bevorzugt höchstens von einer viertel Umdrehung der Werkzeugwelle 3, entspricht. In Abhängigkeit vom verwendeten Bohrhammer entspricht ein Drehwinkel α von einer halben bis einer viertel Umdrehung etwa einem definierten Zeitraum TDEF von 20 ms–80 ms. Gerätespezifisch ist aber gegebenenfalls ein anderer definierter Zeitraum TDEF bevorzugt.
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Steigt der Stromistwert IIST des Motorstroms 1 über die Stromgrenze IGRENZ an, schaltet die Steuerungseinheit 4 den Motorstrom-Antriebsstrang, insbesondere die Werkzeugwelle 3, ab, um das auf den Bediener wirkende Moment zu begrenzen. In Abhängigkeit vom gewählten definierten Zeitraum TDEF kann sich der Bohrhammer 1 nur um den dem definierten Zeitraum TDEF entsprechenden Bruchteil einer Umdrehung unter Aufrechterhaltung dieses Momentes um die Werkzeugachse drehen. Zusätzlich dreht sie sich bei geringerem Moment noch um den aus der rotatorischen Energie und den weiteren Einflüssen resultierenden Betrag.
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Da der Drehwinkel α, um den der Bohrhammer 1 nachläuft, von der gespeicherten rotatorischen Energie und/oder den Eigenschaften des Bohrhammers 1 abhängig ist, ist es entweder bevorzugt, den Stromgrenzwert IGRENZ und/oder den definierten Zeitraum TDEF gerätespezifisch festzulegen, und in einer Speichereinheit 7 der Steuerungseinheit 4 abrufbar zu hinterlegen. Dabei ist es in einer weiteren Ausführungsform bevorzugt, verschiedene Stromgrenzwerte IGRENZ und/oder definierte Zeiträume TDEF in Abhängigkeit von Eigenschaften des betriebenen Bohrhammers, insbesondere in Abhängigkeit von einem Drehmomentverlauf M(t) und/oder einer Drehzahl nIST des Elektromotors 2, zu hinterlegen. Alternativ oder zusätzlich ist es bevorzugt, den Stromgrenzwert IGRENZ und/oder den definierten Zeitraum TDEF in Abhängigkeit von diesen Eigenschaften, insbesondere dem Drehmomentverlauf M(t) und/oder der Drehzahl nIST des Elektromotors 2, in der Recheneinheit 8 zu berechnen. Dafür umfasst die Steuerungseinheit 4 in einer bevorzugten Ausführungsform weiterhin eine Messeinheit 52, 53 zum Messen der Eigenschaften, insbesondere zum Messen des Drehmomentverlaufes M(t) und/oder der Drehzahl nIST des Elektromotors 2.
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Es ist bevorzugt, dass zumindest die Recheneinheit 8 sowie der Zähler 6, besonders bevorzugt auch die Speichereinheit 7, in einem einzigen integrierten Baustein angeordnet sind. Dabei ist es bevorzugt, dass die Recheneinheit 8 als ein Mikroprozessor (CPU, central processing unit) ausgebildet und der integrierte Baustein ein Mikrokontroller ist. Die Recheneinheit 8 ist aber auch als ein anderer programmierbarer elektronischer Baustein ausführbar, beispielsweise als ein PLD (programmable logic device) oder ein FPGA (field programmable gate array). Weiterhin sind auch der Zähler 6 und/oder die Speichereinheit 7 eit als eigenständige Bausteine realisierbar.
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3 zeigt in 3(a) und 3(b) zwei mögliche Verläufe für den Stromistwert IIST.
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Sobald der Stromistwert IIST einen Stromgrenzwert IGRENZ überschreitet, beginnt der Zähler 6 (s. 2) den definierten Zeitraum TDEF lang zu zählen. Wenn der Stromistwert IIST über den gesamten definierten Zeitraum TDEF den Stromgrenzwert IGRENZ überschreitet, wird ein Schalter 10 im Stromkreis 91 des Motorstroms I mittels der Steuerungseinheit 4 geöffnet, so dass der Motorstrom I abgeschaltet wird, und der Elektromotor 2 nicht mehr betrieben wird.
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Die 3(a) zeigt neben dem Verlauf des Stromistwertes IIST und dem Stromgrenzwert IGRENZ auch den maximal zugelassenen Motorstrom IMAX, der elektronisch gesteuert wird, sowie einen bei Ausfall der Elektronik maximal zugelassenen Motorstrom INORM gemäß der Norm EN 60745.
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Der Motorstrom I ist somit auf den maximal zugelassenen Motorstrom IMAX begrenzt. Prinzipiell ist es möglich, dass der Motorstrom I bei unendlich steilem Anstieg ab der Stromgrenze IGRENZ im gesamten definierten Zeitraum TDEF an der Stromgrenze anliegt. Dies zeigt die 3(b).
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Bei einem Blockierfall steigt das erforderliche Drehmoment und somit der Stromistwert IIST des Motorstroms I an. Beim erfindungsgemäßen Bohrhammer 1 wird dieser Anstieg elektronisch aber nur bis zur maximal zulässigen Stromgrenze IMAX zugelassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10002748 A1 [0002]
- DE 10341975 A1 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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