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Die Erfindung betrifft ein faserverstärktes Kunststoffverbundbauteil sowie ein Werkzeug und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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Aus dem Stand der Technik ist die Herstellung von Verbund-Strukturbauteilen im RTM-Verfahren (Resin Transfer Moulding) bekannt, bei dem Fasern oder Faserhalbzeuge (sogenannte Prewovens oder Preformen) in eine Gusskavität des RTM-Werkzeug eingelegt und mit einer Formmasse umspritzt werden, bei der es sich um Duroplaste oder Elastomere handeln kann. Diese Formmasse wird mittels Kolben von einer meist beheizten Vorkammer über Verteilerkanäle in die Kavität eingespritzt, worin sie unter Wärme und Druck aushärtet. Um Lufteinschlüsse zu vermeiden, kann die Kavität vor dem Einspritzen evakuiert werden.
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Aus dem in der
EP 1 924 426 B1 zitierten Stand der Technik ist zur Herstellung des dort fokussierten röhrenförmigen Verbundbauteils das RTM-Verfahren und das Vorimprägnierverfahren genannt. Beim RTM-Verfahren werden zur Fertigung des röhrenförmigen Verbundbauteils trockene Faserelemente in spezieller Weise um einen Träger angeordnet. Diese Faserelemente, die miteinander verflochten oder parallel zueinander sein können, bilden die RTM-Preform, die zusammen mit dem Träger in eine Gusskavität eingelegt werden, in die das Harz unter Vakuum oder unter Druck injiziert wird, das dann unter Energiezufuhr polymerisiert. Der Vorteil des RTM-Verfahrens liegt in der großen Flexibilität, wodurch die Herstellung von Teilen mit komplexer Geometrie ermöglicht wird, so dass keine Notwendigkeit besteht, etliche Teile einfacherer Form herzustellen und diese dann nachfolgend zusammenzubauen. Nachteile des RTM-Verfahrens bestehen in einer weniger guten Faserausrichtung, da die in der Preform noch ausgerichteten trockenen Fasern im Prozessverlauf ihre Orientierung ändern können.
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Hingegen können im Vorimprägnierverfahren zwar vorimprägnierte Vorformlinge mit gerichteter Faseranordnung geschaffen werden, die allerdings für Bauteile mit komplexer Geometrie wie Pleuelstangen verwendet werden können. Weitere Nachteile der vorimprägnierten Bauteile liegen in minderer Materialwertigkeit, was zu einer hohen Ausschussrate führt.
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Daher werden in der
EP 1 924 426 B1 Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils, offenbart, das insbesondere ein röhrenförmiges Teil wie eine Pleuelstange ist. dabei sollen die jeweiligen Nachteile des RTM-Verfahrens und des Vorimprägnierverfahrens vermieden und gleichzeitig deren Vorteile genutzt werden. Dazu werden beide Verfahren in einer bestimmten Weise kombiniert. So umfasst das dort offenbarte Verfahren zum Herstellen eines RTM-Verbundteils die Schritte, ein vorimprägniertes Teil zu realisieren, welches miteinander ausgerichtete Fasern aufweist, die mit einem ersten Harz imprägniert sind. Das erste Harz des vorimprägnierten Teils wird einer ersten Stufe der Teilpolymerisation unterworfen bis zu einem Stadium, in dem das erste Harz ausreichend starr ist, so dass die Fasern in ihrer Position im Inneren dieses Harzes fest werden, wobei das erste Harz auf einen Polymerisationsgrad zwischen 5 und 70% teilweise polymerisiert wird. Das so vorpolymerisierte Teil und ein trockener faseriger Vorformling werden um einen Träger herum angeordnet, wobei der Vorformling faserige Elemente aufweist, die trockene Fasern aufweisen. Sodann wird ein zweites Harz in den faserigen Vorformling eingespritzt und in einer zweiten Polymerisationsstufe das zweite Harz polymerisiert und gleichzeitig die Polymerisation des ersten Harzes beendet. Das erste und zweite Harz können miteinander kompatibel sein und im Wesentlichen dieselbe chemische Zusammensetzung haben.
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Solche RTM-Strukturbauteile, die zur Leichtbauweise im Kraftfahrzeug- und Flugzeugwesen zunehmend eingesetzt werden, weisen üblicherweise hohe Festigkeiten und Steifigkeiten auf, weswegen sie meist auch sehr spröde sind und daher weniger geeignet, sich elastisch zu deformieren.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein faserverstärktes Kunststoffverbundbauteil bereitzustellen, das eine bedarfsgerechte und Lastfall-orientierte Bauteilauslegung gezielt innerhalb des Kunststoffverbundbauteils ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein faserverstärktes Kunststoffverbundbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Ein Werkzeug, mit dem ein solches faserverstärktes Kunststoffverbundbauteil hergestellt werden kann, wird durch ein RTM-Werkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 5 offenbart.
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Ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 löst die Aufgabe der Herstellung des bedarfsgerecht und Lastfall-orientiert gezielt ausgelegten faserverstärkten Kunststoffverbundbauteils.
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Weiterbildungen des Kunststoffverbundbauteils, des RTM-Werkzeugs und des Verfahrens sind in den jeweiligen Unteransprüchen ausgeführt.
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Eine erste Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auf ein faserverstärktes Kunststoffverbundbauteil, das zwei oder mehrere Bauteilbereiche mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften hat. Jeder der sich unterscheidenden Bauteilbereiche besteht aus einem Verbund eines Matrixmaterials mit einer Faseranordnung, die für alle Bauteilbereiche eine einzige gemeinsame Faseranordnung ist. Die für die verschiedenen Bauteilbereiche verwendeten Matrixmaterialien unterscheiden sich hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften und sind miteinander mischbar, so dass sie sich in einer Grenzzone zwischen den Bauteilbereichen vermischen, also dort in einem Gemisch aus zumindest zwei Matrixmaterialien vorliegen. Das so gestaltete faserverstärkte Kunststoffverbundbauteil weist bedarfsgerecht und Lastfall-orientiert hinsichtlich seiner mechanischen Eigenschaften modifizierte Bauteilbereiche innerhalb eines einzigen Bauteils auf.
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Bei den sich unterscheidenden mechanischen Eigenschaften der Bauteilbereiche kann es sich um deren Elastizität, Plastizität, Festigkeit und/oder Härte handeln.
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Um eine gute Mischbarkeit der sich unterscheidenden Matrixmaterialien sicherzustellen, können diese ein artgleiches Basismaterial aufweisen. Dabei ist auf die Mischbarkeit der Komponenten im flüssigen Zustand vor der Aushärtung zur Matrix abzuheben. Die Zusammensetzungen der verschiedenen Matrixmaterialien unterscheiden sich dann hinsichtlich der Art und der Menge der zu dem Basismaterial zugegebenen Zusatzstoffe.
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Bei dem Basismaterial kann es sich um ein vernetzungsfähiges Harz bzw. um ein Reaktionsharz handeln, hier sind alle gängigen, in RTM-Verfahren verwendbaren Harze umfasst, während die Zusatzstoffe aus der Gruppe ausgewählt sind, die Weichmacher, Füllstoffe, insbesondere mineralische Füllstoffe, Reaktionsmittel, Vernetzungsmittel, Additive zur Schwundreduktion, Inhibitoren, inerte Trennmittel, Farbstoffe, Flammschutzmittel, leitende Zusatzstoffe, Stabilisatoren umfasst. Vor allem mit den Weichmachern und Füllstoffen können die mechanischen Eigenschaften beeinflusst werden.
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Eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines zur Herstellung des faserverstärkten Kunststoffbauteils mit unterschiedlichen Bauteileigenschaften geeigneten Werkzeugs bezieht sich auf ein RTM-Werkzeug mit einer schließseitigen und einer angussseitigen Werkzeughälfte, die eine Kavität begrenzen, deren Form das zu fertigende Kunststoffverbundbauteil abbildet. Weiter weist das Werkzeug zumindest zwei Injektionsvorrichtungen, die in die Kavität münden, für Matrixmaterialien auf.
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Dabei ist zumindest eine der Injektionsvorrichtungen des RTM-Werkzeugs so angeordnet, dass sie an einer ersten Stelle in die Kavität mündet, die innerhalb eines Kavitätsabschnitts liegt, der zur Ausbildung des einen der Bauteilbereiche vorgesehen ist. Dessen Eigenschaften werden durch ein erstes Matrixmaterial bestimmt, das durch diese Injektionsvorrichtung injiziert werden kann. Es liegt ferner zumindest eine zweite Injektionsvorrichtung vor, die an zumindest einer zweiten Stelle in die Kavität mündend angeordnet ist, wobei die zweite Stelle innerhalb eines Kavitätsabschnitts liegt, der zur Ausbildung eines weiteren Bauteilbereichs mit einem sich unterscheidenden Matrixmaterial vorgesehen ist. So weist dieser Bauteilbereich mechanische Eigenschaften auf, die von jenen des anderen Bauteils abweichen.
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Mit den Mehrfachangüssen durch die Injektionsvorrichtungen mit sich unterscheidenden Matrixmaterialien an einem einzigen Bauteil können die Bauteileigenschaften innerhalb dieses Bauteils gezielt verändert werden und so in Bauteilbereichen beispielsweise elastischer ausgebildet werden. So kann ein Bauteil nicht nur Bereiche mit den üblichen hohen Festigkeiten und Steifigkeiten aufweisen, sondern auch gezielt Bereiche mit geringerer Sprödigkeit und erhöhter Elastizität besitzen.
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Ein erfindungsgemäßes RTM-Werkzeug kann ferner Mittel zur Temperierung, wie Heiz- und/oder Kühleinrichtungen umfassen. Auch können Mittel zur Druckregulierung Teil des Werkzeugs sein. Hierbei kann es sich um Pressdruck erzeugende Mittel der schließseitigen Werkzeughälfte und/oder eine mit der Kavität verbundene Entlüftungseinrichtung handeln.
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Ein erfindungsgemäßes RTM-Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Kunststoffverbundbauteils umfasst das Einlegen der Faseranordnung in die Kavität des RTM-Werkzeugs. Danach erfolgt das Schließen des Werkzeugs und eventuell das Evakuieren der Kavität, ehe das Injizieren des ersten Matrixmaterials und des zweiten Matrixmaterials in die Kavität statt findet.
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Dabei werden die verschiedenen Matrixmaterialien an verschiedenen Stellen in den vorgesehenen Abschnitt der Kavität eingespritzt. Die Faseranordnung, die sich durch das ganze Bauteil erstreckt, wird dann in den ersten Bauteilbereichen mit dem ersten Matrixmaterial und in den zweiten Bauteilbereichen mit dem zweiten Matrixmaterial imprägniert. In der Grenzzone zwischen benachbarten Bauteilbereichen fließen die verschiedenen Matrixmaterialien zusammen und mischen sich. Nach dem aushärten Lassen des ersten Matrixmaterials in den ersten Bauteilbereichen und des zweiten Matrixmaterials in den zweiten Bauteilbereichen sowie dem zusammen aushärten Lassen des Matrixmaterialgemischs in der Grenzzone ist das faserverstärkte Kunststoffverbundbauteil fertig gestellt.
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Grundsätzlich kann das Bauteil selbstverständlich noch mehr Bauteilbereiche aufweisen, die alle auf analoge Weise wie vorstehend ausgeführt mit verschiedenen Matrixmaterialien erstellt werden können. Dabei ist es auch möglich, dass ein oder mehrere Matrixmaterialien wiederholt Verwendung finden, möglichst aber nicht für benachbarte Bauteilbereiche.
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Für die Aushärtung der Matrixmaterialien kann ein Erhöhen der Temperatur in der Kavität und/oder des Drucks auf imprägnierte Faseranordnung erforderlich sein und angewendet werden.
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Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt. Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Seitenschnittansicht eines RTM-Werkzeugs zur Herstellung des erfindungsgemäßen faserverstärkten Kunststoffverbundbauteils,
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2 eine schematische Seitenschnittansicht eines erfindungsgemäßen faserverstärkten Kunststoffverbundbauteils.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung bezieht sich auf ein faserverstärktes Kunststoffverbundbauteil, dessen Bauteileigenschaften in verschiedenen Bauteilbereichen innerhalb des Kunststoffverbundbauteils gezielt modifiziert sind, so dass das Bauteil bedarfsgerecht und Lastfall orientiert ausgelegt ist. Um innerhalb eines Bauteils gezielt unterschiedliche Eigenschaften zu erhalten, wie etwa elastische Bereiche, wird ein Injektionsverfahren mit mehreren Angüssen, in welche unterschiedliche Matrixwerkstoffe injiziert werden, durchgeführt. Die jeweiligen Matrixwerkstoffe sind so ausgelegt, dass sie sich im Zusammenfluss über einen gewissen Bereich vermischen können und sich verbinden.
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Beispielhaft ist in 2 ein faserverstärktes Kunststoffverbundbauteil 10 dargestellt, dessen Bauteilbereiche 11 und 12 unterschiedliche mechanische Eigenschaften aufweisen. Die Bauteilbereiche 11 bestehen aus einem Verbund eines ersten Matrixmaterials mit dem entsprechenden Abschnitt der Faseranordnung 10', während der Bauteilbereich 12 aus einem Verbund eines anderen Matrixmaterials mit dem entsprechenden Abschnitt der Faseranordnung 10' besteht. Die dem Bauteil 10 zu Grunde liegende einzige gemeinsame Faseranordnung 10' erstreckt sich über alle Bauteilbereiche 11, 12.
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Als Faseranordnung 10' kommen Faseranordnungen wie Fasermatten, Gewebe, Geflechte, Gestricke oder Vliese, die aus Einzelfasern, Rovings oder Faserbändern bestehen, in Frage. Dabei kann es sich auch um Hybridfasern oder Hybridfaseranordnungen aus verschiedenen Fasermaterialien handeln. Bei den Fasermaterialien kann es sich um die üblichen Verstärkungsfasern aus Glas, Carbon, und Polymer, beispielsweise Aramid handeln.
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Die in dem Bauteil 10 verwendeten Matrixmaterialien, die sich hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften unterscheiden und damit den daraus gebildeten Bereichen die unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften verleihen, können sich miteinander vermischen, so dass in den Grenzzonen 13 zwischen den Bauteilbereichen 11, 12 ein Gemisch aus den Matrixmaterialien der angrenzenden Bauteilbereiche 11, 12 vorliegt.
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Anders als dargestellt, sind auch Bauteile denkbar, bei denen drei oder mehr Bauteilbereiche vorliegen, die hinsichtlich ihrer Eigenschaften modifiziert sind. Dazu werden dann entsprechend drei verschiedene Matrixmaterialien eingesetzt. Eine Grenzzone muss nicht zwangsläufig zwischen zwei Bereichen liegen, sie kann auch an dem Zusammentreffen dreier Bereiche entstehen. Hier weist dann die Grenzzone ein Gemisch aller drei Matrixmaterialien auf.
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Bei den sich unterscheidenden mechanischen Eigenschaften der verschiedenen Bauteilbereiche 11, 12 kann es sich beispielsweise um die Elastizität, die Plastizität, die Festigkeit und/oder die Härte handeln.
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Die Herstellung eines solchen Bauteils 10 lässt sich mit einem RTM-Werkzeug 1 mit mehreren Angüssen bewerkstelligen, wie es in 1 skizziert ist. In die zwischen der schließseitigen und eine angusseitigen Werkzeughälfte 2, 3 vorliegenden Formkavität 4 münden daher die Injektionsvorrichtungen 5, 6 für die unterschiedlichen Matrixmaterialien 7, 8. Die Injektionsvorrichtungen 5 sind dabei derart angeordnet, dass sie an Stellen 4a, 4b in die Kavität 4 münden ist, die innerhalb eines Kavitätsabschnitts liegen, der jeweils zur Ausbildung der entsprechenden Bauteilbereiche 11, 12 vorgesehen ist. Nachdem die Faseranordnung 10' in die Kavität 4 des RTM-Werkzeugs 1 eingelegt wurde, werden dann das erste Matrixmaterial 7, das zur Ausbildung der Bauteilbereiche 11 mit bestimmten mechanischen Eigenschaften ausgewählt ist, von den Injektionsvorrichtungen 5 an den bestimmten Stellen 4a in die Kavität 4 eingespritzt und gleichzeitig das zweite Matrixmaterial 8, das zur Ausbildung der Bauteilbereiche 12 mit sich unterscheidenden mechanischen Eigenschaften ausgewählt ist, von der Injektionsvorrichtungen 6 an der bestimmten Stellen 4b injiziert. Die Faseranordnung 10' wird in den Bauteilbereichen 11, 12 mit dem jeweiligen Matrixmaterial 7, 8 imprägniert, wobei die Matrixmaterialien 7, 8 in den Grenzzonen 13 zwischen den Bauteilbereichen 11, 12 zusammenfließen, sich mischen und miteinander verbinden.
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Nach dem aushärten Lassen der Matrixmaterialien 7, 8 ist das einstückige Verbundbauteil 10 mit den unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften in verschiedenen Bauteilbereichen 11, 12 fertig gestellt. Natürlich können auf die genannte Weise einstückige Bauteile mit noch mehr Bauteilbereichen geschaffen werden.
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Werden als Matrixmaterialien Harzsysteme verwendet, so wird zum Aushärten die Temperatur in der Kavität 4 erhöht, wozu das Werkzeug 1 eine Heizeinrichtung 7 aufweisen kann, und Druck auf die imprägnierte Faseranordnung 10' ausgeübt, indem entsprechende Pressdruck erzeugende Mittel der schließseitigen Werkzeughälfte 2 aktiviert werden.
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Generell lassen sich RTM-Verfahren nach Anzahl und Gestaltung der Injektionsstellen bzw. der Angüsse einteilen. Hier wird der Eintrag des Matrixmaterials in die Faseranordnung unabhängig von der Weise der Druckgradienterzeugung als Injektion bezeichnet. Während bei Punktinjektionen das Matrixmaterial nur an einer Stelle in die Faseranordnung injiziert wird, erfolgt die Einbringung des Matrixmaterials bei Mehrpunktinjektionen durch mehrere Injektionsstellen. Dadurch kann die Form schneller gefüllt werden, und ein Lufteinschluss durch geschickte Positionierung der Angüsse verhindert werden. Bei einer Linieninjektion wird nicht an einer punktförmigen Stelle injiziert, sondern linienförmig am Rand der Kavität. Dies kann etwa bei sich lang erstreckenden Bauteilen von Vorteil sein, so dass bei Anordnung der Injektionslinie längs des Bauteils nur die kürzere Bauteilabmessung durchströmt werden muss. Bei der Fließkanalinjektion wird das Matrixmaterial durch einen breiten Kanal injiziert. Um den Druckgradienten gering zu halten, werden bei einer Kaskaden-Injektion mehrere Injektionsstellen in Richtung der Fließfront angebracht, wobei die Injektionsvorrichtungen der Fließfront folgend geöffnet und zu geschlossen werden.
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Bei den Injektionsvorrichtungen der Erfindung kann es sich entsprechend um jeweils eine Punktinjektion pro Bauteilbereich handeln, es sind aber auch eine Mehrpunktinjektion, eine Linieninjektion, eine Fließkanalinjektion und/oder eine Kaskaden-Injektion pro Bauteilbereich denkbar.
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Auch abhängig von der gewählten Injektionsart kann zur Verminderung von Lufteinschlüssen die Kavität 4 nach dem Einlegen der Faseranordnung 10' und Schließen der Werkzeughälften 2, 3 vor der Injektion der Matrixmaterialien evakuiert werden. Dazu weist das Werkzeug 1 einen Entlüftungskanal 9 aus der Kavität 4 auf, der zu einer Vakuumpumpe 9' verläuft.
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Um das Mischen und das Verbinden der verschiedenen Matrixmaterialien 7, 8 in den Grenzzonen 13 zu erleichtern, können die Matrixmaterialien aus demselben Basismaterial bestehen, das lediglich unterschiedliche Beimengungen von Zusatzstoffen zur Veränderung der Eigenschaften aufweist. Art und Menge der Zusatzstoffe bestimmen dann die jeweiligen mechanischen Eigenschaften des daraus gebildeten Matrixmaterials und in folge auch des Bauteilbereichs.
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Während es sich bei dem Basismaterial um ein vernetzungsfähiges Harz handeln kann, können die eigenschaftsbestimmenden Zusatzstoffe aus der Gruppe ausgewählt werden, die vor allem Weichmacher, Füllstoffe, insbesondere mineralische Füllstoffe umfasst. Weitere Zusatzstoffen sind Reaktionsmittel, Vernetzungsmittel, Additive zur Schwundreduktion, Inhibitoren, inerte Trennmittel, Farbstoffe, Flammschutzmittel, leitende Zusatzstoffe sowie Stabilisatoren. Unter einem Zusatzstoff im weiteren Sinnen sind auch Polymerschäume zu verstehen. So ist es beispielsweise möglich einen Teil des Basismaterials bzw. die erste Matrix ungeschäumt und den anderen Teil des gleichen oder eines anderen Basismaterials bzw. Matrix geschäumt auszuführen.
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Als Faseranordnungen 10' können gegebenenfalls auch trocken oder nass vorimprägnierte Faseranordnungen verwendet werden, wobei die Vorimprägnierung vorzugsweise mit dem Basismaterial durchgeführt wird, so dass in der nachfolgenden Injektion die Mischung und Vernetzung mit dem injizierten Matrixmaterial gewährleistet ist.
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Generell werden in RTM-Verfahren Harze bzw. Harzsysteme als zu injizierende Matrixmaterialien verwendet, die eine niedrige Viskosität besitzen, um den Strömungswiderstand beim Durchströmen der Form und der Faseranordnung gering zu halten, so dass kleinere Druckdifferenzen zum Füllen erforderlich sind. Üblicherweise bestehen Reaktionsharze für RTM-Verfahren, die als spezielle Injektionsharze angeboten werden, aus einer Harz- und Härterkomponente. Harzsysteme mit geringer Reaktivität können bereits vor der Injektion gemischt werden. Bei Verwendung eines hochreaktiven Harzsystems werden Harz und Härter erst unmittelbar in der Injektionsleitung bzw. in der Kavität gemischt.
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Mit den Mehrfachangüssen mit modifizierten Harzsystemen an einem einzigen Bauteil können die Bauteileigenschaften innerhalb des Bauteils gezielt verändert werden und so z. B. in Teilbereichen elastischer ausgebildet werden. So kann ein Bauteil nicht nut Bereiche mit den üblichen hohen Festigkeiten und Steifigkeiten aufweisen, sondern auch gezielt Bereiche mit geringerer Sprödigkeit und erhöhter Elastizität besitzen.
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Zwar werden RTM-Verfahren üblicherweise mit Harzen als Matrixmaterialien durchgeführt, im Sinne der Erfindung sind aber auch thermoplastische Kunststoffe als Matrixmaterialien denkbar, die dann in geschmolzener Form mittels einer Extrudiervorrichtung in die Kavität mit dem Fasereinleger eingespritzt werden. Hierfür kann das Werkzeug für einen definierten Erstarrungsvorgang neben Heizeinrichtungen auch Kühleinrichtungen aufweisen. Generell können aber auch Werkzeuge zur Harzinjektion mit Kühleinrichtungen ausgestattet sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1924426 B1 [0003, 0005]