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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes durch Verfestigen eines Baumaterials. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum An- und Abkoppeln einer Bauunterlage an einer höhenverstellbaren Trägervorrichtung in einer derartigen Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes.
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Bekannte Maschinen zum additiven Herstellen von dreidimensionalen Objekten durch schichtweises Verfestigen eines verfestigbaren Materials weisen einen Bauraum und einen Baubehälter auf, in dem das herzustellende Objekt auf einer Bauunterlage hergestellt wird. Das zu verfestigende Material wird als Schicht über der Bauunterlage aufgetragen und an dem Querschnitt des Objekts entsprechenden Stellen verfestigt. Daraufhin wird die Plattform um eine Schichtdicke abgesenkt und die nächste Schicht aufgetragen und verfestigt und dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis das Objekt vollständig hergestellt ist.
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Ein Beispiel für den Ablauf des Herstellungsvorgangs findet sich in der
EP 1 925 430 B1 .
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Eine weitere derartige Vorrichtung ist aus der
EP 1 037 739 B2 bekannt. Die Vorrichtung umfasst einen Wechselbehälter als Baubehälter, in dem das Objekt hergestellt wird und der unmittelbar nach Fertigstellung des Objektes mit diesem aus der Maschine heraus entnommen werden kann. Der Wechselbehälter umfasst einen Wechselrahmen und einen Baubehälterboden, welcher als Bauunterlage dient. Die Bauunterlage kann über Verriegelungselemente, z. B. Schraubenelemente, mit einer in der vertikalen Richtung bewegbaren Trägervorrichtung verbunden werden. Dadurch wird die Bauunterlage in dem Wechselbehälter höhenverstellbar integriert.
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Aus der
EP 1 925 430 B1 ist eine Vorrichtung bekannt, welche ebenfalls einen Wechselbehälter mit Baubehälterboden, der als Bauunterlage dient, umfasst. Dabei ist in der Vorrichtung ein Kopplungsmechanismus vorgesehen, mit dem der Wechselbehälter in der Vorrichtung aufgenommen und die Bauunterlage mit einem Antrieb verbunden werden kann. Zwischen der Bauunterlage und der Innenseite des Wechselrahmens befindet sich ein kleiner Spalt, so dass die Bauunterlage vertikal in dem Wechselbehälter verschiebbar ist. Um zu vermeiden, dass Aufbaumaterial durch den Spalt hindurch tritt, ist eine Dichtung vorgesehen, welche ringförmig entlang des Randes der Bauunterlage unterhalb der Bauunterlage angeordnet und aus flexiblem Material gebildet ist. Im eingesetzten Zustand des Behälters ist die Dichtung im Bereich des Spaltes leicht abgewinkelt und liegt an der Innenwandung des Behälters unter einer leichten Spannung an. Aufgrund der Flexibilität und der damit begründeten Spannung soll eine Selbstzentrierung der Bauunterlage in dem Wechselrahmen ermöglicht werden.
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Aus der
EP 0 734 842 ist eine Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes mit einem Objektträger, der mittels einer Höheneinstellvorrichtung in vertikaler Richtung verschiebbar ist. Auf der Oberseite des Objektträgers ist eine vorgefertigte Platte als Bauplattform angeschraubt, welche als Bauunterlage für das zu bildende Objekt dient. Nach der Beendigung des Bauprozesses wird der Objektträger nach oben aus dem Baubehälter herausgefahren und die vorgefertigte Platte zusammen mit dem darauf gebildeten Objekt abgeschraubt. Je nach Form des herzustellenden Objektes kann die vorgefertigte Platte nun Teil des Objektes sein oder muss anschließend von dem Objekt abgetrennt werden.
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Bei dem im Stand der Technik bekannten Vorrichtungen erfolgt die Befestigung des Baubehälterbodens an der Trägervorrichtung mechanisch über Kipphebel. Weiterhin wird die vorgefertigte Platte angeschraubt. In beiden Fälle stellt dies aus fertigungstechnischer Sicht und aus Justagesicht eine aufwendige Lösung dar. Aufgrund der formschlüssigen Verbindung des Baubehälterbodens erfolgt beim Verbinden stets eine geringe seitliche Schubbewegung. Diese kann zu einer schlechteren Zentrierung des als Bauunterlage dienenden Baubehälterbodens in dem Baubehälter führen. Eine schlechtere Zentrierung wiederum kann einerseits zu einer größeren Reibung zwischen der Bauunterlage und den Wänden des Baubehälters und zu einem Verschieben der Bauunterlage in dem Baubehälter führen. Dadurch können sich trotz der Dichtung Spalte bilden, welche ein Hindurchtreten des Aufbaumaterials zulassen, was sowohl Materialverluste als auch Verschmutzungen des Antriebs durch das Material zur Folge haben kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts bereitzustellen, bei der die Bauunterlage auf einfache Weise und unter Vermeidung einer seitlichen Schubbewegung an eine Trägervorrichtung, welche an einen Vertikalantrieb gekoppelt ist, angebracht werden kann. Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung nach Patentanspruch 1 und ein Verfahren nach Patentanspruch 14.
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Als Bauunterlage wird dabei gemäß der Erfindung jenes Teil verstanden, auf dem das Objekt hergestellt wird und das nach Abschluss des Herstellvorgangs zusammen mit dem Objekt der Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts entnommen wird. Je nach Ausgestaltung der Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts kann es sich also bei der Bauunterlage um den Boden eines Wechselbehälters oder um eine in
EP 0 734 842 beschriebene vorgefertigte Platte (auch als Bauplattform bezeichnet) handeln. Es sei erwähnt, dass es auch Anwendungen gibt, bei denen das Objekt nach Fertigstellung nicht unmittelbar auf der Bauunterlage ruht, sondern bei denen einige Schichten unverfestigten Materials oder Stützkonstruktionen zwischen Objekt und Bauunterlage vorhanden sind.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Bauunterlage in einfacher Weise über Magnete mittelbar oder unmittelbar an die Trägervorrichtung angekoppelt werden. Folglich kann die Bauunterlage durch eine vertikale Bewegung angebracht werden, so dass eine seitliche Schubbewegung vermieden wird. Da keine formschlüssigen Teile involviert sind, können der Baubehälter, die Bauunterlage und die Trägervorrichtung einfacher aneinander angepasst werden und sind somit modularer. Weder auf der Bauunterlage noch auf der Trägervorrichtung muss an genau der entsprechenden Stelle zu einer Verriegelungsvorrichtung der Gegenpart angebracht sein. Ferner treten keine mechanischen Verschleißerscheinungen auf und es kann auf Schmiermittel verzichtet werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass zum An- und Abkoppeln der Bauunterlage an die Trägervorrichtung nicht in den Baubehälter eingegriffen werden muss. Sollte die Bauunterlage möglicherweise in dem Baubehälter hängen bleiben, so kann sich die Bauunterlage automatisch von dem Vertikalantrieb ablösen. Auf diese Weise kann die Vorrichtung vor Schäden bewahrt werden.
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Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und anhand der beigefügten Zeichnungen. Von den Figuren zeigen:
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1 einen schematischen seitlichen Querschnitt der Vorrichtung am Beispiel einer Laser-Sintermaschine mit einem Wechselbehälter
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2 eine schematische perspektivische Ansicht des Wechselbehälters und des Vertikalantriebs der Vorrichtung von 1
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3 eine schematische perspektivische Ansicht des Wechselbehälters
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4 eine schematische perspektivische Detailansicht einer Ausführungsform eines Tragarms mit Magneten
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5 eine schematische perspektivische Detailansicht einer Ausführungsform im angekoppelten Zustand
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6 einen schematischen seitlichen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform.
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1 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes gemäß der vorliegenden Erfindung, die im Ausführungsbeispiel als Lasersintervorrichtung bzw. Laserschmelzvorrichtung ausgebildet ist.
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Die dargestellte Lasersintervorrichtung 1 weist ein Maschinengehäuse 2 auf, in dem ein Bauraum 3 untergebracht ist. Im oberen Bereich des Bauraums 3 ist eine Ablenkvorrichtung 4 eines Lasers 5 angeordnet, um den Laserstrahl 6 abzulenken und auf die Bauunterlage 7 bzw. darauf geschichtetes pulverförmiges Material 8 zu fokussieren, das schichtweise auf der Bauunterlage 7 durch einen Beschichter 9 aufgetragen wird. Das pulverförmige Material 8 wird dem Beschichter 9 aus einem nicht dargestellten Vorratsbehälter zugeführt. Das pulverförmige Material 8 kann beispielsweise ein Kunststoffpulver, ein Metallpulver, ein Keramikpulver oder ein Pulver aus kunststoffbeschichtetem Sand sein. Es sind jedoch auch alle anderen verfestigbaren pulverförmigen Materialien möglich.
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In den Bauraum 3 ist ein als Wechselbehälter 10 ausgebildeter Baubehälter einsetzbar, welcher aus den Seitenwänden 11 und dem Behälterboden 7 besteht. Der als Bauunterlage 7 dienende Behälterboden ist eine in vertikaler Richtung höhenverschiebbare Platte, welche über eine Dichtung zur Innenseite der Seitenwände abgedichtet sein kann (nicht gezeigt). Um die Höhenverfahrbarkeit der Bauunterlage 7 in vertikaler Richtung zu gewährleisten, ist eine Trägervorrichtung 12 vorgesehen, die in den Wechselbehälter 10 einführbar ist und an welcher die Bauunterlage 7 befestigbar ist. Des Weiteren ist ein Vertikalantrieb 13 vorgesehen, mit dem über die Trägervorrichtung 12 die vertikale Position der Bauunterlage 7 einstellbar ist.
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Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwei Positionen der Bauunterlage 7 dargestellt: die oberste Stellung der Bauunterlage 7 innerhalb des Wechselbehälters 10 zu Beginn des Bauvorgangs und die unterste Stellung der Bauunterlage 7 innerhalb des Wechselbehälters 10 nach vollständiger Fertigstellung des dreidimensionalen Objekts.
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2 und 3 zeigen den oben beschriebenen Wechselbehälter in einer perspektivischen Ansicht, wobei sich die Bauunterlage 7 in der untersten Stellung innerhalb des Wechselbehälters 10 befindet.
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4 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Trägervorrichtung 12 als im Wesentlichen horizontal abstehender Tragarm 12' ausgebildet ist. Dieser ist direkt oder indirekt im Rückwandbereich des Bauraumes 3 (in 1 links) höhenverfahrbar geführt, wobei die Höhe über den Vertikalantrieb 13 eingestellt werden kann. Der entsprechende Wechselbehälter 10 weist dann in Verschieberichtung, d. h. in vertikaler Richtung verlaufende Eingriffsausnehmungen 19 auf (gezeigt in 3), durch die der Tragarm 12' hindurchgreifen kann.
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4 zeigt im unteren Bereich des Tragarms 12' eine horizontale Stützkonstruktion 16 an, welche in dieser Ausführungsform als Rahmenkonstruktion 16' ausgebildet ist und als solche Längsstreben 14 und Querstreben 15 umfasst. Dabei ist der Rahmenumfang kleiner als der Innenumfang des Rahmens aus den Seitenwänden 11, so dass die Rahmenkonstruktion 16' in den Rahmen aus den Seitenwänden 11 eingeführt werden kann.
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Auf der der Bauunterlage 7 zugewandten Seite der Rahmenkonstruktion 16' sind Magnete 17, beispielsweise drei, angebracht, welche eine Dreipunktauflage für die Bauunterlage 7 bilden. Eine Dreipunktauflage erlaubt eine einfache Anpassung an die Unterseite der Bauunterlage 7. Jedoch können auch mehr oder weniger als drei Magnete 17 auf der Rahmenkonstruktion 16' angebracht sein, z. B. auch zwei, vier, fünf oder sechs. In 4 weisen die Magnete 17 einen kreisförmigen Querschnitt auf. Die Magnete 17 können aber auch rechteckige oder andersförmige Querschnitte aufweisen. Mittels der Magnete 17 kann die Bauunterlage 7, sofern sie aus magnetisierbarem Material wie z. B. magnetisierbarem Metall oder magnetisierbaren Metalllegierungen gefertigt ist, direkt durch magnetische Anziehung an der Rahmenkonstruktion 16' und damit an die Trägervorrichtung 12, 12' angekoppelt werden.
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Aus 5 wird ersichtlich, dass alternativ und/oder zusätzlich auf der Unterseite der Bauunterlage 7 gegenstückig zu den Magneten 17 magnetisierbare Auflagen 18, z. B. aus Metall oder einer Metalllegierung, angebracht sein können. Diese können zum Beispiel eine rechteckige und/oder eine größere Querschnittsfläche als die entsprechenden Magnete 17 aufweisen. Jedoch sind auch andere Querschnittsflächen möglich.
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Die Magnete 17 können zum Beispiel Permanentmagnete oder Elektromagnete sein. Mögliche Permanentmagnete können z. B. Standardmagnete sein, welche in einem Temperaturbereich von bis zu 200°C zuverlässig arbeiten. Alternativ können die Permanentmagnete Spezialmagnete sein, welche in einem Temperaturbereich von bis zu 350°C zuverlässig arbeiten. Die Magnete 17 können auch mechanisch schaltbare Permanentmagnete sein, einzeln oder zum Beispiel in Form einer Magnetspannplatte, wie als Werkstückhalterung von Schleifmaschinen u. ä. bekannt.
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In einer weiteren Ausführungsform können Magnete 17 anstelle von oder zusätzlich zu den Magneten 17 an der Trägervorrichtung 12 an der Unterseite der Bauunterlage 7 angebracht sein (nicht gezeigt). In diesem Fall koppeln die Magnete an der Unterseite der Bauunterlage dann an den Magneten an der Trägervorrichtung 12 an oder aber an der Trägervorrichtung 12 selbst, sofern diese aus einem magnetisierbaren Material besteht oder mit magnetisierbaren Auflagen versehen ist.
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Die Magnete 17 und/oder die magnetisierbaren Auflagen 18 können in ihrer Höhe (vertikalen Lage) so gewählt werden, dass die Bauunterlage 7 möglichst plan zur Rahmenkonstruktion 16 der Trägervorrichtung 12 (also parallel dazu) aufliegt und so optimal zentriert werden kann. Die Höhe der Magnete 17 und/oder der magnetisierbaren Auflagen 18 kann z. B. mittels Stellschrauben eingestellt werden.
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Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden zunächst gegebenenfalls die Magnete 17 in ihrer Höhe justiert. Falls erforderlich werden zusätzlich der Rahmen 11 aus den Seitenwänden an seinem oberen Rand und/oder die Bauunterlage 7 in dem Wechselbehälter 10 horizontal ausgerichtet. Anschließend wird die Trägervorrichtung 12, 12' von unten direkt über die Magnete 17 oder indirekt über die magnetisierbaren Auflagen 18 an die Bauunterlage 7 gekoppelt. Dann wird der Bauvorgang gestartet. Nach Fertigstellung des dreidimensionalen Objekts wird die Trägervorrichtung 12, 12' von der Bauunterlage 7 abgekoppelt. Dies erfolgt im Falle von Permanentmagneten durch „Abreißen” der sich durch den Vertikalantrieb 13 weiter abwärts bewegenden Trägervorrichtung 12 von der Bauunterlage 7, welche sich in ihrer untersten Stellung innerhalb des Rahmens aus den Seitenwänden 11 nicht weiter abwärts bewegen kann. Im Falle von Elektromagneten erfolgt die Ablösung der Trägervorrichtung 12 von dem Baubehälterboden 7 durch zusätzliches Abstellen des Stroms. Im Falle von mechanisch schaltbaren Magneten erfolgt die Ablösung der Trägervorrichtung 12 von dem Baubehälterboden 7 durch mechanische Entkoppelung, zum Beispiel Exzenternocken, welche über eine entsprechende Mechanik angesteuert werden. Im Anschluss kann der Wechselbehälter 10 aus der generativen Fertigungsvorrichtung entnommen werden.
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Die Trägervorrichtung 12 ist nicht auf den gezeigten Tragarm 12' und die Verwendung zusammen mit der gezeigten Rahmenkonstruktion 16' beschränkt. Weitere Abwandlungen sind möglich, wie z. B. eine Ausbildung der Trägervorrichtung als Scherenheber, welcher über einen Spindelantrieb anhebbar und absenkbar ist. Statt der gezeigten Rahmenkonstruktion 16' könnte z. B. auch eine Platte, eine Gabel oder Ähnliches die Bauunterlage 7 von unten unterstützen.
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In einer weiteren Ausführungsform dient nicht der Baubehälterboden als Bauunterlage, sondern auf dem Baubehälterboden ist eine Bauplattform 7' als Bauunterlage angebracht, wie dies in 6 gezeigt ist. Die Bauplattform 7' ist kleiner als oder genauso groß wie der Baubehälterboden 7. Die Bauplattform 7' kann z. B. aus einem Material gefertigt sein, an welchem das Aufbaumaterial bei der Verfestigung anhaftet, z. B. aus dem Aufbaumaterial. Das Material kann insbesondere ein magnetisierbares Material sein.
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Vor Beginn eines Bauvorgangs wird die Bauplattform 7' an die Oberseite des Baubehälterbodens 7 angekoppelt. Hierzu weist die Bauplattform 7' an ihrer Unterseite mindestens einen Magneten 17 auf, über welchen die Bauplattform 7' an den Baubehälterboden 7 angekoppelt werden kann. Alternativ weist der Baubehälterboden 7 an seiner Oberseite mindestens einen Magneten 17 auf, über welchen die Bauplattform 7' an den Baubehälterboden 7 angekoppelt werden kann. Gegenstückig zu dem mindestens einen Magneten 17 kann entweder auf der Unterseite der Bauplattform 7' oder auf der Oberseite des Baubehälterbodens 7 mindestens eine magnetisierbare Auflage 18 angebracht sein. Auch hier kann die Höhe der Magnete 17 und/oder der magnetisierbaren Auflage 18, z. B. mittels Stellschrauben eingestellt werden. Der Magnet kann ein Permanent- oder ein Elektromagnet oder ein mechanisch schaltbare Magnet sein. Nach Beendigung des Bauvorgangs wird dann die Bauplattform zusammen mit dem gefertigten Objekt der generativen Fertigungsvorrichtung entnommen. Dies kann wiederum durch „Abreißen” von dem Baubehälterboden und ggf. durch zusätzliches Abstellen der Stromzufuhr (bei Verwendung von Elektromagneten) geschehen. Die vorgefertigte Bauplattform 7' kann je nach Form des zu bauenden Objektes entweder Teil des Objektes sein oder anschließend von dem Objekt abgetrennt werden. Der Baubehälterboden 7 selbst kann entweder über eine mechanische Kopplung oder über die oben beschriebene magnetische Kopplung an der Trägervorrichtung 12 angebracht sein.
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Alternativ kann die Bauplattform 7', welche als Bauunterlage dient, direkt an einer Trägervorrichtung 12, 12' befestigt werden. Die Trägervorrichtung 12, 12' kann wiederum wie oben beschrieben eine Stützkonstruktion 16 aufweisen, welche z. B. als Platte ausgebildet ist. Für den Fall, dass die Bauplattform 7' an die Trägervorrichtung 12, 12' über mindestens einen Magneten 17 angekoppelt wird, sind alle oben aufgeführten Varianten hinsichtlich des Magneten/der Magnete 17 und/oder der magnetisierbaren Auflage/Auflagen 18 realisierbar.
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Weitere Abwandlungen der beschriebenen Vorrichtung 1 und des Verfahrens sind möglich. So ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine Lasersintervorrichtung bzw. Laserschmelzvorrichtung gemäß 1 und 2 beschränkt. Anwendbar ist die vorliegende Erfindung zum Beispiel auch auf eine Elektronenstrahlsintervorrichtung oder Elektronenstrahlschmelzvorrichtung, auf Maskensintervorrichtungen, die eine ausgedehnte Lichtquelle und eine Belichtungsmaske vorsehen, auf Linienbelichter, bei denen beispielsweise ein Array von Laserdioden vorgesehen ist, sowie auf 3-D Drucker. Die Erfindung ist also anwendbar auf alle Vorrichtungen, bei denen ein Objekt durch ein generatives Schichtaufbauverfahren aus einem verfestigbaren Material schichtweise auf einer mittelbar oder unmittelbar an einer Trägervorrichtung zu befestigenden Bauunterlage aufgebaut bzw. hergestellt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1925430 B1 [0003, 0005]
- EP 1037739 B2 [0004]
- EP 0734842 [0006, 0009]
