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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung sowie ein Messverfahren zum Charakterisieren von Klebstoff. Klebstoffe haben zahlreiche Einsatzgebiete in der Technik. Sie werden überall dort zum Verbinden und Fügen von Werkstoffen und Materialen eingesetzt, wo andere Fügeverfahren aufgrund von wirtschaftlichen oder technischen Erwägungen ausscheiden.
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Klebstoffe unterscheiden sich zum Teil stark in ihrer chemischen Zusammensetzung. Beispielsweise sind aus dem Stand der Technik Polyurethan-Klebstoffe, Epoxidharz-Klebstoffe und auch radikalisch vernetzte Acrylat-Systeme bekannt. Bei der Klebstoffaushärtung kommt es zu einer Vernetzung der Polymerketten und zur Bildung eines makroskopischen Festkörpers. Je nach Klebstoff sind die dabei ablaufenden chemischen Reaktionen sehr unterschiedlich. Durch die Prozessführung bei der Klebung, die chemische Zusammensetzung der Ausgangskomponenten und die Mischungsverhältnisse der Einzelkomponenten und Additive kann die Geschwindigkeit und Güte dieser Vernetzungsreaktion beeinflusst werden. Die Güte der Verklebung ist dabei vor allem interessant, um spätere mechanische Eigenschaften des Klebstoffs abschätzen zu können.
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Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise die
DE 1 96 012 39 A1 bekannt, die ein Verfahren zum Messen von mechanischen Eigenschaften einer Klebverbindung beschreibt. Dazu wird ein erstes Probenelement auf eine Probenaufnahme aufgebracht, wobei das erste Probenelement über einen Klebstoff mit einem zweiten Probenelement verbunden ist. Über einen Aktuator, der mit dem zweiten Probenelement verbunden ist, wird eine Schwingung in die Klebeverbindung eingebracht. Mittels eines Kraftsensors und eines Distanzsensors werden Verschiebungen und Kraftentwicklungen innerhalb der Klebeverbindung bestimmt um eine Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften des verwendeten Klebstoffs zu ermöglichen.
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Generell ist die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit von bekannten Methoden zur Erfassung von mechanischen Eigenschaften einer Klebeverbindung sehr gering. Eine zuverlässige Charakterisierung des Klebstoffs ist damit nicht möglich.
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In „Hauptmann, Peter et al.: Recent trends in bulk acoustic wave resonator sensors, IEEE Symposium on Ultrasonics, 5.–8. Oktober 2003, S. 56–65” sind verschiedene Bauformen von Sensoren basierend auf der Dünnschicht-Volumenwellen-Resonatortechnologie beschrieben. Diese Sensoren können auch zur Analyse von Eigenschaften chemischer oder biochemischer Materialien, insbesondere von dünnen Schichten, eingesetzt werden.
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Aus „Rohklin, S. I. et al.: Modulated angle beam ultrasonic spectroscopy for evaluation of imperfect interfaces and adhesive bonds, Ultrasonics 42 (2004), S. 1037–1047” ist ein Verfahren bekannt, Fehler bzw. alterungsbedingte Schwachstellen in Klebeverbindungen durch Einstrahlung frequenzmodulierter Ultraschallwellen festzustellen. Dabei werden Echosignale der abgestrahlten Ultraschallwellen empfangen und spektral ausgewertet. Zur Beurteilung der Qualität der Klebestelle wird der Effekt ausgenutzt, dass unbeschädigte Klebestellen fast keine spektrale Abhängigkeit von der Modulationsfrequenz aufweisen, während fehlerhafte Klebestellen eine starke Abhängigkeit zeigen.
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Aus der
US 2004/0074302 A1 ist ein Verfahren zur Untersuchung der chemischen Eigenschaften eines flüssigen Stoffgemischs bekannt. Dabei kommen ein oder mehrere mechanische Resonatoren nach dem Prinzip einer Stimmgabel zum Einsatz, um akustische Wellen in der Flüssigkeit zu erzeugen. Durch Auswertung der Frequenzantwort an den mechanischen Resonatoren können durch Vergleich mit Referenzwerten Rückschlüsse auf die Zusammensetzung und Materialeigenschaften getroffen werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Messvorrichtung zum Charakterisieren eines Klebstoffs umfasst ein Piezoelement und einen Transducer, wobei das Piezoelement über den charakterisierenden Klebstoff mit dem Transducer verbindbar ist. Durch die Verbindung des Piezoelements mit dem Transducer wird ein mechanischer Schwingkreis gebildet, da sich eine Längenänderung des Piezoelements über den Klebstoff auf den Transducer überträgt. Eine Steuervorrichtung ist sowohl mit dem Transducer als auch mit dem Piezoelement verbunden, sodass die Steuervorrichtung einer Anregungsfrequenz auf den mechanischen Schwingkreis aufbringen kann. Beispielsweise kann das Piezoelement durch Änderung seiner Länge eine Verformung des Transducers bewirken, wobei bei Zurücknahme der Längenänderung des Piezoelements ein Zurückschwingen des Transducers in seine ursprüngliche Form ein Überschwingen produzieren kann, wodurch sich wiederrum das Piezoelement verformen kann. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Steuervorrichtung eingerichtet ist, eine Vielzahl von Anregungsfrequenzen auf den so gebildeten Schwingkreis aufzubringen. Dabei wird für jede Anregungsfrequenz eine jeweils korrespondierende Admittanz gemessen, wodurch es möglich wird, den mechanischen Schwingkreis zu charakterisieren. Dazu werden aus der Vielzahl von Anregungsfrequenzen und den Messwerten der jeweils korrespondierenden Admittanz Ersatzparameter eines zu dem mechanischen Schwingkreis äquivalenten elektrischen Schwingkreises bestimmt. Da es sich bei den gemessenen Signalen um elektrische Signale handelt, ist es sehr einfach möglich, diese einem elektrischen Schwingkreis zuzuordnen. Durch die Äquivalenz des mechanischen und des elektrischen Schwingkreises ist es dann möglich, elektrische Werte als Maß für die mechanischen Werte, insbesondere für die mechanischen Werte des Klebstoffs, zu verwenden.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Charakterisieren eines Klebstoffs, wobei der Klebstoff zur Befestigung eines Piezoelements auf einem Transducer verwendet wird. Auch hier bilden somit Piezoelement und Transducer einen mechanischen Schwingkreis, auf den erfindungsgemäß eine Vielzahl von Anregungsfrequenzen aufgebracht wird. Weiterhin wird erfindungsgemäß zu jeder Anregungsfrequenz eine korrespondierende Admittanz gemessen, sodass neben einer Vielzahl von Anregungsfrequenzen die Messewerte von korrespondierenden Admittanzen zur Verfügung stehen. Aus diesen Daten kann erfindungsgemäß ein Ersatzparametermodell eines elektrischen Schwingkreises bestimmt werden, wobei der elektrische Schwingkreis äquivalent zu dem mechanischen Schwingkreis ist. Da auch hier der Klebstoff für die mechanische Ankopplung des Piezoelements an den Transducer verantwortlich ist, ist mit den Ersatzparametern des äquivalenten elektrischen Schwingkreises ein Maß für die Festigkeit des Klebstoffs vorhanden.
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Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass der elektrische Schwingkreis die gleiche Differenzialgleichung wie der mechanische Schwingkreis aufweist. In diesem Fall lässt sich die Dynamik der beiden Schwingkreise durch die gleiche Gleichung beschreiben, wobei lediglich die Parameter eine unterschiedliche Bedeutung haben. Somit können der elektrische Schwingkreis und der mechanische Schwingkreis als äquivalent angesehen werden. Weiterhin ist es durch die Verwendung der gleichen Differenzialgleichung möglich, die Ersatzparameter des elektrischen Schwingkreises den Parametern des mechanischen Schwingkreises zuzuordnen. Auf diese Weise können die relevanten Ersatzparameter bestimmt werden, um ein Maß für die mechanische Ankopplung des Piezoelements an den Transducer zu erhalten.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der elektrische Schwingkreis einen Widerstandswert und/oder einen Kapazitätswert umfasst, die Parameter des mechanischen Schwingkreises repräsentieren. Dabei ist der Widerstandswert vorteilhaft ein Maß für den Energieverlust innerhalb des mechanischen Schwingkreises und der Kapazitätswert ein Maß für die Festigkeit der mechanischen Ankopplung des Piezoelements an den Transducer. Bevorzugt kann der elektrische Schwingkreis einen Induktivitätswert umfassen, der die bewegte Masse des mechanischen Schwingkreises repräsentiert. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Messvorrichtung ermöglichen daher, mit einem sehr einfachen Versuchsaufbau die relevanten Informationen über die Verklebung zu erhalten. Da die Ersatzparameter erfindungsgemäß durch Messungen am mechanischen Schwingkreis bestimmt werden, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, den Widerstandswert und den Kapazitätswert, die beide Ersatzparameter sind, als Maß für die Güte des verwendeten Klebstoffs anzusehen.
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Bevorzugt ist außerdem vorgesehen, dass die Steuervorrichtung derart eingerichtet ist, dass diese eine Spannung an das Piezoelement und den Transducer anlegt. Der Klebstoff ist dafür bevorzugt leitfähig ausgelegt, sodass das Anlegen der Spannung an den Transducer über den Klebstoff an das Piezoelement weitergeleitet wird. Alternativ ist bevorzugt vorgesehen, dass direkt an das Piezoelement eine Spannung angelegt wird. Durch das Anlegen der Spannung an das Piezoelement ist bevorzugt vorgesehen, dass sich das Piezoelement verformt. Durch die mechanische Ankopplung des Piezoelements an den Transducer verformt sich der Transducer zusammen mit dem Piezoelement, wobei nach Trennen der Spannung die Verformung des Piezoelements rückgängig gemacht wird. Dabei ist vorteilhaft vorgesehen, dass sich ebenso der Transducer in seine ursprüngliche Form rückverformt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Messvorrichtung ein Gehäuse auf, das den Transducer und das Piezoelement umgibt. Bevorzugt ist außerdem vorgesehen, dass das Gehäuse den Transducer lagert, wobei vorteilhaft ein akustisches Entkoppelelement, beispielsweise ein Silikonring, verwendet wird, um Dämpfungen des mechanischen Schwingkreises durch das Gehäuse zu vermeiden. Auf diese Weise wird eine Messung der Admittanzen bei unterschiedlichen Anregungsfrequenzen durch das Gehäuse nicht gestört.
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Der Transducer weist vorteilhafterweise eine Topfform auf und/oder umfasst vorteilhafterweise eine Aluminium-Membran. Die Aluminium-Membran ist vorteilhaft hinsichtlich der Schwingfähigkeit des Transducers, sodass ein Schwingkreis aus Transducer und Piezoelement gebildet wird. Dies wird durch die bevorzugte Topfform des Transducers weiter verbessert. Alternativ kann der Transducer vorteilhaft auch flächig geformt sein. Insgesamt sind die Abmessungen des Transducers bevorzugt derart gewählt, dass die Eigenfrequenz des Transducers mit der des Piezoelements übereinstimmt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Piezoelement eine Piezokeramik. Eine Piezokeramik ist meist einfach herstellbar und eignet sich besonders für die Verwendung innerhalb eines schwingfähigen Systems.
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Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es vorteilhaft, wenn die Anregungsfrequenzen zu unterschiedlichen Zeitpunkten während einer Aushärtung des Klebstoffs aufgebracht werden. So ist bevorzugt vorgesehen, dass an einem ersten Zeitpunkt eine vordefinierte Menge von Anregungsfrequenzen auf den mechanischen Schwingkreis aufgebracht wird, um die Ersatzparameter zu dem ersten Zeitpunkt zu bestimmen. Anschließend wird dieses Verfahren zu weiteren Zeitpunkten während der Aushärtung des Klebstoffs bevorzugt wiederholt, sodass nach der vollständigen Aushärtung des Klebstoffs vorteilhafterweise eine Vielzahl von Messwerten vorliegen, sodass die Ersatzparameter zu einer Vielzahl von Zeitpunkten bestimmbar sind. Dies macht es in vorteilhafter Weise möglich, die Kinetik der Aushärtung des Klebstoffs zu verfolgen um hieraus weitere Rückschlüsse auf eine Verarbeitungsfähigkeit und Festigkeit des verwendeten Klebstoffs ziehen zu können.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen sind:
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1 eine schematische Darstellung eines Schwingkreises umfassend ein Piezoelement und einen Transducer in einem unangeregten Zustand,
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2 eine schematische Darstellung des Schwingkreises in einer ersten Anregungsposition,
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3 eine schematische Darstellung des Schwingkreises in einer weiteren Anregungsposition,
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4 eine schematische Übersicht über die Messvorrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
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5 eine schematische Darstellung eines elektrischen Schwingkreises, der äquivalent zu dem in 4 dargestellten mechanischen Schwingkreis ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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1 zeigt schematisch einen Schwingkreis, der ein Piezoelement 2 und einen Transducer 3 umfasst. Das Piezoelement 2 ist mittels eines Klebstoffs 4 auf den Transducer 3 aufgebracht. Dabei weist sowohl das Piezoelement 2 als auch der Transducer 3 einen rechteckigen Querschnitt auf. Das Piezoelement 2 ist kleiner als der Transducer 3 und ist insbesondere mittig auf dem Transducer 3 angebracht. Sowohl der Transducer 3 als auch der Klebstoff 4 sind elektrisch leitfähig ausgebildet, sodass eine elektrische Verbindung zwischen dem Piezoelement 2 und dem Transducer 3 besteht. Somit kann eine elektrische Spannung an die Piezooberfläche 20 und an den Transducer 3 angelegt werden, um das Piezoelement 2 und damit den gesamten Schwingkreis 10 anzuregen.
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In 2 ist beispielhaft ein Fall gezeigt, in dem eine elektrische Spannung an die Piezooberfläche 20 und den Transducer 3 angelegt ist. In diesem Fall verkürzt sich das Piezoelement, was sich ebenfalls auf den Transducer 3 auswirkt. Dadurch, dass sich die Piezooberfläche 20 verkleinert, während die Transduceroberfläche 30 konstant bleibt, entsteht eine Wölbung des Schwingkreises 10, wobei sich die Wölbung in Richtung des Transducers 3 konvex ausbildet. Sobald die elektrische Spannung von der Piezooberfläche 20 und/oder von dem Transducer 3 getrennt wird, nimmt das Piezoelement 2 seine ursprüngliche Länge wieder ein, was ebenfalls bedeutet, dass die Piezooberfläche 20 zu ihrer ursprünglichen Größe zurückkehrt. Somit würde das Piezoelement 2 zusammen mit dem Transducer 3 in die in 1 gezeigte Ausgangslage zurückkehren. Durch eine passende Ausgestaltung des Transducers 3 kann jedoch erreicht werden, dass der Schwingkreis 10 bei Trennung der Spannung in die entgegengesetzte Richtung überschwingt, sodass sich eine konvexe Form in Richtung des Piezoelements 2 ergibt. Dieser Fall ist beispielsweise in 3 dargestellt. Der Schwingkreis 10 kann daher durch wiederholtes Anlegen und Trennen einer Spannung von der Piezooberfläche 20 und dem Transducer 3 in eine Schwingung versetzt werden.
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Es ist dabei ersichtlich, dass die Güte des Klebstoffs einen wesentlichen Beitrag zu der Charakteristik der durch den Schwingkreis 10 vollführten Schwingung beiträgt. So kann beispielsweise ein Klebstoff 4 mit hohen Dämpfungseigenschaften eine Schwingung sehr schnell dämpfen, sodass der Schwingkreis 10 in die in 1 gezeigte Ausgangslage rasch zurückkehrt. Ebenso könnte der Klebstoff 4 bei zu großer Sprödigkeit brechen und eine mechanische Ankopplung des Piezoelements 4 an den Transducer 3 verhindern. In diesem Fall wäre eine Schwingung nicht mehr möglich.
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In 4 ist daher schematisch eine Messvorrichtung 1 gezeigt, die einen Klebstoff 4 charakterisieren soll. Dazu weist die Messvorrichtung 1 einen Transducer 3 auf, der über einen Klebstoff 4 mit einem Piezoelement 2 verbunden ist. Es entsteht daher ein Schwingkreis 10, wie er in den 1 bis 3 skizziert wurde, wobei die Topfform des Transducers 3 Schwingungen weiter verstärkt. Gelagert wird der Transducer 3 über ein akustisches Entkoppelelement 7, das beispielsweise ein Silikonring sein kann, in einem Gehäuse 6, sodass das Gehäuse 6 die Schwingung des Schwingkreises 10 nicht dämpft. Somit wird eine Messung durch das Gehäuse 6 nicht beeinflusst. Zum Durchführen der Messung ist eine Steuervorrichtung 5 vorhanden, die eine Messbrücke 51 und einen Computer 52 umfasst. Die Steuervorrichtung 5 ist mit dem Schwingkreis 10 verbunden, in dem die Messbrücke 51 sowohl mit der Piezooberfläche 20 als auch mit dem Transducer 3 verbunden ist. Somit kann die Messbrücke 51 eine Spannung an die Piezooberfläche 20 und den Transducers 3 anlegen, der mit dem elektrisch leitfähigen Kleber 4 eine elektrische Verbindung zu einer der Piezooberfläche 20 gegenüber liegenden Oberfläche herstellt. Die Messbrücke 51 kann daher durch das Anlegen einer Spannung das Piezoelement 2 verformen, wodurch der in 2 und 3 gezeigte Schwingeffekt eintritt. Dabei bestimmt die Messbrücke 51 für jede angelegte Frequenz die Admittanz des Schwingkreises 10 um somit eine Charakteristik des Klebstoffs 4 zu erhalten. Dies ist in 5 gezeigt.
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5 zeigt das Schaltbild eines elektrischen Schwingkreises 100, wobei der elektrische Schwingkreis 100 ein Ersatzschaltbild des mechanischen Schwingkreises 10 darstellt. Dies bedeutet, dass bei dem elektrischen Schwingkreis 100 eine Steuervorrichtung 5 dieselben Admittanzwerte für die entsprechenden Anregungsfrequenzen messen würde. Der elektrische Schwingkreis 100 umfasst einen Widerstandswert 104 und einen Kapazitätswert 106. Weiterhin umfasst der elektrische Schwingkreis 100 einen weiteren Kapazitätswert 103, weitere Widerstandswerte 101 und 102, sowie einen Induktivitätswert 105. Dabei stellt der Widerstandswert 104 ein Maß für den Energieverlust innerhalb des mechanischen Schwingkreises 10 dar. Der Kapazitätswert 106 stellt ein Maß für die mechanische Ankopplung des Piezoelements 2 an den Transducer 3 dar, während der Induktivitätswert 105 die bewegte Masse des mechanischen Schwingkreises 10 repräsentiert. Somit sind sowohl der Widerstandswert 104 als auch der Kapazitätswert 106 ein charakteristisches Merkmal des Klebstoffs 4.
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Bevorzugt kann die Messvorrichtung 1 nun eingesetzt werden, einen Klebstoff 4 zu charakterisieren. Dabei kann dies sowohl im statischen Fall, also im Fall, dass der Klebstoff 4 bereits ausgehärtet ist, als auch im nicht statischen Fall, also während der Aushärtung des Klebstoffs 4, erfolgen. So kann beispielsweise mittels des Klebstoffs 4 das Piezoelement 2 auf den Transducer 3 aufgebracht werden, wobei unmittelbar darauf eine erste Messung durch die Steuervorrichtung 5 vorgenommen wird. Da hier noch keinerlei mechanische Ankopplung des Piezoelements 2 an den Transducer 3 vorliegt, entsteht somit eine Nullmessung, die als Ausgangslage angesehen werden kann. Anschließend kann zu weiteren Zeitpunkten eine Messung durch die Steuervorrichtung 5 durchgeführt werden, wobei der Klebstoff 4 weiter aushärtet. Die Aushärtung des Klebstoffs 4 kann daher in Echtzeit nachverfolgt werden.
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Eine Messung liefert eine Vielzahl von Anregungsfrequenzen und zu jeder Anregungsfrequenz eine gemessene Admittanz des Schwingkreises 10. Somit ist es möglich, eine Ortskurve bzw. ein Nyquistdiagramm zu erstellen, um die gemessenen Daten zu repräsentieren. Die einzelnen Ersatzparameter des elektrischen Schwingkreises 100 berechnen sich aus unterschiedlichen Frequenzbereichen, gewichtet nach dem Einfluss der Ersatzparameter in dem entsprechenden Frequenzbereich. Hierfür sind so genannte Fit-Algorithmen aus dem Stand der Technik bekannt.
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Neben der schriftlichen Offenbarung wird hiermit ausdrücklich Bezug auf die Offenbarung der 1 bis 5 genommen.
