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Die Erfindung betrifft eine Drapiervorrichtung und ein Verfahren zum Drapieren von Halbzeugen, insbesondere Faserhalbzeuge, auf einer formbildenden Oberflächenstruktur, insbesondere zur Herstellung von Faserverbundbauteilen.
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Faserverbundwerkstoffe sind heutzutage aus dem industriellen Anwendungskontext kaum mehr wegzudenken. Insbesondere in der Luft- und Raumfahrt ist es zunehmend zu beobachten, dass selbst kritische Strukturelemente aus Faserverbundwerkstoffen hergestellt werden, um so Gewicht bei den herzustellenden Bauteilen einsparen zu können. Denn durch die anisotrope Eigenschaft der Faserverbundwerkstoffe können die Bauteile exakter an lokale Belastungen angepasst werden und ermöglichen so eine optimale Materialausnutzung im Sinne des Leichtbaus.
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Diesem Vorteil steht ein deutlich komplexerer Fertigungsvorgang gegenüber, der im höchsten Maße auf Präzision und Flexibilität angewiesen ist. Dieser komplexe Fertigungsvorgang führt in der Regel bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils zu sehr hohen Herstellungskosten, so dass Arbeitsschritte bei der Herstellung des Faserverbundbauteils händisch durchgeführt werden müssen, um die Montagetoleranzen einhalten zu können.
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Grundsätzlich werden zwei verschiedene Herstellungsverfahren bei der Herstellung von Faserverbundbauteilen unterschieden. Bei dem einen Verfahren werden trockene Faserhalbwerkzeuge in die entsprechende Form gebracht, die der späteren Bauteilform entspricht, mit einem Matrixharz infiltriert und anschließend ausgehärtet. Bei dem anderen Verfahren werden hingegen bereits vorgetränkte Faserhalbzeuge (sogenannte Prepregs) verwendet, so dass der Arbeitsschritt des Infiltrierens im Wesentlichen wegfällt. In beiden Fällen muss das Faserhalbzeug jedoch in die entsprechende Form gebracht werden, um so die spätere Bauteilform erreichen zu können.
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Hierzu werden die Faserhalbzeuge meist in ein spezielles Formwerkzeug eingebracht und anschließend in diesem Formwerkzeug ausgehärtet, wobei die Form des Werkzeuges der späteren herzustellenden Bauteilform entspricht. In einigen Fällen, beispielsweise bei der Herstellung von Flügelschalen von Flugzeugen, bei denen zur Stabilitätserhöhung Spanten eingearbeitet werden müssen, werden die Faserhalbzeuge vorgeformt (sogenanntes Preforming) wobei diese vorgeformten Faserhalbzeuge dann in das herzustellende Bauteil eingebracht werden.
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Ein Problem hierbei besteht darin, dass für die Anpassung der Faserhalbzeuge an eine komplexe Bauteilgeometrie (der sogenannte Drapiervorgang) die Faserhalbzeuge meist verschert werden müssen, ohne dass es hierbei zu Faserstauchungen beziehungsweise Faserondulationen kommt, die zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaft des Bauteils führen. So muss zur Ausbildung eines dreidimensionalen Profils aus Richtung des kleineren Profilinnenradius möglichst vollflächig zum größeren Profilaußenradius hin verschert werden, was meist nur in zeitaufwendiger und kostenintensiver Handarbeit sicher möglich ist.
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Aus der
DE 10 2010 015 027 A1 ist beispielsweise eine Faser-Legevorrichtung zur Herstellung eines Fasergeleges eines Faserverbundbauteils bekannt, bei dem die Faserlagen mit Hilfe eines an einem Roboter angeordneten Endeffektors in einem Werkzeug abgelegt werden. Dabei muss der Endeffektor so auf die Werkzeugform abgestimmt sein, dass die Faserhalbzeuge ohne Faserondulationen sicher auf dem Werkzeug abgelegt werden können.
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Zwar ist mit einer solchen Robotervorrichtung das automatisierte Ablegen von Faserhalbzeugen auf formbildenden Oberflächenstrukturen grundsätzlich möglich, da es insbesondere einen hohen Vorteil bei der Serienproduktion von Faserhalbzeugen darstellt. Allerdings fehlt es an der notwendigen Flexibilität, so dass das Maß an Anpassungsfähigkeit bei der Herstellung ähnlicher hochkomplexer Bauteile nicht ausreicht. Die Folge wäre eine hohe Anzahl von Endeffektoren und Fertigungswerkzeugen, was die erreichbare Produktivität genauso wie die Kosten nachteilig beeinflussen.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Drapieren von Halbzeugen auf formbildenden Oberflächenstrukturen anzugeben, mit dem die notwendige Flexibilität bei der Herstellung komplexer Bauteile insbesondere in der Serienproduktion erreicht werden kann. Es ist im Übrigen auch Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren anzugeben, mit dem Faserhalbzeuge so auf formbildenden Oberflächenstrukturen drapiert werden können, dass die entstehenden Verscherungen nicht zu Faserstauchungen beziehungsweise Faserondulationen führen.
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Die Aufgabe wird mit einer Drapiervorrichtung zum Drapieren von Halbzeugen auf einer formbildenden Oberflächenstruktur erfindungsgemäß gelöst mit
- – mindestens einem Endeffektor
- – mindestens einem an dem Endeffektor angeordneten Expansionskörper, und
- – einer Befüllungseinrichtung zum Befüllen des mindestens einem Expansionskörpers mit einem Füllmaterial,
- – wobei das Füllmaterial eine um ein Vielfaches höhere Dichte als die umgebende Luft aufweist, und
- – wobei die Drapiervorrichtung zum Drapieren eines Halbzeuges auf einer formbildenden Oberflächenstruktur durch Befüllen des mindestens einen Expansionskörpers mit dem Füllmaterial ausgebildet ist.
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Das zu drapierende Halbzeug kann insbesondere ein Faserhalbzeug sein, wobei das Faserhalbzeug trocken oder vorgetränkt (Prepreg) ist.
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Erfindungsgemäß wird somit eine Drapiervorrichtung vorgeschlagen, die mindestens einen Endeffektor zum Drapieren von Halbzeugen auf einer formbildenden Oberflächenstruktur hat. Nachfolgend wird von diesem mindestens einem Endeffektor gesprochen, wobei die Drapiervorrichtung erfindungsgemäß auch mehrere Endeffektoren haben kann. Die sprachliche Ausrichtung auf einem Endeffektor ist somit nicht als Einschränkung der Drapiervorrichtung zu verstehen. Gleiches gilt für den Expansionskörper entsprechend.
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An dem Endeffektor ist mindestens ein Expansionskörper angeordnet, der mit einem Füllmaterial befüllbar ist. Das Befüllen des Expansionskörpers kann dabei mit Hilfe einer Befüllungseinrichtung erfolgen, wobei das Füllmaterial eine um ein vielfaches höhere Dichte als die umgebende Luft aufweist.
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Ist das zu drapierende Halbzeug an der formbildenden Oberflächenstruktur zusammen mit dem Endeffektor positioniert, so wird der mindestens eine Expansionskörper des Endeffektors mit dem Füllmaterial durch die Befüllungseinrichtung befüllt. Aufgrund der um ein vielfaches höheren Dichte des Füllmaterials gegenüber der umgebenden Luft befüllt sich der Expansionskörper entgegen der Schwerkraft von unten nach oben, wobei das an dem Endeffektor der formbildenden Oberflächenstruktur positionierte Halbzeug während des Befüllens entgegen der Schwerkraft auf der Oberflächenstruktur drapiert wird. Aufgrund der um ein vielfaches höheren Dichte des Füllmaterials gegenüber der Umgebungsluft erfolgt somit der Drapiervorgang nach dem Prinzip des Steigers, wobei hierdurch ein sicheres Verscheren des Halbzeuges auf der Oberflächenstruktur erreicht wird.
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Dies hat insbesondere den Vorteil, dass das Halbzeug auf der dreidimensionalen Oberflächenstruktur aus Richtung des kleineren Profilinnenradius vollflächig zum größeren Profilaußenradius hin drapiert beziehungsweise verschert wird.
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Wird der Expansionskörper mit dem Füllmaterial befüllt, so steigt der Füllpegel unter Einfluss der Schwerkraft an, wobei hierdurch eine gerichtete Verscherung beziehungsweise Drapierung des Materials über die formbildende Oberflächenstruktur ermöglicht wird. Das Auftreten von Materialstauchungen beziehungsweise Ondulationen wird dabei vermieden, so dass die Drapiervorrichtung insbesondere zur automatisierten Serienproduktion geeignet ist.
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Darüber hinaus wird mit Hilfe einer derartigen erfindungsgemäßen Drapiervorrichtung die notwendige Flexibilität für die Serienproduktion erreicht, da sich der Expansionskörper zusammen mit dem Füllmaterial gut an sich ändernde Oberflächenstrukturen automatisch anpasst und dennoch ein sicheres Drapieren des Halbzeuges auf der Oberflächenstruktur ermöglicht.
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Vorteilhafterweise ist das Füllmaterial ein Fluid, d.h. ein flüssiges Füllmaterial oder ein sandförmiges Füllmaterial. Die Befüllungseinrichtung ist nun zum Befüllen des mindestens einen Expansionskörpers mit dem flüssigen und/oder sandförmigen Füllmaterial ausgebildet. Als flüssiges Füllmaterial kann beispielsweise Wasser oder Öl in Betracht kommen, das eine um ein vielfaches höhere Dichte als die umgebende Luft aufweist. Erfindungsgemäß wird der mindestens eine Expansionskörper durch die Befüllungseinrichtung nicht mit Luft oder einem anderen gasförmigen Füllmaterial befüllt.
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Ein flüssiges Füllmaterial hat dabei den Vorteil, dass sich das Füllmaterial gleichmäßig in dem Expansionskörper verteilt und so ein wesentlich besseres Drapieren durch das Befüllen erreicht werden kann, da sich das Fluid gleichmäßig in jede Kante drückt. Die Gefahr von Ondulationen wird erheblich reduziert.
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Unter einem Endeffektor im Sinne der vorliegenden Erfindung wird dabei das letzte Element einer kinematischen Kette verstanden, das bei entsprechender Positionierung des Endeffektors dem Drapieren des Halbzeuges auf der formbildenden Oberflächenstruktur dient.
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Des Weiteren weist der mindestens eine Expansionskörper vorteilhafterweise ein dehnbares Material auf, so dass sich bei dem Drapiervorgang der Expansionskörper noch flexibler an die formbildende Oberflächenstruktur während des Befüllens des Expansionskörpers mit dem Füllmaterial anpassen lässt. Vorteilhafterweise sind die Abmessungen des Expansionskörpers größer als die eigentliche Werkzeugform, so dass insbesondere bei schwer zugänglichen Kanten ein gutes Drapierergebnis erreicht wird.
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Der Endeffektor kann an einer Robotervorrichtung zum Positionieren des Endeffektors an der formbildenden Oberflächenstruktur angeordnet sein, beispielsweise an einem Knickarmroboter. Hierdurch kann der Endeffektor präzise an der formbildenden Oberflächenstruktur positioniert werden, um das Halbzeug zu drapieren.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Endeffektor eine Mehrzahl von Expansionskörpern auf, wobei die Befüllungseinrichtung eingerichtet ist, die Expansionskörper gemeinsam oder unabhängig voneinander zu befüllen. Aufgrund der Tatsache, dass mehrere Expansionskörper an dem Endeffektor zum Drapieren des Halbzeuges vorgesehen sind, kann der eigentliche Drapiervorgang, bei dem das Halbzeug meist entsprechend verschert wird, wesentlich genauer und präziser gesteuert werden.
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So ist es beispielsweise hierbei denkbar, dass die Expansionskörper des Endeffektors derart befüllt werden, dass die in Richtung entgegengesetzt der Schwerkraft unten angeordneten Expansionskörper zuerst befüllt werden. Hierdurch wird erreicht, dass das Halbzeug zunächst mit den untenliegenden Expansionskörpern auf der formbildenden Oberflächenstruktur drapiert wird, während der weitere Drapiervorgang dann schrittweise mit den in aufsteigender Reihenfolge nächstfolgenden Expansionskörpern fortgesetzt wird. Hierdurch wird das Faserhalbzeug nach und nach auf der Oberflächenstruktur durch Befüllen der einzelnen Expansionskörper nacheinander drapiert.
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Dabei wird, egal ob bei nur einem Expansionskörper oder mehreren übereinander angeordneten Expansionskörpern, durch das voranschreitende Befüllen mit dem Füllmaterial der Druck auf das darunterliegende Halbzeug nach und nach erhöht, was für den weiteren Verschervorgang auf der Oberflächenstruktur förderlich ist.
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Vorteilhafterweise weist der Endeffektor eine Aufnahmevorrichtung zum Aufnehmen und Halten eines zu drapierenden Halbzeuges auf. Hierdurch kann der Endeffektor der Drapiervorrichtung das zu drapierende Halbzeug aufnehmen, halten und in die entsprechende Position an der formbildenden Oberflächenstruktur positionieren, so dass anschließend der Drapiervorgang durch Befüllen des oder der Expansionskörper durchgeführt werden kann. Auf eine zusätzliche externe Haltevorrichtung kann somit verzichtet werden.
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Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Drapiervorrichtung eine Krümmungsvorrichtung zum Vorkrümmen des zu drapierenden Halbzeuges aufweist. Dies kann beispielsweise ein Rollmechanismus oder ein Stellsystem sein, das insbesondere eine einheitliche Vorkrümmung des zu drapierenden Halbzeuges erzeugt. Durch eine solche Vorkrümmung können beispielsweise die an der formbildenden Oberflächenstruktur vorherrschenden Radien angenähert werden, um so den Drapiervorgang zu unterstützen und Materialstauchungen beziehungsweise Ondulationen weiter entgegen zu wirken.
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Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Befüllungseinrichtung eingerichtet ist, einen Überdruck in dem Expansionskörper mit dem Füllmaterial einzustellen, so dass das Halbzeug an die Oberflächenstruktur gepresst und somit eine Materialkompaktierung in dem Drapiervorgang erreicht wird. Darüber hinaus können mit Hilfe des eingestellten Überdruckes großflächig Kräfte auf das Halbzeug aufgebracht werden, wodurch sich feine Unebenheiten oder Materialstauchungen glätten lassen.
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Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn ein Heizsystem vorgesehen ist, um den mindestens einen Expansionskörper beim Drapieren des Halbzeuges zu temperieren. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass das Füllmaterial beim Befüllen des Expansionskörpers erwärmt wird, so dass durch das integrierte Heizsystem beispielsweise in dem Halbzeug vorgesehene Binder aktiviert und die Preform damit stabilisiert wird.
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Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit dem Verfahren zum Drapieren von Halbzeugen auf einer formbildenden Oberflächenstruktur erfindungsgemäß gelöst mit den Schritten:
- a) Bereitstellen einer Drapiervorrichtung, die mindestens einen Endeffektor, mindestens einen an dem Endeffektor angeordneten Expansionskörper und eine Befüllungseinrichtung zum Befüllen des mindestens einen Expansionskörpers mit einem Füllmaterial hat,
- b) Bereitstellen einer formbildenden Oberflächenstruktur, auf die das Faserhalbzeug drapiert werden soll,
- c) Positionieren des zu drapierenden Halbzeuges und des mindestens einen Endeffektors der Drapiervorrichtung an der bereitgestellten formbildenden Oberfläche, und
- d) Befüllen des mindestens einen Expansionskörpers des positionierten Endeffektors durch die Befüllungseinrichtung mit einem Füllmaterial, das eine um ein vielfaches höhere Dichte als die umgebende Luft aufweist, wobei der Expansionskörper des Endeffektors mit den zu drapierenden Halbzeug derart zusammenwirkt, dass durch das Befüllen des Expansionskörpers das Halbzeug auf der formbildenden Oberflächenstruktur drapiert wird.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß wird im Übrigen auch die Verwendung einer solchen Vorrichtung mit einem Endeffektor und einem Expansionskörper zum Drapieren von Halbzeugen auf einer formbildenden Oberflächenstruktur vorgeschlagen.
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Die Ausführungen bezüglich der Drapiervorrichtung gelten im Übrigen äquivalent für die Merkmale der für das Verfahren benötigten und bereitgestellten Drapiervorrichtung.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 – schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Drapiervorrichtung;
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2a bis 2e – schematische Darstellung eines vereinfachten Drapiervorganges mit Hilfe der erfindungsgemäßen Drapiervorrichtung.
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1 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Drapiervorrichtung 1, die einen an einer Robotervorrichtung 2 angeordneten Endeffektor 3 aufweist. An dem Endeffektor 3 ist ein Expansionskörper 4 aus einem flexiblen Material angeordnet, der mit einer Befüllungseinrichtung 5 über einen Befüllungsschlauch 6 kommunizierend in Verbindung steht.
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Die Befüllungseinrichtung 5 kann Bestandteil des Endeffektors 3 sein, wodurch der Befüllungsschlauch 6 sehr kurz gehalten werden kann oder gar ganz wegfällt. Denkbar ist allerdings auch, dass die Befüllungseinrichtung 5, wie in 1 dargestellt, nicht Bestandteil des Endeffektors 3 ist und somit der Expansionskörper 4 über den Befüllungsschlauch 6 entsprechend mit der Befüllungseinrichtung 5 verbunden werden muss.
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Die Befüllungseinrichtung 5 ist dabei derart eingerichtet, dass sie den Expansionskörper 4 des Endeffektors 3 mit einem Füllmaterial (nicht dargestellt) befüllen kann, so dass hierdurch der Drapiervorgang durchgeführt werden kann. Das Füllmaterial ist dabei erfindungsgemäß ein Material, das eine um ein vielfaches höhere Dichte als die umgebende Luft aufweist. Hierzu kommen beispielsweise flüssige Materialien, wie beispielsweise Wasser, oder sandförmige beziehungsweise rieselfähige Materialien in Betracht. Denkbar sind hier beispielsweise feinkörnige Granulate oder ähnliches.
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Der in 1 dargestellte Endeffektor 3 mit dem Expansionskörper 4 ist dabei aus Übersichtlichkeitsgründen schematisch so dargestellt, dass nur ein Expansionskörper 4 dargestellt ist. Denkbar ist allerdings auch, dass eine Mehrzahl von Expansionskörpern 4 an dem Endeffektor 3 angeordnet sind, die gleichzeitig oder nacheinander befüllbar sind.
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Wie in 1 gezeigt, wird des Weiteren ein Formwerkzeug 7 mit einer formbildenden Oberflächenstruktur 8 bereitgestellt, auf oder an das flächige Wasserhalbzeug 9 aufgelegt und drapiert werden soll, so dass das Faserhalbzeug 9 die Form der formbildenden Oberflächenstruktur 8 des Formwerkzeuges 7 annimmt.
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Um nun das Halbzeug 9 auf der formbildenden Oberflächenstruktur 8 des Formwerkzeuges 7 zu drapieren, wird der Endeffektor 3 der Drapiervorrichtung 1 zusammen mit dem Halbzeug 9 vor dem Formwerkzeug 7 positioniert, so dass der Drapiervorgang, wie in den 2a bis 2e gezeigt, durchgeführt werden kann.
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Die formbildende Oberflächenstruktur 8 des Formwerkzeuges 7 ist in den Ausführungsbeispielen der Figuren ein rechteckiges Profil, das dem Faserhalbzeug 9 eine entsprechende abgewinkelte Profilform verleihen soll. Je nach Ausrichtung der Fasern kommt es beim Drapieren dabei zu Verscherungen innerhalb der Fasern, wobei Faserondulationen vermieden werden sollen.
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2a zeigt dabei den ersten Schritt, bei dem der Endeffektor 3 zusammen mit dem Halbzeug 9 an dem Formwerkzeug 7 positioniert ist. Am unteren Rand fährt der Endeffektor 3 dabei an den Innengurt des Formwerkzeuges 7 und legt damit das Halbzeug 9 an diesen Innengurt an. Das Halbzeug 9 ist somit an dem Formwerkzeug 7 vorfixiert.
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Im nächsten Schritt, der in 2b gezeigt ist, erfolgt nun langsam die Befüllung des Expansionskörpers 4 mit einem Füllmaterial 10. Aus Übersichtlichkeitsgründen ist in den 2a bis 2e weder die Befüllungseinrichtung noch eine Robotervorrichtung zum Positionieren des Endeffektors 3 dargestellt.
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Wird nun der Expansionskörper 4 mit dem Füllmaterial 10 befüllt, so wird das Halbzeug 9 aufgrund der Gewichtskraft des Füllmaterials 10, die senkrecht wirkt, auf den horizontalen Teil 11a der formbildenden Oberflächenstruktur 8 gepresst und dort angelegt beziehungsweise drapiert.
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Durch das weitere Befüllen des Expansionskörpers 4 mit dem Füllmaterial 10, wie in 2c gezeigt, erfolgt nun der weitere Verlauf des Drapiervorganges. Dabei wird, nachdem das Halbzeug 9 auf den horizontalen Teil 11a der Struktur 8 drapiert wurde, in den Eckbereich verschert und anschließend auf dem vertikalen Teil 11b der formbildenden Oberflächenstruktur 8 drapiert.
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Aufgrund der fortschreitenden Befüllung des Expansionskörpers 4 mit dem Füllmaterial 10 erhöht sich die Gewichtskraft auf das Halbzeug 9 sowohl auf dem horizontalen Teil 11a als auch auf den vertikalen Teil 11b der Struktur 8, so dass das Halbzeug 9 sauber über die formbildende Oberflächenstruktur 8 verschert beziehungsweise drapiert wird.
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Nachdem der Expansionskörper 4 vollständig mit dem Füllmaterial 10 befüllt ist, wie in 2d gezeigt, ist das Halbzeug 9 nunmehr vollständig auf der Oberflächenstruktur 8 drapiert und hat somit die Form der Oberflächenstruktur 8 angenommen. Nun ist es denkbar, dass beispielsweise durch Einstellen eines Überdruckes in dem Expansionskörper 4 eine Materialkompaktierung durchgeführt wird, so dass das drapierte Halbzeug 9 für die weiteren Verarbeitungsschritte vorbereitet ist.
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Anschließend kann das Füllmaterial 10 aus dem Expansionskörper 4 abgelassen werden und der Endeffektor 3 von dem Formwerkzeug 7 entfernt werden, so dass das vorgeformte Halbzeug 9 aus dem Formwerkzeug 7, wie in 2e gezeigt, entformt werden kann.
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Diese Verfahrensschritte können nun wiederholt werden, bis die Preform vollständig ist. Dabei kann das Prinzip ohne Austausch des Endeffektors umgesetzt werden, da sich der Expansionskörper aus elastischem Material einer beliebigen Oberflächentopologie im Sinne von dicken Schwankungen, Rampen und Zuschnittpositionen auch bei zunehmender Gesamtbauteildicke anpassen kann. In dieser besonderen Flexibilität des Endeffektors liegt ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens.
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Das Prinzip ist dabei sowohl auf gerade, als auch auf gekrümmte Profile gleichermaßen anwendbar. Durch eine Erwärmung des Befüllmaterials kann auch bei steifen Materialien, zum Beispiel Prepregs, durch die Aktivierung des Binders beziehungsweise der Matrix beim Prepreg ein gutes Drapiervermögen erzeugt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Drapiervorrichtung
- 2
- Robotervorrichtung
- 3
- Endeffektor
- 4
- Expansionskörper
- 5
- Befüllungseinrichtung
- 6
- Befüllungsschlauch
- 7
- Formwerkzeug
- 8
- formbildende Oberflächenstruktur
- 9
- Halbzeug
- 10
- Füllmaterial
- 11a
- horizontaler Teil der formbildenden Oberflächenstruktur
- 11b
- vertikaler Teil der formbildenden Oberflächenstruktur
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010015027 A1 [0007]