DE102012014665A1 - Brenner zum Lichtbogendrahtspritzen - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Brenner (1) zum Lichtbogendrahtspritzen (LDS) mit einer Materialzuführung für von einem Lichtbogen (3) aufzuschmelzendem Material, mit einer Gaszuführung (4) für einen Volumenstrom an Prozessgas (C, D), welches zumindest teilweise zum Zerstäuben und Transportieren des vom Lichtbogen (3) aufgeschmolzenen Materials in Richtung einer zu beschichtenden Oberfläche vorgesehen ist, wobei die Gaszuführung (4) ein Umlenkelement (5) zur Umlenkung des Prozessgases (C, D) von einer Gaszufuhrrichtung in eine Hauptgasrichtung zum Zerstäuben und Transportieren des aufgeschmolzenen Materials aufweist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Umlenkelement (5) so ausgebildet ist, dass es den Volumenstrom des Prozessgases (C, D) zuerst in seiner Strömungsrichtung umlenkt, den Volumenstrom des Prozessgases (C, D) in Strömungsrichtung danach mit zumindest einer Strömungsrichtungskomponente entgegen der Strömungsrichtung in der Gaszuführung (4) vor dem Umlenkelement (5) führt, und abschließend den Volumenstrom des Prozessgases (C, D) in die Hauptgasrichtung umlenkt.
Description
- Die Erfindung betrifft einen Brenner zum Lichtbogendrahtspritzen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
- Lichtbogendrahtspritzen zum Aufbringen von Oberflächenbeschichtungen ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Beispielhaft wird hinsichtlich eines Brenners für das Lichtbogendrahtspritzen auf die deutsche Patentschrift
DE 101 11 565 C5 verwiesen. - Bei Brennern zum Lichtbogendrahtspritzen ist es nun so, dass typischerweise ein Volumenstrom eines Prozessgases, welches zumindest teilweise zum Zerstäuben und Transportieren des vom Lichtbogen aufgeschmolzenen Materials in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche vorgesehen ist. Die Gaszuführung wird dabei typischerweise über ein Umlenkelement innerhalb des Brenners so umgelenkt, dass das Gas aus einer Gaszufuhrrichtung in eine Hauptgasrichtung zum Zerstäuben und Transportieren des aufgeschmolzenen Materials umgelenkt wird. In der Praxis hat sich nun gezeigt, dass insbesondere bei einem Brenner, welcher wie in der genannten Patentschrift aufgebaut ist, die Umlenkung des Prozessgases aufgrund von Turbulenzen in dem Prozessgas nicht vollkommen gleichmäßig ist. Hierdurch kommt es im Allgemeinen dazu, dass die Hauptgasrichtung und die gewünschte Richtung der Beschichtung auseinanderfallen. Dies bedeutet letztlich, dass die Hauptgasrichtung und damit der von der Hauptgasrichtung mittransportierte Stoffstrom des aufgeschmolzenen Materials nicht senkrecht auf die Oberfläche des zu beschichtenden Substrats auftrifft, sondern in einem von der Senkrechten abweichenden Winkel.
- Um die Anhaftung der über Lichtbogendrahtspritzen aufgebrachten Schicht zu verbessern, findet üblicherweise eine entsprechende Bearbeitung des Substrats statt, beispielsweise indem dieses aufgeraut wird. Ein Auftreffen des Prozessgasstroms und insbesondere des vom Prozessgasstrom transportierten Materials in einem maßgeblich von der Senkrechten abweichenden Winkel zu der Oberfläche des Substrats führt bei einem derart aufgerauten Substrat nun dazu, dass Hinterfüllungsfehler zwischen dem aufgerauten Material des Substrats und der Beschichtung auftreten. Letztlich führt dies zu einer verminderten Anhaftung der über das Lichtbogendrahtspritzen aufgebrachten Beschichtung auf dem Substrat. Hierdurch ergibt sich die Problematik eines eventuellen vorzeitigen Ausfalls des so beschichteten Bauteils und unerwünschter Qualitätsprobleme.
- Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, dieser Problematik entgegenzuwirken und einen Brenner anzugeben, welcher eine sichere und zuverlässige Beschichtung durch eine Optimierung des Winkels, unter welcher die Hauptgasrichtung auf das Substrat auftrifft bzw. aus dem Brenner austritt, gewährleistet.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Brenner mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brenners ergeben sich dabei aus den abhängigen Unteransprüchen.
- Der erfindungsgemäße Brenner zum Lichtbogendrahtspritzen, welcher bevorzugt als Innenbrenner für das Lichtbogendrahtspritzen von Hohlräumen, insbesondere von Zylinderbohrungen bzw. Zylinderlaufflächen ausgebildet sein soll, ist erfindungsgemäß so aufgebaut, dass das Umlenkelement in der Gaszuführung so ausgebildet ist, dass es den Volumenstrom des Prozessgases zuerst in seiner Strömungsrichtung umlenkt, den Volumenstrom des Prozessgases in Strömungsrichtung danach mit zumindest einer Strömungsrichtungskomponente entgegen einer Strömungsrichtungskomponente der Strömungsrichtung des Gases in der Gaszuführung vor dem Umlenkelement führt, und abschließend den Volumenstrom des Prozessgases in die Hauptgasrichtung umlenkt. Bei dem erfindungsgemäßen Brenner ist es also vorgesehen, dass ein Umlenkelement in der Gasführung den Gasstrom des Prozessgases mehrfach umlenkt, bevor er diesen letztlich in die Hauptgasrichtung lenkt. Hierdurch wird die Umlenkung insgesamt verbessert, da diese mehrfache Umlenkung zu einer Homogenisierung des jeweils umgelenkten Gasstroms mit gleichzeitiger Verminderung der Turbulenzen führt. Der so mehrfach umgelenkte Prozessgasstrom strömt dann mit einer deutlich besseren Einhaltung der gewünschten Hauptgasrichtung aus dem Brenner aus, wodurch ein Auftreffen des Gasstroms und der von ihm transportierten Teilchen des aufgeschmolzenen Materials in exakt der Art erzielt wird, welche gewünscht ist. Die eingangs geschilderten Probleme hinsichtlich der Anhaftung der über das Lichtbogendrahtspritzen aufgebrachten Beschichtung werden dadurch deutlich minimiert und eine senkrecht zur Oberfläche des beschichteten Substrats ausgerichtete Hauptgasrichtung wird erzielt.
- In einer besonders günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brenners ist es ferner vorgesehen, dass das Umlenkelement so ausgebildet ist, dass die Strömung des Prozessgases zuerst um mehr als 90°, vorzugsweise mehr als 135° in seiner Strömungsrichtung umgelenkt wird. Eine derartig starke Umlenkung des Volumenstroms des Prozessgases trägt deutlich zur Verbesserung des möglichst exakten Austritts des Prozessgases in der Hauptgasrichtung aus dem Brenner bei.
- In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung ist es deshalb vorgesehen, dass die Gaszufuhrrichtung und die Hauptgasrichtung senkrecht aufeinander angeordnet sind, wobei das Umlenkelement den Volumenstrom des Prozessgases zuerst um 180° und anschließend um 90° in seiner Strömungsrichtung umlenkt. Eine solche Umlenkungsstrategie bei der anstelle einer einfachen 90° Umlenkung eine Art Siphon zur Umlenkung des Prozessgases verwendet wird hat sich als besonders geeignet erwiesen, um einen möglichst exakten Austritt des Prozessgases in der senkrecht zur Gaszufuhrrichtung stehenden Hauptgasrichtung des Brenners zu ermöglichen.
- In einer sehr günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brenners ist es ferner vorgesehen, dass im Bereich des Umlenkelements Wandungen von Strömungskanälen stetig von der einen in die andere Richtung übergehen. Ein solcher stetiger, gerundeter Übergang der Wandungen der Strömungskanäle für das Prozessgas beispielsweise in der Art eines Viertelkreises oder Halbkreises, welchem die Wandungen der Strömungskanäle folgen, hat sich als besonders geeignet erwiesen, um Strömungsabrisse und Turbulenzen im Bereich des Umlenkelements zu minimieren und damit die Umlenkung des Prozessgases aus der Gaszufuhrrichtung in die Hauptgasrichtung nochmals zu verbessern.
- In einer besonders günstigen Weiterbildung des Brenners ist es darüber hinaus vorgesehen, dass der durchströmbare Querschnitt im Bereich des Umlenkelements zumindest bis vor die Umlenkung des Volumenstroms des Prozessgases in die Hauptgasrichtung in etwa konstant bleibt. Ein solcher konstanter durchströmbarer Querschnitt über den größten Teil der innerhalb des Umlenkelements auftretenden Richtungsänderungen ermöglicht eine weitere Vergleichmäßigung und Harmonisierung der Umlenkung. Dies verbessert die exakte Ausrichtung der Hauptgasrichtung nochmals.
- In einer günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brenners kann es ferner vorgesehen sein, dass Einrichtungen zur Aufteilung des Prozessgasstroms vor oder nach dem Umlenkelement in einen Primärgasstrom und einen Sekundärgasstrom vorgesehen sind, wobei zumindest der Primärgasstrom über das Umlenkelement strömt. Eine solche Verwendung des Primärgasstroms oder eines Sekundärgasstroms, welche gemäß dem allgemeinen Stand der Technik auch unabhängig voneinander dem Brenner zugeführt werden könnten, ist soweit aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Der Primärgasstrom übernimmt dabei die Aufgabe des Zerstäubens und Transportierens des aufgeschmolzenen Materials von dem Brenner auf die zu beschichtende Oberfläche, während der sekundäre Gasstrom idealerweise ringförmig um den Primärgasstrom aus dem Brenner bzw. einer Düse des Brenners ausströmt und so einen Schutzgasmantel um den Primärgasstrom mit dem darin verteilten aufgeschmolzenen Material ausbildet. Der Sekundärgasstrom kann beispielsweise aus einem inerten Gas bestehen, um so die Oxidation des aufgeschmolzenen Materials vor und während dem Auftreffen auf das Substrat zu verhindern. Nun ist es so, dass prinzipiell auch die Ausrichtung des Sekundärgasstroms von Bedeutung für die Qualität der zu erzielenden Beschichtungsergebnisse ist. Vor allem ist in diesem Fall jedoch die Ausrichtung des Primärgasstroms entscheidend, sodass es gemäß einer besonders günstigen Weiterbildung der Erfindung ausreicht, wenn der Primärgasstrom ein derartiges Umlenkelement im Sinne der Erfindung durchströmt, während der Sekundärgasstrom beispielsweise in herkömmlicher Art und Weise zugeführt werden kann.
- Selbstverständlich ist es auch möglich, dass beide Gasströme entsprechende Umlenkelemente durchströmen, die Qualität bei der Ausrichtung der Hauptgasrichtung lässt sich dann nochmals steigern.
- In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Brenners kann es ferner vorgesehen sein, dass vor und/oder nach dem Umlenkelement Einbauten zur Beruhigung der Strömung vorgesehen sind. Derartige Einbauten zur Beruhigung der Strömung, zur gleichmäßigen und homogenen Ausrichtung der Strömung und zum Verhindern von Turbulenzen lassen sich vorzugsweise vor oder gegebenenfalls auch alternativ oder ergänzend nach dem Umlenkelement einbauen und verbessern die Homogenität der Strömung des Prozessgases und damit dessen Ausrichtung in der Hauptgasrichtung weiter.
- Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brenners ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt ist.
- Dabei zeigen:
-
1 einen prinzipmäßigen Aufbau eines Brenners zum Lichtbogendrahtspritzen gemäß dem Stand der Technik; und -
2 den Aufbau eines Brenners zum Lichtbogendrahtspritzen in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung. - In der Darstellung der
1 ist ein Brenner1 zum Lichtbogendrahtspritzen in einer prinzipmäßigen Darstellung zu erkennen. Ein derartiger Brenner1 wird häufig auch als LDS-Brenner oder in der hier dargestellten Ausführungsform als LDS-Innenbrenner bezeichnet. Er kann insbesondere zur Beschichtung der Oberfläche eines Substrats dienen. In der hier dargestellten Ausführungsform des Brenners1 als LDS-Innenbrenner kann er vorzugsweise zur Beschichtung von Zylinderlaufflächen in Zylinderbohrungen eines Motorblocks dienen. Der Brenner1 wird dabei typischerweise gemäß der durch den Pfeil A bezeichneten Richtung auf und ab bewegt und kann durch die gemäß dem Pfeil B gezeigte Richtung rotiert werden, sodass das hier nur in einem Ausschnitt prinzipmäßig dargestellte Substrat2 – beispielsweise eine Zylinderlauffläche – beschichtet werden kann. Dem Brenner1 wird in an sich bekannter Art und Weise, so wie es beispielsweise in der eingangs genannten deutschen PatentschriftDE 101 11 565 C5 beschrieben ist, einem Material zum Aufschmelzen in einem Lichtbogen zugeführt. Dieses wird typischerweise in Form von Drahtelektroden erfolgen. Für die hier vorliegende Erfindung ist dieser Aspekt nicht weiter relevant, sodass in der Darstellung der1 lediglich der Lichtbogen als Kreis3 angedeutet ist. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel werden dem Brenner1 das Prozessgas in Form von zwei getrennten Gasströmen zugeführt. Die mit C bezeichneten Pfeile zeigen dabei die Strömung des Primärgases an, welches über eine Gaszuführung4 zugeführt und im Bereich eines Umlenkelements5 in Form eines rechtwinkligen Abknickens der Gaszuführung4 in Richtung des Lichtbogens3 umgelenkt wird. Durch eine Düse6 trifft der Volumenstrom des Primärgases C auf den Bereich des Lichtbogens3 und transportiert das dort aufgeschmolzene Material zu der Oberfläche des Substrats2 . Der Volumenstrom des Sekundärgases D strömt durch ein Leitungselement7 , welches parallel zur Gaszufuhr4 des Primärgases C verläuft. Der Sekundärgasstrom D kommt im Bereich vor der Düse mit dem Primärgasstrom C in Kontakt. Er dient jedoch primär dazu, durch Öffnungen8 um die Düse6 herum auszutreten und so einen mantelförmigen Schutzgaskegel um den kegligen Gasstrom des Primärgases C, welcher die aufgeschmolzenen Teilchen in einem sogenannten Beschichtungsstrahl9 zu der Oberfläche des Substrats2 fördert, zu bilden. Das Sekundärgas kann dabei insbesondere als Schutzgas ausgebildet sein, um eine vorzeitige Oxidation der über Lichtbogendraht aufgespritzten Beschichtung des Substrats2 während des Aufspritzens zu verhindern. Aufgrund der sehr einfach ausgestalteten Art, wie das Primärgas C im Bereich des Umlenkelements5 umgelenkt wird, kommt es bei den Aufbauten gemäß dem Stand der Technik zu einem Auftreffen des Beschichtungsstrahls in einem von 90° abweichenden Winkel auf die Oberfläche des Substrats2 , was damit zusammenhängt, dass die sogenannte Hauptgasrichtung, also die Richtung mit der der Primärgasstrom C als wesentlicher Volumenstrom des Prozessgases aus der Düse6 austritt, eben nicht senkrecht zur axialen Bewegungsrichtung A des Brenners1 verläuft. Bei entsprechend aufgerauten Oberflächen des Substrats2 kann dieses schräge Auftreffen des Beschichtungsstrahls9 zu deutlichen Problemen beim Auffüllen von eventuellen Hinterschnitten in dem Substrat2 mit dem Material der Beschichtung führen, was letztlich zu einer schlechten Anhaftung der Beschichtung und damit einhergehenden Funktions- und Qualitätsproblemen führt. - In der Darstellung der
2 ist derselbe Aufbau mit der im Wesentlichen selben Funktionalität, wie soeben beschrieben, nochmals zu erkennen. Dieselben Elemente sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen und werden im Rahmen der2 nicht nochmals eigenständig erläutert. Der wesentliche Unterschied des Brenners1 in2 gegenüber dem in1 gezeigten Brenners1 liegt im Bereich des Umlenkelements5 . Dieses ist bei dem in2 dargestellten Brenner nun so ausgebildet, dass der Volumenstrom des Primärgases C, welcher den wesentlichen Teil des Prozessgasstroms bildet, nun in der Art eines Siphon ausgebildet ist. Der über die Gaszufuhr4 parallel zur axialen Bewegungsrichtung A anströmende Primärgasstrom C wird im Bereich des Umlenkelements5 nun zuerst um in etwa 180° umgelenkt und strömt so für ein gewisses Stück zumindest mit einem Teil seiner vektoriellen Richtungskomponenten der Strömung entgegen der in der Gaszufuhr4 vorliegenden Strömungsrichtung. In einer zweiten Umlenkung wird der Primärgasstrom C dann in Richtung der Düse6 umgelenkt und trifft bereits annähernd senkrecht zur axialen Bewegungsrichtung A des Brenners1 auf den Lichtbogen3 . Das Resultat ist ein Beschichtungsstrahl9 , welcher senkrecht auf das Substrat2 auftrifft und so eine ideale und homogene Anhaftung der durch Lichtbogendrahtspritzen aufgebrachten Beschichtung an dem Substrat gewährleistet. Um die Strömung ergänzend zu der zweifachen Umlenkung ihrer Strömungsrichtung, noch weiter zu vergleichmäßigen und die Hauptgasrichtung weiter zu optimieren, sind die Übergänge nicht mehr stufenartig bzw. eckig ausgeführt, sondern Seitenwände10 des Umlenkelements5 verändern sich beim Richtungswechsel der Mittelachse des Gaskanals im Umlenkelement5 stetig. Damit wird eine möglichst homogene Umlenkung der Strömung gewährleistet und die Gefahr der Ausbildung von Turbulenzen minimiert. Gleichzeitig bleibt im annähernd größten durchströmten Teil des Umlenkelements5 , nämlich bis die Strömung letztlich in die Hauptgasrichtung umgelenkt wird, der durchströmbare Querschnitt der Gaszufuhr4 annähernd gleich, was ebenfalls einen positiven Einfluss auf die Vergleichmäßigung der Strömung hat und eventuelle Turbulenzen minimiert. - Durch den sauber ausgerichteten Beschichtungsstrahl
9 und sein kalkulierbar vorhersagbares Auftreffen auf dem Substrat2 lässt sich, wie bereits erwähnt, die Anhaftung der über das Lichtbogendrahtspritzen und den Brenner1 aufgetragenen Beschichtung verbessern. Außerdem erlaubt eine Verbesserung bei der Ausrichtung des Beschichtungsstrahls9 eine größere Variabilität bei der Wahl des Verfahrens zum Aufrauen der Oberfläche des Substrats, sodass auch hier weitere Einsparungen durch eine Vereinfachung bei Vorbereitungsprozessen für die Oberfläche des Substrats2 erzielt werden können. - Neben den beschriebenen Maßnahmen zur Verbesserung des Umlenkelements
5 durch seine Ausgestaltung mit mehreren aufeinanderfolgenden Umlenkungen zur Verbesserung der Homogenität der umgelenkten Strömung ist es selbstverständlich möglich, weitere Einbauten wie Strömungsgleichrichter oder dergleichen in der Gaszufuhr4 vor und/oder nach dem Umlenkelement5 vorzusehen, um die Strömung noch weiter zu vergleichmäßigen und die Ausrichtung der Hauptgasrichtung und damit die Ausrichtung des Beschichtungsstrahls9 noch weiter zu optimieren. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
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- DE 10111565 C5 [0002, 0019]
Claims (10)
- Brenner (
1 ) zum Lichtbogendrahtspritzen (LDS) mit einer Materialzuführung für von einem Lichtbogen (3 ) aufzuschmelzendem Material, mit einer Gaszuführung (4 ) für einen Volumenstrom an Prozessgas (C, D), welches zumindest teilweise zum Zerstäuben und Transportieren des vom Lichtbogen (3 ) aufgeschmolzenen Materials in Richtung einer zu beschichtenden Oberfläche vorgesehen ist, wobei die Gaszuführung (4 ) ein Umlenkelement (5 ) zur Umlenkung des Prozessgases (C, D) von einer Gaszufuhrrichtung in eine Hauptgasrichtung zum Zerstäuben und Transportieren des aufgeschmolzenen Materials aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Umlenkelement (5 ) so ausgebildet ist, dass es den Volumenstrom des Prozessgases (C, D) zuerst in seiner Strömungsrichtung umlenkt, den Volumenstrom des Prozessgases (C, D) in Strömungsrichtung danach mit zumindest einer Strömungsrichtungskomponente entgegen der Strömungsrichtung in der Gaszuführung (4 ) vor dem Umlenkelement (5 ) führt, und abschließend den Volumenstrom des Prozessgases (C, D) in die Hauptgasrichtung umlenkt. - Brenner (
1 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Umlenkelement (5 ) so ausgebildet ist, dass es die Strömung des Prozessgases (C, D) zuerst um mehr als 90°, vorzugsweise mehr als 135°, in seiner Strömungsrichtung umlenkt. - Brenner (
1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszufuhrrichtung und die Hauptgasrichtung senkrecht zueinander angeordnet sind. - Brenner (
1 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Umlenkelement (5 ) den Volumenstrom des Prozessgases (C, D) zuerst um 180° und anschließend um 90° in seiner Strömungsrichtung umlenkt. - Brenner (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Umlenkelements (5 ), Wandungen (10 ) von Strömungskanälen stetig von der einen in die andere Richtung übergehen. - Brenner (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der durchströmbare Querschnitt im Bereich des Umlenkelements (5 ) zumindest bis vor die Umlenkung des Volumenstroms des Prozessgases (C, D) in die Hauptgasrichtung in etwa konstant bleibt. - Brenner (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Einrichtungen zur Aufteilung des Prozessgasstroms (C, D) vor oder nach dem Umlenkelement (5 ) in einen Primärgasstrom (C) und einen Sekundärgasstrom (D) vorgesehen sind, wobei zumindest der Primärgasstrom (C) über das Umlenkelement (5 ) strömt. - Brenner (
1 ) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärgasstrom (D) vor dem Umlenkelement (5 ) aus dem Primärgasstrom (C) abzweigt oder über eine eigene unabhängige Hilfsgaszufuhr strömt, wobei der Sekundärgasstrom (D) erst nach dem Umlenkelement auf den Primärgasstrom (C) trifft. - Brenner (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass vor und/oder nach dem Umlenkelement (5 ) Einbauten zur Beruhigung der Strömung vorgesehen sind. - Brenner (
1 ), gekennzeichnet durch seine Ausbildung als Innenbrenner zum Lichtbogendrahtspritzen von Hohlräumen, insbesondere von Zylinderlaufflächen.
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- 2012-07-25 DE DE102012014665A patent/DE102012014665A1/de not_active Withdrawn
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