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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bonden von Keramik und Metall und eine gebondete Struktur aus Keramik und Metall, welche Diffusionsschichten mit geneigten bzw. ansteigenden linearen Ausdehnungskoeffizienten ergeben, welche geeignet sind für ein Bonden einer Kohlenwasserstoff-basierten Keramik, welche das Material eines Katalysators oder eines Thermistors bildet, welches in einer hoch wärmebeständigen Umgebung mit einer hoch wärmebeständigen Legierung zum Erhalten einer elektrischen Leitung verwendet wird.
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Keramiken sind im Allgemeinen herausragend in der Verschleißwiderstandsfähigkeit, der Wärmewiderstandsfähigkeit, der Korrosionswiderstandsfähigkeit etc. und werden weit verbreitet in mechanischen Teilen, elektronischen Teilen etc. verwendet. Keramiken sind jedoch schwierig zu formen und in komplizierte Formen zu bringen bzw. zu bearbeiten, so ist die Praxis, ein Metall, welches leicht zu formen und zu bearbeiten ist, zu formen und zu bearbeiten, und eine Keramik an das erhaltene Teil zu bonden, um das erwünschte Teil zu erhalten.
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Als ein typisches Verfahren zum Bonden einer Keramik und Metall gibt es Löten bzw. Hartlöten. Das Lötmaterial jedoch, welches für das Lötverfahren verwendet wird, ist in der Verwendungstemperatur aus dem Sichtpunkt der Dauerfestigkeit unter einer Umgebung hoher Temperatur beschränkt.
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In den vergangenen Jahren ist beim Bonden einer Keramik und eines Metalls, welche für Autoteile verwendet werden, beispielsweise ein Bonden, welches in der Lage ist, einer Verwendung unter einer Temperatur von 500°C bis 900°C zu widerstehen oder einer solchen Umgebung, zur Verwendung für ein Teil, welches in Abgas abgebracht ist, erwünscht. Um ein solches Bonden zu realisieren, gibt es, eher als ein Verwenden eines Lötmaterials mit einem geringen Schmelzpunkt für die Bonding-Schicht, das Verfahren des Bildens einer Diffusionsschicht zwischen der Keramik und Metall, um das gebondete Teil im Schmelzpunkt höher zu bringen und die Wärmebeständigkeit zu erhöhen.
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Obwohl jedoch eine Diffusionsschicht gebildet werden kann, gibt es das Problem, dass unter einer Umgebung hoher Temperatur die Zugbelastung, welche zu der Zeit einer hohen Temperatur aufgrund des Unterschieds zwischen der Keramik und dem Metall im linearen Ausdehnungskoeffizienten verursacht wird, verursacht, dass das gebondete Teil oder die Keramik bricht.
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Die
japanische Patentveröffentlichung Nr. 63-144175 A1 offenbart eine gebondete Struktur aus Keramik und Metall, welche drei Typen von Metall zwischen die Keramik und Metall einfügt bzw. zwischenschaltet und diese durch ein Diffusions-Bonden bondet, um die Restspannung aufgrund des Unterschieds des linearen Ausdehnungskoeffizienten zu verringern.
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Bei der gebondeten Struktur der PLT1 jedoch gibt es ebenso einen Unterschied zwischen der Keramik, Metall und dazwischen eingefügten Metallen im linearen Ausdehnungskoeffizienten, so dass die Widerstandsfähigkeit bzw. Stärke gegen Zugbeanspruchung, welche zu der Zeit einer hohen Temperatur verursacht wird, unausreichend war.
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Zitierliste
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Patentliteratur
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- PLT1 Japanische Patentveröffentlichung Nr. 63-144175 A1
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Kurzfassung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung wurde unter Betrachtung der obigen Situation getätigt und hat es zur Aufgabe, ein Verfahren zum Bonden von Keramik und Metall vorzusehen, welches frei von einem Bruch durch eine Zugbelastung ist, welche durch den Unterschied zwischen einer Keramik und Metall im linearen Ausdehnungskoeffizienten verursacht wird, sogar unter einer Umgebung hoher Temperatur.
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Die Erfinder engagierten sich in intensiven Studien betreffend eine gebondete Struktur von Keramik und Metall, welche frei einem Bruch durch eine Zugbelastung ist, welche durch den Unterschied zwischen Keramik und Metall im linearen Ausdehnungskoeffizienten verursacht wird, sogar unter einer Umgebung hoher Temperatur.
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Als ein Ergebnis fanden sie heraus, dass durch ein Bonden von Metallfolien mit einem hohen Schmelzpunkt mit der Keramik und Metall, welche zu bonden sind, und dann ein Erwärmen während eines Bildens eines Temperaturgradienten, um die Diffusionsschichten mit einem ansteigenden bzw. geneigten linearen Ausdehnungskoeffizienten zu bilden, es möglich wird, ein Bonden von Keramik und Metall zu erhalten, welches auch bei einer Umgebung hoher Temperatur standhalten kann.
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Das Verfahren zum Bonden von Keramik und Metall der vorliegenden Erfindung ist auf dem obigen Wissen basiert und weist einen Schritt des Bondens von Metallfolien an eine Bonding-Oberfläche einer Keramikmatrix und eine Bonding-Oberfläche einer Metallmatrix, welche zu bonden sind, und dann ein Erwärmen, um die Metallschichten an den Oberflächen der Metallfolien zu belassen, während Diffusionsschichten mit ansteigenden linearen Ausdehnungskoeffizienten mit Materialien der Metallfolien gebildet werden, welche in diese zwischen die Keramikmatrix und die Metallschicht und zwischen die Metallmatrix und die Metallschicht diffundiert werden, und einen Schritt, die jeweiligen Metallschichten, welche an den Oberflächen der Metallfolien verbleiben, dazu zu bringen, zu bonden, um die Keramikmatrix und die Metallmatrix zu Bonden, auf.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Keramik und ein Metall, welche Diffusionsschichten mit ansteigenden linearen Ausdehnungskoeffizienten haben, zu bonden, und ein Bonding von Keramik und Metall zu geben, welches auch einer Umgebung hoher Temperatur standhalten kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Diese und andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden deutlicher werden aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen, welche unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gegeben ist, worin:
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1 eine Ansicht ist, welche schematisch eine Keramikmatrix und eine Metallmatrix zeigt, an welchen Diffusionsschichten in einem Verfahren des Bondens einer Keramik und eines Metalls der vorliegenden Erfindung gebildet sind.
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2 eine Ansicht ist, welche schematisch einen linearen Ausdehnungskoeffizienten einer gebondeten Struktur von Keramik und Metall der vorliegenden Erfindung zeigt.
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3A und 3B Ansichten sind, welche schematisch ein Verfahren zum Erwärmen einer Keramikmatrix und einer Metallmatrix, an welche Metallfolien gebondet sind, durch ein Induktionserwärmen in einem Verfahren des Bondens einer Keramik und eines Metalls der vorliegenden Erfindung zeigen.
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4 eine Ansicht ist, welche schematisch ein Verfahren zum Erwärmen einer Keramikmatrix und einer Metallmatrix, an welche Metallfolien gebondet sind, durch ein Laser-Erwärmen in einem Verfahren des Bondens einer Keramik und eines Metalls der vorliegenden Erfindung zeigt.
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5 eine Ansicht ist, welche schematisch eine Keramikmatrix und eine Metallmatrix zeigt, an welchen Diffusionsschichten in einem Verfahren des Bondens einer Keramik und eines Metalls der vorliegenden Erfindung gebildet sind.
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Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen Untenstehend wird die vorliegende Erfindung genauer erklärt werden, während Bezug auf die Zeichnungen genommen wird.
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Bei dem Verfahren des Bondens von Keramik und Metall der vorliegenden Erfindung werden zuerst, wie in 1 gezeigt ist, durch ein Bonden von Metallfolien an die Bonding-Oberfläche der Keramikmatrix und die Bonding-Oberfläche der Metallmatrix, welche zu bonden sind, und dann ein Erwärmen Diffusionsschichten mit ansteigenden linearen Ausdehnungskoeffizienten gebildet, während Metallschichten an der Oberfläche der Metallfolien verbleiben.
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Hier bedeutet „Ansteigen” eines linearen Ausdehnungskoeffizienten eine monotone Änderung des linearen Ausdehnungskoeffizienten. Das heißt, dass, wie in 2 gezeigt ist, der lineare Ausdehnungskoeffizient monoton von der Metallmatrix in Richtung der Metallschicht, an welcher die Metallfolie verbleibt, zunimmt, und weiterhin monoton von der anderen Metallschicht in Richtung der Keramikmatrix ansteigt. Zur Zeit ist die Änderung des linearen Ausdehnungskoeffizienten vorzugsweise ein bestimmter Gradient, ist jedoch nicht notwendigerweise konstant.
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Die Dicke der Diffusionsschichten ist vorzugsweise 1 bis 100 μm. Wenn die Dicke der Diffusionsschichten weniger als 1 μm ist, wird es schwierig, eine ausreichende Bonding-Stärke sicherzustellen. Weiterhin wird, auch wenn die Dicke der Diffusionsschichten über 100 μm ist, die Zunahme in der Bonding-Stärke saturiert. Dies wird unvorteilhaft hinsichtlich der Herstellungskosten.
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Zum Bonden der Metallfolien ist es möglich, Schweißen, Diffusions-Bonden, Seal-Bonding bzw. Dicht-Bonding, Bonding durch Pressen oder ein anderes Verfahren zu verwenden.
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Die Keramikmatrix und die Metallmatrix, an welche Metallfolien gebondet werden, können durch getrennte Vakuumöfen erwärmt werden. Alternativ kann auch das Verfahren des Verwendens eines Temperatur-Unterschieds verwendet werden, um einen Temperatur-Gradienten zu bilden. Als bestimmte Beispiele des Verwendens eines Temperatur-Unterschiedes, können Induktions-Erwärmen, Laser-Erwärmen, Bogenplasma (Arc Plasma), Widerstands-Erwärmen bzw. Widerstands-Heizen, Erwärmen durch einen Elektronenstrahl etc. erwähnt werden.
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Im Fall des Verwendens eines Verfahrens, welches einen Temperatur-Unterschied- bzw. eine Temperaturdifferenz verwendet, ist es möglich, eine einzelne Vorrichtung zu verwenden, welche die Bildung eines Temperaturgradienten ermöglicht, um gleichzeitig die Keramikmatrix und die Metallmatrix, an welche Metallfolien gebondet werden, zu erwärmen.
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Als ein Verfahren basierend auf Induktions-Erwärmen können beispielsweise das Verfahren, wie in 3A gezeigt, des Platzierens von Spulen an den zu erwärmenden Orten und die Ströme und Frequenzen, welche zu den Spulen laufen, dazu zu bringen, dass sie sich unterscheiden, um einen Temperaturgradienten zu bilden, und das Verfahren, wie in 3B gezeigt, des Durchführens eines Induktions-Erwärmens an der Metallmatrix(12)-Seite und ein Verwenden, dass Strahlungswärme die Temperatur der Keramikmatrix(11)-Seite erhöht, verwendet werden.
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Indem ein Verfahren Laser-Heizen bzw. Laser-Erwärmen verwendet, wie in 4 gezeigt ist, ist es durch ein Schießen verschiedener Leistungen von Laser auf die Bonding-Schnittstelle der Keramikmatrix (11) und der Metallfolie (17) und die Bonding-Schnittstelle der Metallmatrix (12) und der Metallfolie (17) möglich, einen Temperaturgradienten zu bilden.
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Mit einem Erwärmen durch Lichtbogenplasma ist es durch ein Anordnen einer Metallmatrix und einer Keramikmatrix, an welche Metallfolien gebondet sind, an Orten, an denen Plasma erzeugt wird, und ein Verwenden der Tatsache, dass die Temperatur sich mit dem Abstand unterscheidet, möglich, einen Temperaturgradienten zu bilden.
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In dem Fall eines Widerstands-Heizens bzw. Widerstands-Erwärmens wird die Wärme, welche durch einen Kontaktwiderstand in dem Fall der Leitung in dem Zustand, in dem die Metallfolie das Werkstück kontaktiert, erzeugt wird, verwendet.
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In beiden Fällen ist es möglich, wenn die Temperaturverteilung der Bonding-Oberflächen nicht einheitlich ist, von den Merkmalen der Erwärmungserfahren zum Erwärmen zum Realisieren eines Bondings bzw. Bonds Gebrauch zu machen.
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Als das Keramikmaterial, auf welches das Bonding-Verfahren der vorliegenden Erfindung angewendet werden kann, kann beispielsweise ein Material, welches aus SiC besteht, zu welchem Si hinzugefügt wurde, und welches eine elektrische Leitfähigkeit hat, verwendet werden. Diese Erfindung kann auch auf eine andere Nicht-Oxid-Typ-Keramik oder auf eine Oxid-Typ-Keramik angewandt werden.
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Das metallische Material muss nur eine wärmebeständige Legierung sein, welche unter einer Umgebung mit einer hohen Temperatur verwendet werden kann. Rostfreier Stahl (stainless steel) in Inconel® sind typische Beispiele.
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Die Metallfolie, welche an die Keramikmatrix gebondet wird, kann ein Material sein, welches in eine Keramikmatrix diffundieren kann. Beispielsweise kann Cr als die Metallfolie verwendet werden, wenn die Keramikmatrix aus SiC besteht, zu welchem Si hinzugefügt ist.
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Die Metallfolie, welche mit der Metallmatrix bondet, ist ähnlich ein Material, welches in eine Metallmatrix diffundieren kann. Beispielsweise kann Cr verwendet werden, wenn die Metallmatrix Inconel® ist.
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Die Metallfolie, welche mit der Keramikmatrix bondet, und die Metallfolie, welche mit der Metallmatrix bondet, müssen nicht aus demselben metallischen Material bestehen, aber aus demselben Material zu bestehen, ist aus dem Gesichtspunkt der Bonding-Stärke vorteilhaft.
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Die Keramikmatrix und die Metallmatrix, an welche Metallfolien gebondet werden, werden unter Berücksichtigung der Diffusion der Metallfolien zu den Materialien auf die optimale Temperatur erwärmt.
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Beispielsweise ist, wenn eine Cr-Folie an SiC, zu welchem Si hinzugefügt ist, gebondet wird, ein Erwärmen auf 900 bis 1300°C ausreichend zur Diffusion von Cr. Wenn eine Cr-Folie mit Inconel® gebondet wird, ist ein Erwärmen auf 1200°C oder mehr zur Diffusion von Cr geeignet.
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Durch ein Verwenden der obenstehend erwähnten Verfahren zum Erwärmen der Keramikmatrix und der Metallmatrix auf ihre optimalen Temperaturen ist es möglich, Diffusionsschichten mit ansteigenden linearen Ausdehnungskoeffizienten zu bilden.
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Wenn eine Cr-Folie an SiC gebondet wird, zu welchem Si hinzugefügt ist und dann erwärmt wird, diffundiert das Cr während es mit dem SiC oder Si reagiert, um CrSi, CrC oder eine andere Legierung zu bilden und eine Diffusionsschicht mit einem ansteigenden linearen Ausdehnungskoeffizienten zu bilden.
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Wenn eine Cr-Folie an Inconel® gebondet wird und diese erwärmt werden, diffundiert Cr in die Matrix, wodurch eine Diffusionsschicht mit einem ansteigenden linearen Ausdehnungskoeffizienten gebildet wird.
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Wenn diese Diffusionsschichten gebildet werden, werden die Metallschichten, welche von den Metallfolien verbleiben, an den Oberflächen der Metallfolien freigelegt. Mit Metallschichten, welche an den Oberflächen freiliegend sind, kann ein Erwärmen oder Pressen verwendet werden, um die Keramikmatrix und die Metallmatrix zu bonden, wo die Diffusionsschichten gebildet sind.
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Beim Bonden einer Keramikmatrix und einer Metallmatrix ist ein Ändern der Bedingungen der oben erwähnten Wärmequelle effektiv bzw. wirksam. Weiterhin wird es durch ein Pressen und ein Erzeugen einer neu gebildeten Oberfläche von Metall möglich, effizient ein Bonden durch Metall-Bonden durchzuführen (5).
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Die Keramikmatrix und die Metallmatrix können gebondet werden, nachdem die oben erwähnten Diffusionsschichten fertig geformt sind oder während die Diffusionsschichten gebildet werden.
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Weiterhin ist es als ein Verfahren zum Verwenden eines Temperaturunterschieds effektiv, Materialien zusammenzubringen, für welche ein Diffusion bei einer hohen Temperatur erwünscht ist, und sie bei einer hohen Temperatur zu bonden, dann die gebondete Metallfolienseite und die Materialien, für welche eine Diffusion bei einer geringen Temperatur erwünscht wird, zusammenzubringen und sie bei einer niedrigen Temperatur zu bonden. In diesem Fall wird der Vorgang des Bondens von Metallfolien unnötig.
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Wenn das Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet wird, um SiC und Inconel® zu bonden, an welches Cr-Folien gebondet sind, wird eine Diffusionsschicht mit einem ansteigenden linearen Ausdehnungskoeffizienten mit einem Durchschnitt von 7 × 10–6/°C gebildet zwischen dem SiC mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten von 5 × 10–6/°C und der Cr-Metallschicht mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten von 8 × 10–6/°C. Weiterhin wird eine Diffusionsschicht mit ein einem ansteigenden linearen Ausdehnungskoeffizienten eines Durchschnitts von 10 × 10–6/°C zwischen der Cr-Metallschicht und Inconel® mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten von 13 × 10–6/°C gebildet. Der lineare Ausdehnungskoeffizient hängt von dem Verhältnis von Cr ab und kann frei aus der Diffusionsmenge von Cr gewählt werden. Auch wenn eine Metallfolie anders als Cr verwendet wird, ist ein ähnliches Design bzw. ein ähnlicher Aufbau möglich.
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Wie obenstehend erklärt, wird eine Schicht mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten, welcher kontinuierlich ansteigt, zwischen dem SiC und Inconel® gebildet, so ist es möglich, eine Stärke zu realisieren, durch welche SiC nicht aufgrund der Zugbelastung bricht, welche zu der Zeit einer hohen Temperatur, auch unter einer Umgebung mit einer hohen Temperatur erzeugt wird.
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Das Beispiel, welches obenstehend erklärt ist, ist nur ein Beispiel. Auch wenn eine andere Keramik oder ein anderes Metall verwendet werden, ist es möglich, die Dicke der Diffusionsschicht oder den linearen Ausdehnungskoeffizienten zu entwerfen bzw. designen, um einen Bruch der Keramik oder des Metalls durch eine strukturelle Analyse etc. zu vermeiden und die vorliegende Erfindung anzuwenden.
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Die gebondete Struktur von Keramik und Metall der vorliegenden Erfindung ist zum Bonden einer Kohlenwasserstoff-basierten Keramik, welche ein Material für einen Katalysator oder Thermistor bildet, welcher in einer Umgebung mit einer hohen Wärmebeständigkeit verwendet wird, und einer hoch wärmebeständige Legierung zum Erhalten elektrischer Leitung (Edelstahl, Ni-Stahl, etc.) geeignet.
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Während die Erfindung durch Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben worden ist, welche für Zwecke der Veranschaulichung gewählt wurden, sollte es offensichtlich sein, dass zahlreiche Abwandlungen hieran durch Fachleute getätigt werden können, ohne von dem Basiskonzept und dem Umfang der Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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