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Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Aus der
DE 10 2005 054 132 A1 ist eine elektromagnetische Stellvorrichtung mit einem Führungsgehäuse und einer elektromagnetisch bewegbaren, in dem Führungsgehäuse geführten Ankereinheit bekannt. Zur Reduktion des Verschleißes weist die Ankereinheit eine Gleiteinrichtung auf. Die Ankereinheit umfasst einen ersten Führungsbereich und einen zweiten Führungsbereich, wobei der erste Führungsbereich der Ankereinheit eine zweilagige Schicht mit harter Grundschicht und äußerer Gleitschicht und der zweite Führungsbereich der Ankereinheit eine einlagige Schicht mit einem geringen Reibungskoeffizienten aufweist.
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Aus der
DE 20 2007 018 318 U1 ist eine elektromagnetische Stellvorrichtung mit einem Führungsgehäuse und einer elektromagnetisch bewegbaren, in dem Führungsgehäuse geführten Ankereinheit bekannt. Die Ankereinheit ist zumindest in dem Bereich ihrer Außenfläche, an welcher sie in dem Führungsgehäuse geführt ist, mit einer die Reibung reduzierenden Gleiteinrichtung beschichtet. Die Gleiteinrichtung ist hierbei als Gleitschicht, vorzugsweise als Gleitfolie oder Gleitlack ausgebildet.
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Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zu Grunde, eine einfache Herstellung der elektromagnetischen Stellvorrichtung zu ermöglichen und dennoch die Reibung zwischen Ankereinheit und Führungsgehäuse der elektromagnetischen Stellvorrichtung zu reduzieren.
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Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine elektromagnetische Stellvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Eine elektromagnetische Stellvorrichtung, bei welcher eine einfache Herstellung ermöglicht und dennoch die Reibung zwischen Ankereinheit und Führungsgehäuse reduziert ist, wird erfindungsgemäß dadurch geschaffen, dass die Gleiteinrichtung Gleitelemente umfasst, die derart in Vertiefungen der Ankereinheit angeordnet sind, dass diese über die Wirkfläche der Ankereinheit hervorstehen. In vorteilhafter Weise ergibt sich hierdurch eine optimale Reduzierung der Reibleistung zwischen Ankereinheit und Führungsgehäuse bei gleichzeitig kostengünstiger Herstellung der Stellvorrichtung. Bei der erfindungsgemäßen Gleiteinrichtung ist mit den über die Wirkfläche der Ankereinheit hervorstehenden Gleitelementen in vorteilhafter Weise eine Ausführung mit einem minimalen Spalt zwischen der Ankereinheit und dem Führungsgehäuse möglich, so dass ein höherer magnetischer Fluss in der Stellvorrichtung erzeugbar ist, aber dennoch ein zu einem Kurzschluss führender Kontakt zwischen der Ankereinheit und dem Führungsgehäuse sicher verhindert wird. Die erfindungsgemäße Gleiteinrichtung ermöglicht eine gezielte Einstellung der Distanz zwischen Ankereinheit und Führungsgehäuse, um optimale Magnetkräfte erreichen zu können. Des Weiteren ergeben sich in der Stellvorrichtung weniger Toleranzen, da keine separate Gleiteinrichtung beispielsweise in Form einer Gleitbuchse notwendig ist, sondern die Gleitelemente der erfindungsgemäßen Gleiteinrichtung direkt an der Ankereinheit angebracht sind. Zudem ist hierdurch auch die Montage der Stellvorrichtung vereinfacht, da keine separate Gleiteinrichtung montiert werden muss. Ferner können hierdurch die auftretenden Querkräfte, die aufgrund der magnetischen Eigenschaften zwischen Ankereinheit und Führungsgehäuse herrschen, mittels der als Isolierung wirkenden Gleiteinrichtung reduziert und das magnetische Kleben verringert werden. Durch die Lage, die Anzahl und die Form der Gleitelemente können gezielt die Eigenschaften der chemischen und physikalischen Parameter zwischen Ankereinheit und Führungsgehäuse gesteuert werden, wie beispielsweise die Verschleißbeständigkeit, Notlaufeigenschaften und Lagerbasiseigenschaften. Durch die Reduktion der magnetisch wirkenden Masse der Ankereinheit auf Grund der Vertiefungen und der gleichzeitigen Aufbringung der Gleitelemente werden auch die magnetisch wirkenden Eigenschaften der Ankereinheit reduziert, wodurch zwischen dem Führungsgehäuse und der Ankereinheit die Querkräfte reduziert werden und das magnetische Kleben verringert wird. Außerdem verbessern sich durch die geringere Masse das Trägheitsmoment und damit die Laufeigenschaften der Ankereinheit. Insgesamt ergibt sich eine Erhöhung des magnetischen Wirkungsgrades der Stellvorrichtung. In vorteilhafter Weise ist die für die Betätigung der Ankereinheit der Stellvorrichtung erforderliche Energie deutlich verringert.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wirkfläche der Ankereinheit eine Mantelfläche, eine erste Stirnfläche und/oder eine zweite Stirnfläche der Ankereinheit umfasst. In vorteilhafter Weise ermöglicht die Wirkfläche, dass über die Lage, die Anzahl und die Form der Gleitelemente auf der Wirkfläche die Eigenschaften der chemischen und physikalischen Parameter zwischen Ankereinheit und Führungsgehäuse gezielt gesteuert werden, wie beispielsweise die Verschleißbeständigkeit, Notlaufeigenschaften und Lagerbasiseigenschaften. Insbesondere eine Erweiterung der Wirkfläche von der Mantelfläche auf mindestens eine Stirnfläche der Ankereinheit vergrößert die Fläche der als Isolierung wirkenden Gleiteinrichtung und bewirkt erfindungsgemäß eine Ausdehnung der isolierenden Eigenschaften, wodurch eine weitere Reduktion des magnetischen Klebens und eine verbesserte Dämpfung beim Anschlag der Ankereinheit am Führungsgehäuse erreicht wird.
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In einer Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Gleitelemente durch zumindest teilweises Umspritzen oder Umgießen der Ankereinheit herstellbar sind. Erfindungsgemäß dienen die Gleitelemente vorzugsweise primär als Trenneinrichtung zwischen Ankereinheit und Führungsgehäuse, wobei diese auf eine einfache und kostengünstige Weise durch Umspritzen oder Umgießen auf die Ankereinheit aufgebracht werden kann. In vorteilhafter Weise können durch das Umspritzen oder das Umgießen die Gleitelemente derart hergestellt werden, dass die auftretenden Querkräfte, die aufgrund der magnetischen Eigenschaften zwischen Ankereinheit und Führungsgehäuse herrschen, mittels der als Isolierung wirkenden Gleitelemente reduziert werden und dadurch das magnetische Kleben verringert wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Gleitelemente einen Kunststoff und/oder einen Kunststoffverbund umfassen. Erfindungsgemäß wird durch die Aufbringung eines Kunststoffs und/oder eines Kunststoffverbunds die positive Eigenschaft des niedrigen Reibkoeffizienten zwischen den beiden Reibpaaren genutzt, um ein günstiges Gleitverhalten zwischen dem Führungsgehäuse und der Ankereinheit zu erreichen. Insbesondere zeichnen sich ein Kunststoff und/oder ein Kunststoffverbund durch leichte Verarbeitbarkeit aus.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Gleitelemente als Trägerelemente für zumindest einen trockenlauffähigen und reibungsreduzierenden Zusatzstoff dienen. Hierbei werden vorzugsweise poröse saugfähige Trägerelemente verwendet, die je nach Belastungsfall und Werkstoffverwendung unterschiedliche, feste und/oder fluide Schmierstoffe aufnehmen können und es damit ermöglichen auf eine einfache und kostengünstige Weise die Eigenschaften der elektromagnetischen Stellvorrichtung zu variieren. Hierdurch kann eine Stellvorrichtung mit und/oder ohne Schmierung ausgeführt werden. Insbesondere können Werkstoffe mit Notlaufeigenschaften vorgesehen werden, so dass eine zu schmierende Stellvorrichtung im Notfall auch ohne Schmiermittel lauffähig bleibt.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass sich die Gleitelemente zumindest teilweise im Wesentlichen in Richtung einer Längsachse der Ankereinheit erstrecken. In vorteilhafter Weise ergibt sich durch die Längsausrichtung eine besonders große Reibungsreduzierung, da die Gleitelemente sich in Bewegungsrichtung der Ankereinheit erstrecken. Eventuelle Bearbeitungsriefen im Führungsgehäuse, die üblicherweise senkrecht zur Längsachse des Führungsgehäuses verlaufen, werden durch die in Längsachsenrichtung und somit senkrecht zu den Bearbeitungsriefen verlaufenden Gleitelemente im Betrieb der Stellvorrichtung spielend überwunden. Hierdurch erfolgt eine optimale Führung der beiden Reibpartner und die eingestellten günstigen Gleiteigenschaften bleiben permanent während des laufenden Betriebs der elektromagnetischen Stellvorrichtung bestehen.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Gleitelemente als stabförmige Elemente und/oder ringförmige Elemente ausgebildet sind. In vorteilhafter Weise ist hierdurch die Herstellung von Gleitelementen möglichen, die an den jeweiligen Belastungsfall angepasst sind. So ermöglichen zusätzlich zur Reibleistungsreduktion die ringförmigen Elemente an den Stirnseiten eine optimale Dämpfung beim Anschlag zwischen Ankereinheit und Führungsgehäuse und die stabförmigen Elemente eine bestmögliche Führung der Ankereinheit im Führungsgehäuse.
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In einer Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Gleitelemente zumindest teilweise zu einer zylinderförmigen Struktur verbunden sind. Erfindungsgemäß dient die zylinderförmige Struktur vorzugsweise primär als Trennfläche zwischen Ankereinheit und Führungsgehäuse, wobei diese auf eine einfache und kostengünstige Weise auf eine zylindrische Form der Ankereinheit durch Umspritzung aufgebracht werden kann. Insbesondere weisen die miteinander verbundenen Gleitelemente eine höhere Stabilität und somit einen geringeren Verschleiß auf.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass die Ankereinheit durch Sintern herstellbar ist. In vorteilhafter Weise ergibt sich hierdurch bei einer hohen Maßhaltigkeit eine einfache und kostengünstige Herstellung auch komplexer Geometrien der Ankereinheit. Insbesondere können hierdurch auch Materialien für die Ankereinheit zum Einsatz kommen, die sich auf andere Weise gar nicht zu einem neuen Werkstoff verbinden lassen. Zusätzlich ist es möglich, einen Stößel an die Ankereinheit anzusintern, wobei die Lagerung der Ankereinheit in der Stellvorrichtung vorzugsweise nicht über den Stößel, sondern nur mehr über deren Mantelfläche erfolgt.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Vertiefungen der Ankereinheit jeweils mindestens eine Formschräge aufweisen, die mit der Ankereinheitslängsachse und/oder einer Ankereinheitsquerachse einen Winkel einschließt. In vorteilhafter Weise ergibt sich hierdurch eine fertigungsoptimierte Ausführung der Ankereinheit. Die Formschräge ermöglicht in vorteilhafter Weise ein problemloses Herauslösen der Ankereinheit aus einem Formwerkzeug beispielsweise nach einem Sintervorgang.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Dabei zeigen:
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1 einen Längsschnitt durch eine elektromagnetische Stellvorrichtung mit einem Führungsgehäuse und einer Ankereinheit, die eine erfindungsgemäße Gleiteinrichtung aufweist, die Gleitelemente umfasst, die in Vertiefungen der Ankereinheit angeordnet sind, und
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2 eine perspektivische Darstellung der die Vertiefungen aufweisenden Ankereinheit in einer Seitenansicht, und
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3 eine perspektivische Darstellung der zu einer zylinderförmigen Struktur verbundenen Gleitelemente in einer Seitenansicht, und
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4 eine perspektivische Darstellung der Ankereinheit mit in den Vertiefungen angeordneten Gleitelementen in einer Draufsicht.
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1 zeigt einen Längsschnitt durch eine elektromagnetische Stellvorrichtung mit einem Führungsgehäuse 10 und einer elektromagnetisch, in dem Führungsgehäuse 10 geführten Ankereinheit 12. Die Ankereinheit 12 weist auf einer mit einer Führungsfläche 14 des Führungsgehäuses 10 zusammenwirkenden Wirkfläche 16 eine Gleiteinrichtung 18 auf.
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Um eine einfache Herstellung der elektromagnetischen Stellvorrichtung zu ermöglichen und dennoch die Reibung zwischen Ankereinheit 12 und Führungsgehäuse 10 der elektromagnetischen Stellvorrichtung zu reduzieren, umfasst erfindungsgemäß die Gleiteinrichtung 18 Gleitelemente 18.1 bis 18.7, die derart in, in 2 näher dargestellten Vertiefungen 20.1 bis 20.7 der Ankereinheit 12 angeordnet sind, dass diese über die Wirkfläche 16 der Ankereinheit 12 hervorstehen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel stehen die Gleitelemente 18.1 bis 18.7 jedoch nur wenig über die Wirkfläche 16 der Ankereinheit 12 hervor.
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Die Gleitelemente 18.1 bis 18.7 bestehen aus einem anderen Material als die Wirkfläche 16 der Ankereinheit 12. Das Material der Gleitelemente 18.1 bis 18.7 bewirkt eine Herabsetzung der Reibung zwischen der Wirkfläche 16 der Ankereinheit 12 in unbeschichtetem Zustand und der Führungsfläche 14 des Führungsgehäuses 10. Vorzugsweise sind die Gleitelemente 18.1 bis 18.7 unlösbar an der Ankereinheit 12 haftend und fest ausgeführt.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die in den 2 und 4 detailliert dargestellte Ankereinheit 12 zylindrisch ausgeführt und wird durch das in 1 dargestellte hülsenförmige Führungsgehäuse 10 mindestens teilweise umschlossen. Hierdurch erfolgt eine optimale Führung der beiden Reibpartner 10, 12 und die eingestellten günstigen Gleiteigenschaften bleiben permanent während des laufenden Betriebs der elektromagnetischen Stellvorrichtung bestehen: Das Führungsgehäuse 10 weist gemäß 1 an einem Ende einen Bund 26 auf, der einen Anschlag für die Ankereinheit 12 bildet, wobei am anderen hier nicht dargestellten Ende des Führungsgehäuses 10 vorzugsweise ein weiterer Bund vorsehbar ist.
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Die Ankereinheit 12 umfasst zumindest teilweise einen magnetischen Werkstoff. Vorzugsweise kommt im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein ferromagnetischer Werkstoff zum Einsatz. Hierdurch wird eine physikalische Eigenschaft eines Werkstoffs als Wechselwirkung zwischen zwei beteiligten Bauteilen 10, 12 genutzt, um kostengünstig eine Relativbewegung in einer elektromagnetischen Stellvorrichtung zu erzeugen, d. h. um die Ankereinheit 12 entlang einer Längsachse 22 im Führungsgehäuse 10 zu bewegen.
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Die Wirkfläche 16 der Ankereinheit 12 kann gemäß 1, 2 und 4 eine Mantelfläche 16.1, eine erste Stirnfläche 16.2 und/oder eine zweite Stirnfläche 16.3 der Ankereinheit 12 und die Führungsfläche 14 des Führungsgehäuses 10 kann gemäß 1 eine Innenfläche 14.1 und/oder eine erste Bundfläche 14.2 und/oder eine zweite hier nicht sichtbare Bundfläche umfassen. Im Betrieb der elektromagnetischen Stellvorrichtung wirken die Mantelfläche 16.1 der Ankereinheit 12 mit der Innenfläche 14.1 des Führungsgehäuses 10 und die Stirnflächen 16.2 und/oder 16.3 mit den Bundflächen 14.2 zusammen, wobei die auf den jeweiligen Flächen 14, 16 vorgesehene Gleiteinrichtung 18 in vorteilhafter Weise als Trenneinrichtung zwischen Ankereinheit 12 und Führungsgehäuse 10 dient.
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Wie in 1 und 4 ersichtlich, ist die Gleiteinrichtung 18 im vorliegenden Ausführungsbeispiel nicht nur auf der Mantelfläche 16.1 der Ankereinheit 12 vorgesehen, sondern um eine verbesserte Dämpfung zwischen Ankereinheit 12 und Führungsgehäuse 10 zu erreichen, ist die Gleiteinrichtung 18 auch noch an den Stirnflächen 16.2, 16.3 der Ankereinheit 12 vorgesehen.
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Vorzugsweise sind die Gleitelemente 18.1 bis 18.7 durch zumindest teilweises Umspritzen oder Umgießen der Ankereinheit 12 herstellbar. Bevorzugt umfassen die Gleitelemente 18.1 bis 18.7 einen Kunststoff und/oder einen Kunststoffverbund. Vorzugsweise wird als Kunststoff ein fluorhaltiger Polymerwerkstoff und/oder ein thermoplastischer Kunststoff verwendet und hierbei bevorzugt als fluorhaltiger Polymerwerkstoff Polytetrafluoräthylen (PTFE) oder ein Kunststoff mit PTFE-Einlagerung und als thermoplastischer Kunststoff Polyphenylensulfid (PPS), wobei PTFE insbesondere durch seine Notlaufeigenschaften hervorsticht.
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Besonders bevorzugt dienen die Gleitelemente 18.1 bis 18.7 als Trägerelemente für zumindest einen trockenlauffähigen und reibungsreduzierenden Zusatzstoff. Hierbei werden als Zusatzstoff beispielsweise Aramid und/oder Kohlefasern verwendet.
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Vorzugsweise erstrecken sich die Gleitelemente 18.1 bis 18.5 zumindest teilweise im Wesentlichen in Richtung einer Längsachse 22 der Ankereinheit 12 und somit in Bewegungsrichtung der Ankereinheit 12 innerhalb des Führungsgehäuses 10. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Gleitelemente bevorzugt als stabförmige Elemente 18.1 bis 18.5 und als ringförmige Elemente 18.6, 18.7 ausgebildet, wobei auch jede weitere Ausführungsform denkbar wäre. Die stabförmigen Elemente 18.1 bis 18.5 sind auf der Mantelfläche 16.1 der Ankereinheit 12 angeordnet. Die stabförmigen Gleitelemente 18.1 bis 18.5 sind vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang der Ankereinheit 12 verteilt. Die ringförmigen Elemente 18.6, 18.7 sind an den Stirnseiten der Ankereinheit 12 angeordnet, um eine ausreichende Dämpfung beim Anschlag der Ankereinheit 12 am Führungsgehäuse 10 zu erreichen. Wie in 3 ersichtlich, sind die Gleitelemente 18.1 bis 18.7 im vorliegenden Ausführungsbeispiel zumindest teilweise zu einer zylinderförmigen Struktur verbunden.
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In vorteilhafter Weise ist die Ankereinheit 12 durch Sintern herstellbar. Zusätzlich ist es möglich, einen Stößel 12.1 an die Ankereinheit 12 anzusintern, wobei die Lagerung der Ankereinheit 12 in der Stellvorrichtung vorzugsweise nicht über den Stößel 12.1, sondern über deren Mantelfläche 16.1 erfolgt. Um ein problemloses Herauslösen der Ankereinheit 12 aus einem Formwerkzeug beispielsweise nach dem Sintervorgang zu gewährleisten, weisen die Vertiefungen 20.1 bis 20.7 der Ankereinheit 12 gemäß 2 jeweils mindestens eine Formschräge 24 auf, die mit der Ankereinheitslängsachse 22 einen Winkel α einschließt. Hier nicht sichtbar, weisen die Vertiefungen 20.1 bis 20.7 der Ankereinheit 12 jeweils mindestens eine Formschräge auf, die mit einer Ankereinheitsquerachse 28 einen Winkel einschließt.
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Bevorzugt wird die elektromagnetische Stellvorrichtung in einem Elektrohubmagnet oder einem Proportionalmagnet, insbesondere zur Steuerung einer Nockenwellenverstelleinrichtung angewendet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005054132 A1 [0002]
- DE 202007018318 U1 [0003]
