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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gleitpartner zur Verwendung in einer Gleitpaarung und insbesondere einen Kolbenring. Sie betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Gleitpartners, eine Vorrichtung für das Verfahren und eine Verwendung von Nanopartikeln in einer Beschichtung von Gleitpartnern von Gleitpaarungen, insbesondere von einem Kolbenring.
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Stand der Technik
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Kolben und Kolbenringe und die sie aufnehmenden Zylinder sind starken thermischen Belastungen ausgesetzt. Diese bereits jetzt schon hohen Anforderungen an die durch diese gebildete Kolbengruppe in Otto- und Dieselmotoren werden aufgrund der zunehmenden Verkleinerung der Motoren und daher auch der Kolbengruppen in Zukunft weiter ansteigen.
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Dies trifft insbesondere auf beschichtete Kolbenringe zu: Bei Kolbenringen ist es üblich, diese an ihrer radialen Außenseite mit einer Beschichtung zu versehen, um die tribologischen Eigenschaften zu verbessern und um für eine verbesserte Dichtung an der Außenseite, verbunden mit geringerer Reibung, zu sorgen. Diese Beschichtung wird jedoch hohen mechanischen Belastungen aufgrund der Reibung an der Zylinderoberfläche ausgesetzt, die eine hohe Verschleißbeständigkeit erfordern.
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Dies ist vor allem im Hinblick auf thermische Belastungen wichtig: Typischerweise bestehen die Beschichtungen aus anderen Materialien als die eigentlichen Kolbenringe, weshalb sie auch einen anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben. Hierdurch tritt jedoch bei Temperaturveränderungen ein Bimetalleffekt auf, d. h. die Beschichtung dehnt sich anders aus als der eigentliche Kolbenring. Dies führt zu thermischen Spannungen an den Grenzfläche, welche zu einer Beschädigung der Beschichtung oder zumindest zu einer Schwächung ihrer Verschleißbeständigkeit führen können. Dies kann die Ringdynamik beeinträchtigen und sogar unter Umständen zum Versagen des tribologischen Systems führen. Um diese Spannungen auszugleichen ist eine hohe Elastizität (und damit Formänderungsvermögen) der Schicht nötig da ansonsten die Beschichtung beschädigt werden kann. Gleichzeitig sollte eine solche Beschichtung aber auch nicht unnötig „weich” sein, d. h. ein zu geringes E-Modul aufweisen, da sie dann nur wenig verschleißbeständig gegen Reibung ist.
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Demgemäß werden neue Arten der Beschichtung entwickelt. Insbesondere sind zur Sicherstellung der geforderten Ringdynamik und der Lebensdauer Weiterentwicklungen im Bereich des Schichtaufbaus, insbesondere im Hinblick auf Schichten, die durch PVD (Physical Vapour Deposition, physikalische Gasphasenabscheidung) auf Hartstoffbasis erzeugt wurden, notwendig. Diese Beschichtungen sollten außerdem eine hohe Brandspurfestigkeit und einen geringen Kolbenring-/Zylinderlaufbahnverschleiß aufweisen. Hierbei verstehen wir unter einer hohen Brandspurfestigkeit den Widerstand gegen einen Materialübertrag von Kolbenring- auf Zylinderlauffläche und umgekehrt sowie die damit verbundene Riefenbildung auf der Zylinderlauffläche verursacht durch eine thermischer Überbeanspruchung hervorgerufen durch unzureichenden Schmierung.
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Hierbei basieren die PVD-Beschichtungen, um die Funktionsfähigkeit der Beschichtungen über die gesamte Lebensdauer der Kolben zu gewährleisten, im Allgemeinen auf Chromnitrid und zeigen eine erhöhte Verschleißbeständigkeit. Jedoch bieten diese wegen ihres spröden Charakters nicht die erforderliche Elastizität, um die Spannungen aufgrund des Bimetalleffekts zu kompensieren.
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Demgemäß werden nach dem Stand der Technik (siehe z. B.
DE 10 2009 013 855 A1 ) Nanopartikel mit einem Durchmesser von weniger als 50 nm in die PVD-Schichten eingelagert. Durch die Einlagerung dieser Nanopartikel können die Materialeigenschaften (wie z. B. Härte, E-Modul und Mikrostruktur) gezielt verändert werden. Derartig verstärkte Beschichtungen weisen eine verbesserte Brandspurfestigkeit und das Verschleißniveau von normalen PVD-Schichten (d. h. PVD-Schichten ohne eingelagerte Nanopartikel) auf. Hierbei kann man die Brandspurfestigkeit auch durch die Streckgrenze beschreiben: Bei Materialien, die eine hohe Streckgrenze aufweisen, ist es weniger wahrscheinlich, dass sich diese plastisch verformen, d. h. sie sind über einen größeren Bereich elastisch. Insofern können diese auch die Spannungen aufgrund des Bimetalleffekts besser kompensieren.
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Ohne hierauf beschränkt zu sein scheinen die Mechanismen, die zu dieser Festigkeitssteigerung bzw. einer hohen Streckgrenze (niedriges E-Modul) aufgrund des Einbettens von Nanopartikeln führen wie folgt zu sein: Dadurch, dass die Partikel in die Beschichtung eingelagert werden, werden Energiebarrieren innerhalb der Beschichtung erzeugt. Diese behindern die Versetzungsbewegung innerhalb des Kristallgitters der Beschichtung und erhöhen somit die Streckgrenze des Materials. Anders gesagt stehen die eingebetteten Partikel einer plastischen Verformung der Beschichtung „im Weg”. Die somit erhöhte Elastizität ist für eine Kompensation des Bimetalleffekts zwischen Kolbenringbeschichtung und -substrat wichtig.
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Ein weiterer Effekt ist, dass die Partikel, die während des Aufbaus der PVD-Schicht eingebettet werden, als Wachstumskerne bzw. Nuklei für das Wachstum dieser Schichten dienen. Da die einzige nicht durch anderes Beschichtungsmaterial belegte Richtung die Richtung senkrecht zur Beschichtung ist, führt dies zu einem säulenartigen (kolumnaren) Wachstum.
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Insofern kann man den Effekt des Einbettens von Partikeln zusammenfassend so beschreiben, dass sie zu einem kolumnaren Wachstum mit mehr Korngrenzen führen. Ferner wird durch das Einbetten von bewusst feinkörnigen Nanopartikeln ein feinkörnigeres Material erzeugt. Diese Veränderung der Mikrostruktur trägt wiederum zu einer Erhöhung der Streckgrenze mit einer demgemäß erhöhten Elastizität bei. Diese Elastizität ist jedoch wichtig, damit die Beschichtung den Bimetalleffekt zwischen dem Substrat des Kolbenrings und der Beschichtung kompensieren kann, der ansonsten zu einer Schwächung und Beschädigung der Beschichtung führen würde.
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Aus dem obigen wird deutlich, dass das Einlagern von Partikeln entscheidende Vorteile mit sich bringt. Zu berücksichtigen ist jedoch, dass es auch weiterhin nötig ist, die Eigenschaften der Beschichtung zu verbessern.
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So sind die Materialien, die in der
DE 10 2009 013 855 A1 beschrieben werden, aber auch der restliche Stand der Technik im Hinblick auf die Robustheit (Ausbruchsicherheit) der Beschichtung nicht optimal. Hierbei verstehen wir unter Robustheit die Sicherheit der Beschichtung beispielsweise aufgrund des Bimetalleffekts (Spannungen) zwischen Substrat des Kolbenrings und Beschichtung nicht auszubrechen.
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Technische Aufgabe
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ergibt sich als technische Aufgabe, einen Gleitpartner, insbesondere einen Kolbenring, zur Verwendung in einer Gleitpaarung bereitzustellen, bei dem die Robustheit erhöht sind. Ferner sollen ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines solchen Gleitpartners und auch eine Verwendung von Nanopartikeln in einer Beschichtung bereitgestellt werden, welche die genannten Vorteile aufweisen.
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Darstellung der Erfindung
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Die Lösung der Erfindung erfolgt durch den Gleitpartner nach Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen dieses Gleitpartners sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 7 beschrieben. Ferner wird die Aufgabe durch das Verfahren nach Anspruch 8, die Vorrichtung nach Anspruch 9 und die Verwendung nach Anspruch 10 gelöst. Eine bevorzugte Ausführungsform der Verwendung wird in Anspruch 11 beschrieben.
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Nach Anspruch 1 wird die technische Aufgabe durch einen Gleitpartner zur Verwendung in einer Gleitpaarung und insbesondere durch einen Kolbenring gelöst. Dieser Gleitpartner weist eine Beschichtung mit einem Basismaterial mit einem Volumenanteil von 5 bis 25%, bevorzugt 5 bis 10%, an eingelagerten Nanopartikeln auf. Dieser Volumenanteil bezieht sich auf den fertiggestellten Gleitpartner und insbesondere auf das Gesamtvolumen der Beschichtung nach dem Beschichten. Das Basismaterial bildet eine Matrix, in welche die Nanopartikel eingelagert sind.
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Die Nanopartikel weisen eine Legierung der Legierungsformel MeXCYNZ auf und bestehen bevorzugt daraus. Hierbei ist das Metall Me Chrom und/oder Titan, X liegt im Bereich von 1 bis 3, Y im Bereich von 0 bis 3, bevorzugt von 0,3 bis 3, und Z im Bereich von 0 bis 3, bevorzugt von 0,5 bis 3. Der durchschnittliche Durchmesser der Nanopartikel beträgt weniger als 50 nm im arithmetischen Mittel.
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Durch die Einlagerung von Partikeln, insbesondere von Partikeln mit einem durchschnittlichen Durchmesser von weniger als 50 nm, kann die Beschichtung in ihrer Mikrostruktur gezielt angepasst werden. Dies betrifft insbesondere PVD-Schichten, weil bei diesen ein Wachstum der Schicht erfolgt. Hierbei spielt die Partikelkonzentration in der Beschichtung eine entscheidende Rolle.
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Partikel der Formel Me
XC
YN
Z und insbesondere den angegebenen bevorzugten Bereichen der Werte Y, Z haben als Vorteil gegenüber dem Stand der Technik (insbesondere gegenüber der
DE 10 2009 013 855 A1 ), dass sie zu einer deutlich verbesserten Brandspurfestigkeit und Robustheit führen. Weiterhin führen diese Partikel zu einer Beschichtung, welche die weiter oben beschriebenen Vorteile im Vergleich zum Stand der Technik in erhöhtem Maße aufweist.
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Um sicherstellen zu können, dass der chemische und kristallografische Aufbau der Nanopartikel wie gewünscht ist, können diese ex-situ hergestellt werden und während eines Beschichtungsprozesses, insbesondere während eines PVD-Beschichtungsprozesses, in die Schicht eingebaut werden. Insbesondere im Vergleich zu einer Beschichtung, die keine eingebetteten Nanopartikel aufweist, wird das E-Modul und die Vickershärte deutlich reduziert, wie dies auch aus den später folgenden Beispielen deutlich wird.
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Hierbei führt eine Einbettung von TiCXNY (d. h. Me = Ti) zu einer leicht geringeren Verringerung der Härte. In jedem Fall führt ein Erhöhen der Konzentration an Nanopartikeln zu einem verringerten E-Modul und einer verringerten Härte, was jeweils eine bessere Brandspurfestigkeit mit sich bringt. Gleichzeitig bleibt jedoch der Ringverschleiß im Wesentlichen konstant. Außerdem führt ein erhöhter Nanopartikelanteil zu einer verringerten Kristallitgröße. Nanopartikel mit einem Durchmesser von weniger als 50 nm sind hierfür besonders von Vorteil, insbesondere für eine Verringerung der Kristallitgröße der entstehenden Mikrostruktur.
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Ein Volumenanteil im Bereich von 5 bis 25%, bevorzugt von 5 bis 10%, ist von Vorteil, da das Verhältnis von Härte zu E-Modul in diesem Bereich am ausgeglichensten ist, um eine hohe Verschleißbeständigkeit und Brandspursicherheit bei gleichzeitiger Elastizität zur Kompensation des Bimetalleffeks und damit der Robustheitssteigerung zu gewährleisten.
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Besonders von Vorteil ist, wenn das Basismaterial Chromnitrid oder sauerstoffdotiertes Chromnitrid aufweist und bevorzugt daraus besteht. Bei mit Sauerstoff dotiertem Chromnitrid wird bevorzugt, dass die Sauerstoffdotierung in einem Bereich von 3 bis 15 Gewichtsprozent, bezogen auf die Gesamtmasse des Basismaterials der Beschichtung, liegt. Eine Beschichtung mit (sauerstoffdotiertem) Chromnitrid als Basismaterial ist leicht herstellbar und ermöglicht auch das leichte Einbetten von Nanopartikeln. Ferner weist die hierdurch hergestellte Beschichtung eine vorteilhafte niedrige Härte und ein niedriges E-Modul auf.
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Es ist außerdem von Vorteil, wenn ein arithmetischer Mittelwert der Kristallitgröße (d. h. des Durchmessers der Kristalle in der Richtung parallel zur beschichteten Oberfläche) im Bereich von 5 bis 70 nm, bevorzugt von 45 bis 55 nm, liegt. Wenn die Materialien für die Beschichtung so eingestellt werden, dass eine solche Kristallitgröße entsteht, führt dies zu einer guten Brandspurfestigkeit und Robustheit.
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Im Hinblick auf eine Verwendung in einem Verbrennungsmotor ist es von Vorteil, wenn die Härte der Beschichtung im Bereich von 300 bis 1900 HV 0,002, bevorzugt von 1000 bis 1800 HV 0,002, liegt, gemessen nach DIN EN ISO 6507-1:2005 bis –4:2005. Ein Material mit einer solchen Härte ist gegen den oben beschriebenen Bimetalleffekt besonders beständig.
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Aus ähnlichen Gründen ist es von Vorteil, dass das E-Modul der Beschichtung (d. h. das Youngsche Modul) im Bereich von 80 bis 230 GPa, bevorzugt von 180 bis 230 GPa, liegt. Dieses E-Modul wird über mehrere Körner der Beschichtung hinweg in der Richtung senkrecht zur Oberfläche des beschichteten Gleitpartners gemessen. Ein solches E-Modul ist im Hinblick auf die Brandspurfestigkeit und Robustheit von Vorteil.
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Es ist außerdem von Vorteil, wenn die Beschichtung eine Dicke von 100 μm oder weniger, bevorzugt im Bereich von 5 bis 50 μm, aufweist. Hierdurch erhält man zum einen gute Reibeigenschaften, da die Beschichtung hinreichend dick ist, um die Eigenschaften des Gleitpartners signifikant zu beeinflussen. Zum anderen können aber auch eventuell auftretende thermische Spannungen aufgrund einer übermäßig dicken Beschichtung vermieden werden.
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Es ist weiter von Vorteil, wenn die Beschichtung auf ein Grundmaterial aus Gusseisen oder Stahl aufgebracht werden kann. Dies ist möglich, da die Beschichtungstemperatur durch das verwendete Verfahren zum Einbringen von Nanopartikeln während des Herstellungsprozess der Beschichtung nicht verändert wird und somit keine Gefahr einer nachteiligen Veränderung des Gleitpartners aus diesen bewährten Materialien besteht. Ein Kolbenring aus Gusseisen kann nur mit Kalt-PVD-Verfahren (d. h. bei einer Temperatur von weniger als 435°C) beschichtet werden da es ansonsten glüht, dadurch seine Form verliert und dadurch als Kolbenring unbrauchbar wird. Durch das Einbringen von Nanopartikeln wird die Beschichtungstemperatur nicht beeinflusst. Daher kann man auch Ringe aus Gusseisen und nicht nur aus Stahl mit PVD-Beschichtungen mit Nanopartikeln beschichten.
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Wie weiter oben erwähnt wird die technische Aufgabe auch durch das Verfahren nach Anspruch 8 gelöst. Hierbei wird die Beschichtung durch physikalische Gasphasenabscheidung auf einem Grundmaterial ausgebildet. Die Nanopartikel werden bevorzugt separat zur physikalischen Gasphasenabscheidung vorbereitet und während der physikalischen Gasphasenabscheidung in die Schicht eingebettet.
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Die physikalische Gasphasenabscheidung ist ein Verfahren, das sich industriell leicht einsetzen lässt und durch welches Beschichtungen definiert aufgebracht werden können. Außerdem führt sie zu einem kontinuierlichen Wachstum der Beschichtung, was zu einer guten Mikrostruktur führt. Beim Einbetten von Nanopartikeln führt sie zu einem gewollten kolumnaren Wachstum der Struktur, die zu einer guten Brandspurfestigkeit führt. Hierbei können, wie oben erwähnt, die Nanopartikel ex situ, d. h. außerhalb der Beschichtungsvorrichtung, hergestellt werden und dann während des PVD-Beschichtungsprozesses in die wachsende Schicht eingebaut werden. Hierdurch kann ein kontinuierlicher Beschichtungsprozess bereitgestellt werden, der keine großen Anpassungen der PVD-Beschichtungsvorrichtung erfordert. Eine Herstellung der Nanopartikel ex situ ist von Vorteil, da somit deren chemische und kristallographische Eigenschaften gut eingestellt werden können.
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Außerdem haben die Beschichtungen die weiter oben bezüglich der Produktansprüche genannten Vorteile und können kontrolliert hergestellt werden.
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Die Aufgabe wird ferner durch die Vorrichtung nach Anspruch 9 gelöst. Durch diese lässt sich das Verfahren leicht und kostengünstig implementieren. Durch den Nanopartikel-Reaktor zur Erzeugung der Nanopartikel ex situ können, wie oben erwähnt, deren Eigenschaften gut und kontrolliert eingestellt werden. Durch die aerodynamische Linse können die so erzeugten Nanopartikel gut lokalisiert auf die zu beschichtende Oberfläche aufgebracht werden.
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Weiter wird die technische Aufgabe durch die Verwendung von Nanopartikeln nach Anspruch 10 gelöst. Eine bevorzugte Ausführungsform dieser Verwendung wird in Anspruch 11 definiert. Diese haben die bezüglich der Produktansprüche genannten Vorteile.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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1 zeigt schematisch einen Aufbau zum Testen der Brandspurfestigkeit einer Beschichtung.
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2 zeigt Daten bezüglich der relativen Veränderung des Brandspurwiderstands.
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3 zeigt Daten zur relativen Änderung des Ringverschleißes.
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4a)–d) zeigen die Einflüsse des Einbettens von Nanopartikeln auf die Mikrostruktur der entstehenden Schicht.
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Detaillierte Beschreibung der Figuren
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Um den Einfluss der eingebetteten Nanopartikel (NP) auf die Beschichtung des Gleitlagers einschätzen zu können, wurde ein Kolbenring aus nitriertem Stahl mit einer in der nachfolgenden Tabelle beschriebenen Beschichtung an der radialen Außenseite versehen.
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Unter einer „Standard”-Beschichtung wird hier eine Beschichtung ohne eingebettete Nanopartikel (NP) verstanden. Bei der Schicht NPHMC-2 werden Nanopartikel mit der Zusammensetzung TiC0,4N0,6 und einem durchschnittlichen Durchmesser von 20 nm verwendet. In der Tabelle sind die Ergebnisse eines Härtetests und eines Tests der Elastizität beschrieben. Es wird deutlich, dass sowohl die Härte als auch das E-Modul mit zunehmender Konzentration der Nanopartikel abnehmen. Hierbei wurde bei den Beschichtungen NPHMC-1 und NPHMC-2 das Basismaterial jeweils mit 5 bis 7 Gewichtsprozent Sauerstoff, bezogen auf die Gesamtmenge des Basismaterials, dotiert.
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Um außerdem die Brandspurfestigkeit beurteilen zu können wurde ein wie folgt definierter außermotorischer Tribometertest durchgeführt.
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Hierzu wird vor dem Beginn des Tests 100 μl Öl (Castrol Edge, d. h. ein Serienöl mit der Viskosität 5W30) in die Mitte eines konkav geformten Liners gegeben und der zu testende Kolbenring auf die derartige geschmierte Oberfläche des Liners aufgesetzt. Die Versuchsvorrichtung, d. h. der Liner zusammen mit dem Kolbenring, werden auf 100°C erhitzt. Es wird nun eine Normalkraft FN rampenförmig von 40 N bis 700 N mit einer Rate von 20 N/5 min erhöht und dann bei 700 N konstant gehalten. Währenddessen wird der Reibwert (Reibungskoeffizient) zwischen Kolbenring und Liner bestimmt. Sobald dieser Reibwert dauerhaft größer als 0,3 ist wird der Test beendet und die aktuelle Normalkraft als Brandspurwiderstand notiert.
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Dieses Verfahren wird auch in 1 gezeigt, in der insbesondere das Verhalten der Temperatur, der Normalkraft und des Reibwerts als auch die Bedingung für das Beenden des Versuchs schematisch dargestellt werden.
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Dieser Test simuliert Mangelschmierbedingungen bei starker thermischer Belastung, unter denen üblicherweise Brandspuren erzeugt werden. Die Ergebnisse für die in der Tabelle beschriebenen Kolbenringe sind in 2 dargestellt.
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Hieraus ist ersichtlich, dass sich der relative Brandspurwiderstand (den wir für die Standardbeschichtung mit 100% normieren) durch die Beschichtungen erhöht. So ist dieser bei Beschichtung NPHMC-1 um 20% und bei NPHMC-2 um 25%, bezogen auf die Standardbeschichtung, erhöht. Es wird daraus deutlich, dass eine Beschichtung mit Nanopartikeln zu einem verbesserten Brandspurwiderstand führt.
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Ferner ist, wie aus 3 deutlich, der Ringverschleiß für alle drei getesteten Schichten konstant. Der Ringverschleiß wird über einen radialen Laufflächenprofilschrieb ermittelt. Es wird die maximale Höhendifferenz zwischen Laufflächenprofilschrieb vor und nach dem Verschleißtest gemessen.
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Um den Einfluss der Nanopartikel auf die Mikrostruktur, d. h. das kolumnare Schichtwachstum einschätzen zu können, wurde außerdem mittels Röntgenbeugungsversuchen die durchschnittliche Kristallitgröße der Kristalle der Beschichtung bestimmt. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst und in
4a)–d) weiter dargestellt. Diese Ergebnisse beziehen sich auf Nanopartikel (NP) der Zusammensetzung TiN. Das Basismaterial besteht aus Cr[O]N.
NP-Konzentration in der Schicht [Vol.%] | Durchschnittliche Kristallitgröße [nm] |
0 | 62 |
8 | 50 |
15 | 37 |
20 | 30 |
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Es wird deutlich, dass eine erhöhte Konzentration der Nanopartikel zu einer geringeren Kristallitgröße führt. Diese Kristallitgröße wird wie weiter oben beschrieben parallel zur beschichteten Kolbenringlauffläche gemessen.
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Die entstehenden Strukturen sind als Querschnittsaufnahmen (4a) und c)) in einem Schnitt senkrecht zur Beschichtung und als transmissionselektronenmikroskopische Aufnahmen (4b) und d)) im gleichen Schnitt gezeigt. Hierbei bezeichnen 4a) und b) Schichten, die durch PVD erzeugt wurden, ohne dass Nanopartikel eingebettet wurden, während 4c) und d) Schichten mit 15 Volumenprozent an TiN Nanopartikeln zeigen. In 4a) und b) stellt der weiße Balken eine Länge von 20 μm dar. In 4b) und d) stellt der waagerechte Balken eine Länge von 100 μm dar.
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Wie aus 4b) und d) ersichtlich beträgt bei einer Beschichtung ohne Nanopartikel die durchschnittliche Kristallgröße 62 Nanometer, während bei einer Nanopartikel-Konzentration von 15 Volumenprozent die durchschnittliche Kristallgröße 37 Nanometer beträgt. Das Einbetten von Nanopartikeln führt daher zu einer Verfeinerung der kolumnaren Mikrostruktur.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009013855 A1 [0007, 0012, 0018]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN EN ISO 6507-1:2005 [0024]