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Die vorhandene Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Tribologie und betrifft einen Verschleiß-Prüfstand für Zylinder-Innenflächen sowie ein Verfahren zur Überprüfung der Verschleißbeständigkeit von Zylinder-Innenflächen, insbesondere auf einen Verschleiß-Prüfstand und ein Verfahren für die Prüfung von Verschleißeigenschaften von Werkstoffen an inneren Oberflächen.
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Die Tribologie beinhaltet zum einen die Wissenschaft über die und zum anderen die Anwendung der Reibungskräfte, der Schmierung und des Verschleißes, welche zwischen zwei Körpern, der technisch modifizierten Oberfläche eines Prüfkörpers und einem Gegenkörper, auftreten. Der Prüfkörper bewegt sich relativ unter vorgegebener Normalkraftbelastung gegenüber dem Gegenkörper. Diese Wissenschaft ist in den letzten Jahren als ein facettenreiches und interdisziplinäres Fachgebiet weltweit anerkannt worden. Viele konventionelle Prüfgeräte und andere Tribometer geeignet zum Messen der Reibung bzw. der Verschleißbeständigkeit der Werkstoffe unter einem breiten Spektrum von Betriebsbedingungen sind aus Veröffentlichungen bekannt bzw. befinden sich auf dem Markt. Allerdings sind die meisten nur für die Prüfung von äußeren Oberflächen geeignet bzw. entsprechen bei Prüfung innerer Oberflächen nicht der Reibpaarung, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt.
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In der 1992 veröffentlichten
J.P. 4273030(A) beschreibt K. Kazutaka ein „Block an Ring”-Abrasionsprüfgerät, welches aus einem stationären Block-Gegenkörper, der mit einer bestimmten Kraft gegen die Außenfläche eines rotierenden Ringes gedrückt wird, besteht. Jedoch lassen sich mit Hilfe dieses Gerätes die Innenflächen nicht testen. Bei dieser Methode ist die Anordnung, siehe
4, ein rotierender Ring, der mit einem stehenden quaderförmigen Block gepaart ist (Geometrie der Reibpaarung: gerade steht/konvex dreht) und weist wesentliche Nachteile auf. So ist die Geometrie des Gegenkörpers nur für äußere Flächen geeignet. Durch die Geometrie der Außenkontur ergeben sich bei der Kraftwirkung zwischen Grundkörper und Gegenkörper grundsätzlich unterschiedliche Wirkmechanismen im Vergleich zu der Innenfläche.
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Im
U.S. Pat. No. 4966030 wurde 1990 von T. Kobayashi u. a. ein „Pin-on-Disc”-Prüfstand beschrieben, bei dem ein stationärer Prüfstift unter konstanter Belastung auf einer rotierenden Prüfscheibe entlang einer bestimmten Kreisbahn gleitet. Die Verschleißrate des Pin-Werkstoffes wird in Abhängigkeit von der Beanspruchungszeit bestimmt.
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Auf dem nationalen und internationalen Markt ist in den letzten Jahren die Nachfrage nach verschleißfesten Hochleistungsbeschichtungen, hergestellt mittels thermischen Spritzens, deutlich gestiegen. Das bezieht sich insbesondere auf die Kategorie der verschleißfesten Innenbeschichtungen. Um eine Effizienzsteigerung bezüglich der Verschleißbeständigkeit dieser Schichten feststellen zu können, müssen diese Beschichtungen verschiedenen Verschleißprüfungen unterzogen werden. Zurzeit sind solche Verschleißprüfungen von innenbeschichteten Oberflächen nicht realisierbar, da alle Verschleißprüfgeräte, welche auf dem Markt angeboten werden, nur zum Testen von zylindrischen Außenflächen bzw. von flachen Oberflächen geeignet sind. Wegen der Unterschiede der Spritzparameter zwischen Innen- und Außenbeschichtungsverfahren ist es notwendig, eine Schicht für die spätere Anwendung als Zylinder-Innenfläche auch als solche zu testen. Thermische Beschichtungsverfahren für Innenflächen sind mit denen für Außenflächen nur eingeschränkt vergleichbar. Besonders die thermische Belastung stellt eine Herausforderung bei der Innenbeschichtung dar. Die Prozessparameter für Innenbeschichtungen unterscheiden sich deutlich von denen der Außenbeschichtung, was Einflüsse auf die Schichteigenschaften hat. Um Proben für eine Innenbeschichtungsanwendung herzustellen, müssen auch Innenkonturen beschichtet und getestet werden. Nur so kann das Verschleißverhalten des späteren Bauteils realitätsnah charakterisiert werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Prüfstand und ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem die Möglichkeit gegeben ist, das Verschleißverhalten von beschichteten sowie unbeschichteten Körpern mit zylindrischer Innenfläche realitätsnah zu bewerten. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verschleiß-Prüfstand gelöst, der einen feststehenden Gegenkörper und eine rotierbare Halterung für einen an der Zylinder-Innenfläche zu prüfenden Körper enthält wobei während der Prüfung der feststehende Gegenkörper unter Last gegen die Zylinder-Innenfläche des rotierenden zu prüfenden Körpers gedrückt wird. Die Last wird vorzugsweise konstant ausgeübt. Bei dem Verschleiß-Prüfstand für Zylinder-Innenflächen eines zu prüfenden Körpers wird also der feststehende Gegenkörper unter Last gegen die Zylinder-Innenfläche des rotierenden zu prüfenden Körpers gedrückt. Die Begriffe „zu prüfender Körper” und „Prüfkörper” werden gleichbedeutend verwendet.
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Verfahrensgemäß wird demnach die Aufgabe dadurch gelöst, dass ein feststehender Gegenkörper unter Last gegen die Zylinder-Innenfläche eines zu prüfenden rotierbaren Körpers gedrückt wird. Der Prüfkörper erfährt während des Prüfvorganges eine Rotationsbewegung, wodurch eine Verschleißspur, bevorzugt eine rechteckige Verschleißspur, generiert wird. Auf dieser Grundlage kann dann die Verschleißrate der Zylinder-Innenfläche des Prüfkörpers bestimmt werden. Für die Bestimmung der Verschleißrate der getesteten Materialien ist der Massenverlust des Prüfkörpers bzw. der Volumenverlust entlang der Zylinder-Innenfläche ausschlaggebend.
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Durch die erfindungsgemäße Prüfeinrichtung wird die Kraft in einer bevorzugten Ausführungsform derart vom Gegenkörper auf den zu prüfenden Körper ausgeübt, dass sich ein feststehender Gegenkörper mit runder Außenkontur (konvex) gegen eine rotierende zylindrische Innenfläche des Prüfkörpers (konkav) drückt und sich hierdurch der Verschleiß ergibt. Auf diese Weise bilden die beiden Kontaktflächen folgende Geometrie der Reibpaarung: konvex steht und konkav dreht. Bei den bekannten Prüfeinrichtungen ist der Kontakt zwischen den beiden Reibpartnern nicht derart und nicht für solche Konturen hergestellt. Die Gestaltung der erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung bringt daher einen praxis- und realitätsnäheren Verschleiß-Kontakt.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes besteht an der Kontaktfläche zwischen der Zylinder-Innenfläche des zu prüfenden Körpers und dem Gegenkörper ein Linienkontakt. Aufgrund des linienförmigen Kontaktes zwischen den beiden Körpern/Oberflächen werden die während der Verschleißprüfung wirkenden Kräfte gleichmäßig verteilt, so dass ein frühzeitiger Verschleiß des Gegenkörpers vermieden wird. Zugleich ergibt sich noch ein weiterer Vorteil, dahingehend, dass dieser Typus des Kontakts sehr oft in der Praxis auftritt und auf dieses Weise der durchgeführte Verschleißtest der Realität näher kommt.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird eine Feder zur Einbringung und Regulierung der Anpresskraft des Gegenkörpers und damit der einwirkenden Belastung auf die Zylinder-Innenfläche des zu prüfenden Körpers eingesetzt. Dies ermöglicht vorteilhafterweise eine Dosierung der Anpresskraft mit hoher Genauigkeit insbesondere unter Nutzung eines Feingewindes und der bekannten Federkonstante. Besonders bevorzugt ist die Regulierbarkeit der Anpresskraft mit Hilfe einer Anzeigehülse mit Innengewinde. Die Feder gewährleistet während der Verschleißprüfung einen kontinuierlichen Kontakt zwischen der Zylinder-Innenflächen des zu prüfenden Körpers und dem Gegenkörper, auch für den Fall, dass möglicherweise Schwingungen bzw. Fertigungsungenauigkeiten auftreten, so dass die Abweichungen mit Hilfe der vorhandenen Federdämpfung ausgeglichen werden.
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In den verschiedenen Ausführungsformen können die Zylinder-Innenflächen des zu prüfenden Körpers und/oder die Gegenkörper unbeschichtet sein oder mit einem Material bzw. Werkstoff beschichtet sein. Erfindungsgemäß wird als besonders vorteilhaft angesehen, wenn die Zylinder-Innenflächen des zu prüfenden Körpers und insbesondere der Gegenkörper mit einem Material mittels eines thermischen Verfahrens, insbesondere eines Spritzverfahrens, beschichtet werden können oder sind, um einen spezifischen Verschleißtest für eine vorgegebene Anwendung, wie beispielsweise der Kombinationen Hartstoff gegen Stähle, Hartstoff gegen mineralgefüllte Pressmassen, Hartstoff gegen Titanlegierungen, Cermets, usw. zu simulieren. Diesbezüglich, ist die ausführliche Überprüfung sowohl der Beschichtungswerkstoffe, welche auf Zylinder-Innenflächen aufgebracht werden, als auch von unbeschichteten Innenflächen hinsichtlich deren Verschleißbeständigkeit notwendig, um das komplexe Verschleißverhalten dieser Bauteiloberflächen während des Betriebes besser verstehen und beurteilen zu können. Eine solche ausführliche Untersuchung kann mit Hilfe der vorhandenen Erfindung realisiert werden. Aufgrund der nach der Verschleißprüfung erzielten Ergebnisse, lassen sich optimierte Werkstoffe auswählen, welche für die Herstellung eines neuen Produktes mit verbesserten technischen und funktionalen Eigenschaften geeignet sind. Als weiteres Beispiel ist die Optimierung eines Schichtverbundes für eine Innenbeschichtung von Zylindern bzw. für die Entwicklung eines spezifischen Schichtsystems, um eine gute Verschleißbeständigkeit der Schichten, je nach Materialpaarung, zu erlangen, zu nennen. Dazu sind insbesondere qualitätsspezifische Verschleißtests erforderlich. Solche Tests liefern eine Werkstoffvorauswahl für die praktische Umsetzung. Auf der Grundlage der vorliegenden Erfindung mit ihrer guten Realitätsnähe existiert eine bessere Übertragbarkeit der Anwendung auf betriebliche Bedingungen in Anlagen und Maschinen.
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Darüber hinaus weist die vorliegende Erfindung in ihren Ausführungsformen eine hohe Flexibilität auf durch die Möglichkeit der Verwendung zahlreicher beschichteter oder unbeschichteter Gegenkörper und beschichteter oder unbeschichteter Zylinder-Innenflächen der zu prüfenden Körper, welche entweder aus verschiedenen oder aus gleichen Werkstoffen bzw. Materialien hergestellt werden können. Der Gegenkörper im Verschleißprüfstand ist bevorzugt austauschbar, je nach Material- und Prüfungsanforderungen. Eine derartige Ausführung ermöglicht die Begutachtung des Verschleißverhaltens unterschiedlichster Werkstoffpaarungen wie unter normalen Betriebsbedingungen. In dem Fall der bekannten konventionellen „Pin-on-Disc” Verschleißprüfstände ist der Gegenkörper (der stationäre Körper) eine Kugel, welche nur in begrenzten Werkstoffzusammensetzungen angeboten werden kann. Eine derartige Testanordnung des Standes der Technik beinhaltet den weiteren Nachteil, dass solche Kugeln einer hohen Verschleißrate unterliegen, da aufgrund der punktuell wirkenden Kräfte während der gesamten Prüfdauer die einwirkenden Kräfte höher sind, als bei der erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung mit Linienkontakt. Dieses Phänomen ist für die Bestimmung des Verschleißverhaltens eines Prüfkörpers unerwünscht, da Ziel solcher Untersuchungen nur der Verschleiß der zu prüfenden Oberfläche des Prüfkörpers ist. Ein Verschleiß des Gegenkörpers sollte hingegen möglichst minimiert sein.
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Ein weiterer Vorteil dieser Erfindung ist die variable Länge des Liniekontaktes zwischen dem Gegenkörper und der Zylinder-Innenfläche des zu prüfenden Körpers. Die Länge des Linienkontaktes kann durch die Variation der Abmessungen des Gegenkörpers, je nach Art und Erfordernissen der Anwendungstechnik, verändert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform zeigt das Profil der Verschleißspur auf der Oberfläche der Zylinder-Innenfläche des Prüfkörpers eine rechteckige Form. Mit rechteckiger Form im Sinne dieser Erfindung ist eine angenäherte oder quasi rechteckige Form gemeint. Dabei müssen die Winkel nicht exakt 90° sein und die Ecken können abgerundet sein. Bevorzugt sind die Winkel von 90° ± 20° und insbesondere bevorzugt von 90° ± 10°, beispielhaft sei auf 6 verwiesen. Diese rechteckige Form der Verschleißspur vereinfacht die Berechnung des Gesamtverschleißvolumens auf einem rechteckigen Querschnitt. Der Berechnungsalgorithmus ist in diesem Fall deutlich einfacher im Vergleich zu dem einer Kugelkalotte, welche nach einer „Pin-on-Disk”-Verschleißprüfung entsteht.
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Der erfindungsgemäße Verschleißprüfstand für zylindrische Innenflächen ist aufgrund der hohen Flexibilität von besonderem Vorteil, da der Verschleißprüfstand relativ einfach an zahlreiche Testanforderungen bezüglich verschiedenster Werkstoffpaarungen Prüfkörper/Gegenkörper angepasst werden kann.
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Mögliche Ausführungsbeispiele der Erfindung werden durch die nachfolgenden Zeichnungen näher verdeutlicht.
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1. Schematischer Aufbau eines erfindungsgemäßen Verschleiß-Prüfstands für die Untersuchungen des Verschleißverhaltens an Zylinder-Innenflächen
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2. Schematische Darstellung des Prüfbereiches (Reibstelle) eines erfindungsgemäßen Verschleiß-Prüfstandes im Querschnitt
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3. Detaillierte Aufbau-Darstellung des Gegenkörpers und der Gegenkörperhalterung eines erfindungsgemäßen Verschleiß-Prüfstandes
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4. Schematische Test-Anordnung der „Block an Ring”-Methode nach dem Stand der Technik
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5. Schematische Test-Anordnung des erfindungsgemäßen Verschleiß-Prüfstands für Zylinder-Innenflächen
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6. Gemessenes Profil einer Verschleißspur erzeugt mittels eines erfindungsgemäßen Verschleiß-Prüfstandes
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Verschleiß-Prüfstands, bei welchem ein feststehender Gegenkörper (12) eine Belastung auf die zylindrische Zylinder-Innenfläche eines zu prüfenden Körpers (13) ausübt. Ein Elektromotor (2), der über eine Kupplung (10) mit einem Spannfutter (11) als rotierbare Halterung für den zu prüfenden Körper verbunden ist, dient als Antrieb und versetzt den im Spannfutter eingespannten zu prüfenden Körper mit Zylinder-Innenfläche in Rotation. Die Drehzahl des Motors und dadurch die Winkelgeschwindigkeit ω zwischen Prüfkörper mit Zylinder-Innenfläche und Gegenkörper sind über das Bedienelement (3) des Motors einstellbar. Durch die Relativbewegung und die Belastung an der Kontaktfläche von (12) und (13) wird eine Verschleißspur (5) an der Zylinder-Innenfläche des zu prüfenden Körpers erzeugt. Die Belastung zwischen (12) und (13) wird über die Einstellschraube (6), die in der Schraubenführung (17) gehalten wird, eingestellt. Die einwirkende Kraft F und damit die Belastung wird über die Vorspannung der Feder (7) mit Hilfe einer Anzeigehülse mit Innengewinde (8) vorgegeben. Der obere Teil des Prüfstandes besteht aus einem Oberrahmen (4), an dem zwei Linearführungen (9) montiert sind, die eine Bewegung des Elektromotors in vertikaler Ausrichtung (y-Achse) der Probe sicherstellen. Die Einstellung erfolgt über das Einstellrad (1), das mit der Halterung des Motors und mit dem Oberrahmen verbunden ist. Der untere Teil des Prüfstandes besteht aus einem Unterrahmen (16), an dem eine weitere Linearführung (15) installiert ist. Diese ermöglicht die lineare Bewegung der Gegenkörperhalterung (14) auf der x-Achse. Der Prüfstand ist in seiner Funktion flexibel. Wichtige Parameter, wie mechanische Belastung und Winkelgeschwindigkeit, sind einstellbar, wodurch individuelle, realitätsnahe Untersuchungen durchgeführt werden können. Ein erfindungsgemäßer Verschleiß-Prüfstand kann weiterhin auch Erweiterungen zur Variierung der Prüftemperatur und zur Untersuchung des Verschleißverhaltens in unterschiedlichen Medien (Gase und Flüssigkeiten) umfassen.
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2a zeigt die schematische Darstellung des Prüfbereiches des erfindungsgemäßen Verschleiß-Prüfstandes im Querschnitt, in dem die Verschleißpaarung (Zylinder-Innenfläche des Prüfkörpers (13), Gegenkörper (12)) befestigt und belastet wird. Anhand dieser Anordnung entsteht zwischen den beiden Körpern ein Linienkontakt (18). Dies wird über die Geometrie des statischen Gegenkörpers (12) mit runder Außenkontur realisiert. 2b zeigt einen solchen Gegenkörper (12) mit runder Außenkontur in zwei möglichen Ausführungen in Form eines Halbzylinder- und eines Zylinder-Blockes. 2c zeigt die Draufsicht von 2a ohne die angrenzende rotierbare Halterung (Spannfutter (11)), aus der der beispielhafte Einbau eines Halbzylinder-Blockes als Gegenkörper (12) hervorgeht.
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3 zeigt detaillierter die Lagerung der Gegenkörperhalterung (14) im erfindungsgemäßen Verschleiß-Prüfstand. Um eine einwandfreie Positionierung des Gegenkörpers (12) während des gesamten Prüfablaufes auf der zu prüfenden Zylinder-Innenfläche des Prüfkörpers zu gewährleisten, ist eine hochgenaue (geringe Toleranz) Positionierung der Achse des aufgeschobenen Wälzkörperlagers (19) in dem Lagerbock (20) erforderlich. Der gesamte Aufbau ist auf einer Trägerplatte (21) fixiert.
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4 zeigt die schematische Anordnung der Prüfkörper nach dem Patent Nr.
4273030(A) von K. Kazutaka. Zu sehen ist der feststehende, quaderförmige Block (
22) der mittels einer eingestellten Kraft F auf die Außenfläche des mit einer Winkelgeschwindigkeit ω rotierenden Zylinders (
23) drückt.
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5 zeigt in der schematischen Anordnungen zwei mögliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verschleiß-Prüfstandes, um die Geometrie der Reibpaarung (konvex stehend/konkav drehend) zu erzeugen. Dabei belastet der feststehende Gegenkörper (12) in Form eines Halbzylinder-Blockes (5a) oder in Form eines Zylinder-Blockes (5b) durch die Kraft F die Zylinder-Innenfläche des mit der Winkelgeschwindigkeit ω rotierenden Prüfkörpers (13).
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6 zeigt das gemessene Profil einer Verschleißspur mit der Breite b und der Höhe h. Die Verschleißspur wurde mit dem erfindungsgemäßen Verschleißprüfstand auf der Zylinder-Innenfläche eines zu prüfenden Körpers erzeugt. Anhand der Breite bzw. der Höhe des entstandenen Profils wird die Querschnittfläche der Verschleißspur berechnet. Diese dient zusammen mit dem Wert für den Umfang des Kreises (Umfang der Zylinderinnenseite des zu prüfenden Körpers) zur Berechnung des Gesamtverschleißvolumens entlang der Zylinder-Innenfläche und somit auch zur letztendlichen Ermittlung der Verschleißrate des zu prüfenden Körpers.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Einstellrad
- 2
- Elektromotor
- 3
- Bedienelement
- 4
- Oberrahmen
- 5
- Verschleißspur
- 6
- Einstellschraube
- 7
- Feder
- 8
- Anzeigehülse
- 9
- Linearführung (y-Achse)
- 10
- Kupplung
- 11
- rotierbare Halterung (Spannfutter)
- 12
- Gegenkörper
- 13
- Prüfkörper (zu prüfender Körper) mit Zylinder-Innenfläche
- 14
- Gegenkörperhalterung
- 15
- Linearführung (x-Achse)
- 16
- Unterrahmen
- 17
- Schraubenführung
- 18
- Linienkontakt
- 19
- Wälzkörperlager
- 20
- Lagerbock
- 21
- Trägerplatte
- 22
- Quaderförmiger Block
- 23
- Prüfkörper mit Zylinder-Außenfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 4273030 A [0003]
- US 4966030 [0004]
- US 4273030 A [0027]
