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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Panzerung sowie eine Panzerung für eine Komponente einer Strömungsmaschine, insbesondere für eine Komponente eines Flugtriebwerks, insbesondere für eine Laufschaufel, wobei die Panzerung eine Metallmatrix und darin eingelagerte Hartstoffpartikel umfasst, und wobei die Metallmatrix und die Hartstoffpartikel durch kinetisches Kaltgaskompaktieren abgeschieden werden.
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STAND DER TECHNIK
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Aus der
US 4 610 698 A ist ein Verfahren zur Herstellung einer abrasiven Schutzschicht für Superlegierungen bekannt, die eine Kombination von Sintern, Plasmasprühen, Heiss-Isostatischem Pressen und chemischem Abtragen umfasst.
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Aus der
US 2003/0183529 A1 ist eine Verschleißschutzschicht und ein Verfahren zum Auftragen dieser Verschleißschutzschicht bekannt, wobei die Schicht durch ein Schmelzverfahren aufgetragen wird.
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Aus der
US 2003/0126800 A1 ist eine Metallmatrix bekannt, die eingelagerte Hartstoffpartikel aufweist, wobei Metallmatrix und Hartstoffpartikel durch kinetisches Kaltgaskompaktieren abgeschieden worden sind.
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Aus der
DE 10 2007 056 452 A1 ist ein Dichtsystem für ein Verdichtermodul einer Turbomaschine, insbesondere einer Gasturbine bekannt, bei dem zur Abdichtung eines Spalts zwischen einem rotierenden Bauteil, insbesondere einer rotorseitigen Laufschaufel, und einem feststehenden Bauteil, insbesondere einem statorseitigen Gehäuse, vorgesehen ist, dass auf dem feststehenden Bauteil einen Einlaufbelag und auf dem rotierenden Bauteil eine in den Einlaufbelag einlaufende Panzerung angeordnet wird. Die Panzerung auf dem rotierenden Bauteil, nämlich der Laufschaufel, ist aus einem relativ harten Werkstoff, nämlich einer Nickelbasislegierung oder Eisenbasislegierung gebildet, in welche Hartstoffpartikel bzw. abrasive Partikel eingelagert sind. Diese Hartstoffpartikel sind vorzugsweise Partikel aus Oxiden oder Karbiden bzw. Nitriden. Insbesondere kann kubisches Bornitrid eingelagert sein.
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Die Aufbringung der Panzerung erfolgt gemäß der
DE 10 2007 056 452 A1 durch kinetisches Kaltgasspritzen bzw. kinetisches Kaltgaskompaktieren oder Kalt-kinetische-Kompaktierung (K3), bei welcher Feststoffpartikel mittels eines Prozessgases mit Geschwindigkeiten zwischen 500 und 1000 m/s auf die zu beschichtende Oberfläche gespritzt werden.
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Obwohl eine derartige Panzerung bereits sehr gute Eigenschaften aufweist, besteht ein Nachteil darin, dass entsprechende Laufschaufeln unter Umständen zu Beginn des Betriebs nicht mit dem Einlaufbelag in Kontakt kommen, da sie passgenau gegenüber dem statorseitigen Gehäuse rotieren. Entsprechend kommt zunächst die Panzerung nicht zum Einsatz. Allerdings kann es nach einiger Zeit des Betriebs erforderlich sein, dass bei einer Wartung oder Reparatur bestimmte Komponenten ausgetauscht werden, so dass nunmehr die Panzerung zum Einsatz kommt, indem sie in einen gegenüberliegenden Einlaufbelag eingreift. Hier hat sich gezeigt, dass die Eigenschaften der bekannten Panzerungen dann oft ungenügend sind.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Panzerung für eine Komponente einer Strömungsmaschine, insbesondere für eine Laufschaufel eines Flugtriebwerks oder einer Gasturbine sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren bereitzustellen, welche den Problemen des Standes der Technik abhilft und insbesondere eine langlebige Panzerung bereitstellt, die auch nach mehreren hundert Stunden Einsatzzeit der Komponente die vollwertige Funktion der Panzerung bereitstellt. Darüber hinaus soll das entsprechende Verfahren einfach anwendbar und die Panzerung somit einfach herstellbar sein.
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TECHNISCHE LÖSUNG
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Panzerung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Panzerung mit den Merkmalen des Anspruchs 5.
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Die Erfindung geht aus von dem Verfahren und der Panzerung, wie sie in der
DE 10 2007 056 452 A1 beschrieben sind. Allerdings wird erfindungsgemäß vorgesehen, dass die verwendeten Hartstoffpartikel mit einer Oxidationsschicht versehen sind und/oder die Panzerung eine Oxidationsschutzschicht als Decklage umfasst. Die Oxidationsschutzschichten um die einzelnen Hartstoffpartikel und/oder als Decklage über der gesamten Panzerung bewirken, dass die Hartstoffpartikel nicht durch Oxidation bzw. Korrosion degenerieren, so dass ihre härtende Wirkung auch nach längerer Betriebszeit bei hohen Temperaturen in aggressiven Umgebungen erhalten bleibt, insbesondere auch dann, wenn während dieser Betriebszeit kein mechanischer Kontakt der Panzerung mit umgebenden Komponenten stattgefunden hat.
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Durch das Aufbringen der Panzerung durch kinetisches Kaltgaskompaktieren wird eine Temperaturbelastung der Hartstoffpartikel während der Herstellung der Panzerung vermieden. Dadurch ist es insbesondere auch möglich, Hartstoffpartikel, die mit einer Oxidationsschutzhülle versehen sind, ohne Beeinträchtigung der Oxidationsschutzhülle in der Panzerung abzuscheiden. Aber auch grundsätzlich wird durch das kinetische Kaltgaskompaktieren die Verwendung temperatur- bzw. oxidationsempfindlicher Hartstoffe ermöglicht, da die Abscheidung bei niedrigen Temperaturen erfolgen kann.
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Für die Herstellung der Panzerung können unterschiedlichste Pulver beim kinetischen Kaltgaskompaktieren Verwendung finden. Die Pulver können entweder aus sortenreinen Bestandteilen des Metallmatrixwerkstoffs der Panzerung, aus der Legierung des Metallmatrixwerkstoffs und/oder aus einem oder mehreren in der Panzerung enthaltenen Hartstoffpartikeln gebildet sein oder ein Gemisch daraus darstellen. Die sortenreinen Pulver können in der Spritzvorrichtung bei der Zugabe zum Gasstrahl des Trägergases gemischt werden oder ein Gemisch aus verschiedenen Pulvern kann in der gemischten Form der Kaltgaskompaktieranlage zugeführt werden, wo das Pulver mittels des Trägergases auf die zu beschichtende Oberfläche beschleunigt wird.
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Darüber hinaus können auch Pulver eingesetzt werden, die bereits aus Partikeln aus Metallmatrixwerkstoff und Hartstoff bestehen. Insbesondere können auch die mit der Oxidationsschutzhülle versehenen Hartstoffpartikel direkt oder in Form eines Gemisches mit Metallmatrixwerkstoffpartikeln oder als Pulver aus Partikeln der Metallmatrix und des Hartstoffs der Kaltgaskompaktieranlage zugeführt werden.
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Die unterschiedlichen Pulver können gleichzeitig oder nacheinander verspritzt werden, so dass auch eine lagenweise Abscheidung von Hartstoffpartikeln in der Panzerung möglich ist. Vorzugsweise können die Hartstoffpartikel aber auch homogen in der Panzerung verteilt sein.
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Die Hartstoffpartikel können mindestens einen Stoff umfassen, der ausgewählt werden kann aus der Gruppe, die Nitride, insbesondere kubisches Bornitrid, Diamant, diamantähnliche Kohlenstoffe und Karbide umfasst.
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Die Metallmatrix kann mindestens eine Nickel- oder Kobaltbasislegierung und/oder mindestens eine Lotlegierung umfassen.
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Die Oxidationsschutzschicht kann mindestens eine Nickel- oder Kobaltbasislegierung umfassen, die insbesondere ein Element in ausreichender Menge umfasst, welches eine langsam wachsende Oxidschicht bildet, um so die Oxidationsschutzwirkung bereitzustellen.
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Vorzugsweise kann die abgeschiedene Panzerung einer Wärmebehandlung unterzogen werden, wobei die maximale Temperatur unterhalb der Solidustemperatur alle verwendeten Werkstoffe beleibt. Neben dem Sintern der Pulverpartikel sind weitere sinnvolle Prozesse denkbar, wie etwa das CVD-Beschichten mit Aluminium.
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Weiterhin vorteilhaft ist es die Hartstoffpartikel nicht nur mit einer Oxidationsschutzschicht zu versehen, sondern alternativ oder zusätzlich mit einem beliebigen metallischen Werkstoff zu beschichten.
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Beim etwaigen Sintern kann es durchaus sinnvoll sein, dass die erfindungsgemäße Beschichtung so ausgeführt wird, dass die Hartstoffpartikel keinen eigenen Oxidationsschutz aufweisen, aber eine deutlich bessere Anbindung beim Sintern erzielen. Geeignete Beschichtungswerkstoffe wären zum Beispiel Titan oder Nickel.
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Nach dem Abscheiden der Metallmatrix und der Hartstoffpartikel und/oder der Oxidationsschutzschicht kann eine Wärmebehandlung erfolgen, so dass zusätzlich ein Löt- und/oder Sinterprozess durchgeführt wird, der für eine kompakte Ausbildung der Beschichtung sorgt. Die Wärmebehandlung kann hierbei durch lokale Wärmeeinwirkung von Außen, z. B. durch Induktionswärmebehandlung, Laserbehandlung, Bestrahlung mit Quarzlampen und dergleichen, erfolgen oder durch eine Wärmebehandlung, die auf das gesamte Bauteil wirkt, wie z. B. durch Einbringen des Bauteils mit der Panzerung in einen Vakuum- oder Schutzgasofen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen deutlich. Die Zeichnungen zeigen hierbei in rein schematischer Weise in
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1 eine teilweise Querschnittansicht durch eine Laufschaufel mit einer darauf angeordneten erfindungsgemäßen Panzerung; und in
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2 eine teilweise Querschnittansicht durch eine Laufschaufel mit einer darauf angeordneten Panzerung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Die 1 zeigt eine teilweise Schnittansicht durch eine Laufschaufel 1 eines Flugtriebwerks oder einer Gasturbine, welche eine erfindungsgemäße Panzerung 6 aufweist. Die Panzerung gemäß der ersten Ausführungsform umfasst zwei Schichten 2 und 3, wobei die erste Schicht 2 eine Metallmatrix 4 mit eingelagerten Hartstoffpartikeln 5 aufweist, während die zweite Schicht 3 eine Oxidationsschutzschicht ist.
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Die Schicht 2 aus einer Metallmatrix 4 und eingelagerten Hartstoffpartikeln 5 ist mittels kinetischem Kaltgaskompaktieren bzw. kinetischem Kaltgasspritzen (auch K3 genannt) abgeschieden worden. Durch das kinetische Kaltgaskompaktieren kann eine thermische Belastung der Hartstoffpartikel 5 vermieden werden, da beim kinetischen Kaltgaskompaktieren die Festkörperpartikel mittels eines Trägergases mit einer derart hohen Geschwindigkeit auf die zu beschichtende Oberfläche gespritzt werden, dass beim Auftreffen die Beschichtungspartikel und/oder die Oberflächenbereiche des zu beschichtenden Bauteils verformt werden, so dass die Beschichtungspartikel und der der Bauteilwerkstoff bzw. die Beschichtungspartikel untereinander ineinander fließen und sich durch Verformung miteinander verzahnen, so dass eine dichte, fest haftende Beschichtung auf dem Substrat, wie in diesem Fall einer Laufschaufel 1, entsteht. Die Geschwindigkeiten, mit denen die Partikel auf die Oberfläche auftreffen, können hierbei bis zu 1000 m/s betragen, wobei die Temperatur so gewählt wird, dass die Feststoffpartikel nicht aufschmelzen bzw. die abgeschiedenen Partikel durch die Temperaturbelastung nicht beeinträchtigt werden.
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Bei der Ausführungsform der 1 weist die Schicht 2 der Panzerung 6 eine homogene Verteilung der Hartstoffpartikel 5 in der Metallmatrix 4 auf. Die Metallmatrix 4 kann durch eine Nickelbasislegierung bzw. Kobaltbasislegierung gebildet sein, während die Hartstoffpartikel 5 vorzugsweise aus kubischem Bornitrid oder aber Diamant oder diamantähnlichem Kohlenstoff oder sonstigen Karbiden oder Nitriden gebildet sind.
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Durch die homogene Abscheidung der Schicht 2 kommt es dazu, dass Hartstoffpartikel auch an der Oberfläche der Schicht 2 bzw. im Oberflächenbereich zum Liegen kommen, wo sie im Betrieb einem Oxidations- bzw. Korrosionsangriff ausgesetzt sind. Dieser kann dazu führen, dass die entsprechenden Hartstoffpartikel 5 ihre Funktion der Festigkeits- und Härtesteigerung nicht mehr erfüllen können. Aus diesem Grund ist bei der Ausführungsform der 1 eine Decklage 3 in Form einer Oxidationsschutzschicht vorgesehen, die die Hartstoffpartikel 5 vor Korrosion schützt. Dies gilt insbesondere für den Zeitraum, in dem die Panzerung 6 lediglich einer hohen Temperaturbelastung ausgesetzt ist, jedoch keine mechanische Belastung durch Schleifvorgänge erfährt. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn die entsprechende Laufschaufel 1 bei der konkreten Ausgestaltung sich nicht in einen gegenüberliegenden Einlaufbelag einschleift. Allerdings kann nach einer Wartung oder einer Reparatur bzw. einem Austausch benachbarter Komponenten die Funktion der Panzerung 6 erforderlich sein, da nunmehr beispielsweise ein Einschleifen in einen gegenüberliegenden Einschleifbelag stattfindet. Durch die Decklage 3 sind die Hartstoffpartikel 5 der Panzerung 6 vor Degenerierung geschützt gewesen, so dass sie nunmehr unbeeinträchtigt ihre Wirkung entfalten können.
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Eine weitere Ausführungsform ist in der teilweisen Schnittansicht der 2 gezeigt, die weitgehend der Darstellung der 1 entspricht, so dass identische Komponenten bzw. Bestandteile dieselben Bezugszeichen aufweisen.
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Bei dieser Ausführungsform ist die Laufschaufel 1 ebenfalls mit einer Schicht 2 aus einer Metallmatrix 4 und eingelagerten Hartstoffpartikeln 5 versehen. Allerdings weisen die Hartstoffpartikel 5 jeweils eine Oxidationsschutzhülle 3' auf, die die einzelnen Hartstoffpartikel 5 umgeben. Dies kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass bei der Abscheidung der Schicht 2 mittels kinetischem Kaltgaskompaktieren ein Pulver eingesetzt wird, welches bereits beschichtete Hartstoffpartikel 5 umfasst. Durch die niedrige Temperaturbelastung beim kinetischen Kaltgaskompaktieren bleibt die Beschichtung auch während des Aufbringens der Schicht 2 auf den Hartstoffpartikeln unbeeinträchtigt erhalten. Entsprechend ist jedes einzelne Hartstoffpartikel 5 vor Oxidation und Korrosion geschützt, so dass eine Decklage, wie beim Ausführungsbeispiel der 1, entbehrlich ist. Allerdings kann zusätzlich eine entsprechende Decklage 3 als Oxidationsschutzschicht vorgesehen sein.
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Bei der Ausführungsform der 2 ist weiterhin vorteilhaft, dass bei der Panzerung 6' auch für tiefer in der Schicht 2 bzw. Panzerung 6' liegende Hartstoffpartikel 5 ein Oxidationsschutz durch die Oxidationsschutzhülle 3' gegeben ist, so dass auch bei einem Abrieb der Panzerung 6' die weiter innen liegenden Hartstoffpartikel 5 vor Degeneration durch Oxidation bzw. Korrosion geschützt sind.
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Zur Herstellung der entsprechenden Panzerungen 6, 6' können beim kinetischen Kaltgaskompaktieren sortenreine Pulver aus den Hartstoffpartikeln 5 bzw. Hartstoffpartikeln 5 mit Oxidationsschutzhülle 3' und einem oder mehreren Bestandteilen der Metallmatrix 4 Verwendung finden, die entweder beim Spritzen oder vor dem Spritzen entsprechend gemischt werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, einzelne Pulver, also beispielsweise das Pulver der Metallmatrix 4 und das Pulver der Hartstoffpartikel 5, mit oder ohne Oxidationsschutzhülle 3' nacheinander zu verspritzen, so dass die Hartstoffpartikel 5 beispielsweise lagenweise in der Metallmatrix eingelagert werden. Darüber hinaus ist es auch denkbar, Pulver aus dem kompletten Schichtwerkstoff der Schicht 2 zu verspritzen.
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Die Oxidationsschutzschicht bzw. Decklage 3 kann ebenfalls durch kinetisches Kaltgaskompaktieren oder in jeder anderen geeigneten Art und Weise aufgebracht werden.
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Die Metallmatrix kann aus einer Metalllegierung mit mehreren metallischen Bestandteilen und Zusätzen gebildet sein, insbesondere durch einen Kobalt- oder Nickelbasiswerkstoff. Basiswerkstoff bedeutet hierbei, dass der größte Bestandteil der entsprechenden Legierung durch Nickel oder Kobalt gebildet ist. Darüber hinaus kann die Metallmatrix einen Lotwerkstoff umfassen oder aus einem Lotwerkstoff gebildet sein. Lotwerkstoff meint hierbei, dass es sich um eine niedrig schmelzende Legierung handelt, deren Schmelztemperatur niedriger ist als die der übrigen Bestandteile der entsprechenden Schicht 2 bzw. der Panzerung 6, 6'. Beispielsweise kann es sich um eine Ni-Lot-Legierung mit folgender Zusammensetzung handeln: 15 bis 25 Gew.-%, insbesondere 19 bis 23 Gew.-% und vorzugsweise 21,5 bis 22 Gew.-% Eisen und/oder Wolfram, höchstens 10 Gew.-%, vorzugsweise höchstens 5 Gew.-%, insbesondere höchstens 2,5 Gew.-% Kobalt, 15 bis 25 Gew.-%, insbesondere 20 bis 23 Gew.-% und vorzugsweise 20,5 bis 21 Gew.-% Chrom. 7 bis 11 Gew.-%, vorzugsweise 8 bis 10 Gew.-% und insbesondere 9 bis 9,5 Gew.-% Molybdän, 4 bis 8 Gew.-%, insbesondere 5 bis 7 Gew.-% und insbesondere 6 bis 6,5 Gew.-% Silizium, sowie bis zu 4 Gew.-%, insbesondere bis zu 3 Gew.-% und vorzugsweise bis zu maximal 2,5 Gew.-% Kobalt aufweisen. Der Rest wird durch Nickel und unvermeidbare Verunreinigungen gebildet.
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Die Oxidationsschutzschicht 3 bzw. Oxidationsschutzhülle 3' kann ebenfalls aus einem Nickel- oder Kobaltbasiswerkstoff gebildet sein, welcher insbesondere ein Element umfasst, welches eine langsam wachsende Oxidschicht ausbildet, wie beispielsweise Chrom oder Aluminium. Durch die langsam wachsende Chromoxid- oder Aluminiumoxidschicht wird eine schnellere Oxidation verhindert und somit eine Oxidationsschutzwirkung erzielt.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern dass vielmehr Abwandlungen in der Weise möglich sind, dass einzelne Merkmale weggelassen oder eine andersartige Kombinationen von Merkmalen vorgesehen sein können, ohne dass der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche verlassen wird. Insbesondere umfasst die vorliegende Erfindung sämtliche Kombinationen aller Ansprüche.
