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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung einer dynamischen Steifigkeit eines Objekts nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die Steifigkeit eines Objekts ist allgemein ein Maß für den Widerstand des betreffenden Objekts gegen eine elastische Verformung, die durch die Einwirkung einer äußeren Kraft oder eines äußeren Drehmoments hervorgerufen wird. Die Steifigkeit hängt dabei unmittelbar von der Elastizität des Werkstoffs, aus dem das Objekt hergestellt ist, und darüber hinaus auch von der Geometrie des Objekts ab. Abhängig von der Art der äußeren, auf das Objekt einwirkenden Belastung wird zwischen einer Dehnsteifigkeit, einer Torsionssteifigkeit sowie einer Biegesteifigkeit unterschieden.
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Steifigkeiten sind zum Beispiel im Automobilbau von großer Bedeutung. So beeinflussen die Torsions- und Biegesteifigkeit einer Fahrzeugkarosserie in einem hohen Maße den Komfort sowie den Qualitätseindruck eines Kraftfahrzeugs. Die Torsionssteifigkeit hat überdies einen erheblichen Einfluss auf das Fahrverhalten des Kraftfahrzeugs. Eine hohe Steifigkeit der Fahrzeugkarosserie führt darüber hinaus zu einer Verbesserung der Entkopplung von elastisch angebunden Fahrwerkskomponenten und Aggregatlagerungen geringen Relativbewegung von Anbauteilen. Dadurch kann der Körperschalleintrag in die Karosserie und damit das Geräuschniveau im Fahrzeug das Geräuschniveau auch auf unebenen Fahrbahnen merklich verringert werden.
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Für den Komfort und den Qualitätseindruck eines Kraftfahrzeugs ist in erster Linie die dynamische Steifigkeit beziehungsweise die Lage der Eigenfrequenzen von Bedeutung. Die dynamische Steifigkeit kann nicht direkt gemessen werden, statt dessen wird die Lage der ersten Eigenfrequenz, die proportional von der dynamischen Steifigkeit anhängig ist, als relatives Maß genommen. Ein weiteres Ziel bei der konstruktiven Auslegung eines Kraftfahrzeugs ist in erster Linie eine Verschiebung der Eigenfrequenzen zu möglichst hohen Frequenzen, damit diese im typischen Alltagsfahrbetrieb des Kraftfahrzeugs wesentlich seltener vorkommen als niedrigere Frequenzen über den typischen Anregungsfrequenzen. Ferner sollte das Auftreten von Eigenfrequenzen im Bereich typischer Anregungsfrequenzen, wie sie zum Beispiel beim Befahren unebener Straßen hervorgerufen werden liegen, möglichst vermieden werden.
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Die statische Torsionssteifigkeit und die Biegesteifigkeit sind aus mechanischer Sicht Federkonstanten. Die Torsionssteifigkeit ist definiert als Quotient aus dem Drehmoment, welches die Verdrehung des Objekts bewirkt, und dem durch die Einwirkung des Drehmoments induzierten Verdrehwinkel. Die Torsionssteifigkeit hängt vom Elastizitätsmodul des Werkstoffs, aus dem das Objekt hergestellt ist, von der Objektgeometrie sowie vom Abstand zwischen den Verdrehachsen ab. Die Biegesteifigkeit eines Objekts ist definiert als Quotient einer die Durchbiegung bewirkenden Kraft und der maximalen Durchbiegung. Bei entsprechenden Biegeversuchen wird das zu untersuchende Objekt auf mindestens zwei voneinander beabstandeten Auflagermitteln möglichst schwingungsfrei und von der Umgebung entkoppelt gelagert. Anschließend wird eine Kraft auf das Objekt ausgeübt, welche die Durchbiegung des Objekts hervorruft. Es zeigt sich, dass die Biegesteifigkeit vom Elastizitätsmodul des Werkstoffs, aus dem das Objekt hergestellt ist, von der Objektgeometrie und vom Abstand zwischen den Auflagermitteln abhängt. Darüber hinaus beeinflusst die Art der Belastung die Biegesteifigkeit des Objekts. Es macht zum Beispiel einen Unterschied, ob das Objekt mit einer Einzelkraft, die in der Mitte zwischen den beiden Auflagermitteln angreift oder mit einer außermittig angreifenden Einzelkraft oder mit einer linear zwischen den Auflagermitteln wirkenden Last oder einer Flächenlast beaufschlagt wird.
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Um die dynamische Biegesteifigkeit eines Objekts zu bestimmen, sind entsprechende Verfahren der eingangs genannten Art aus dem Stand der Technik bekannt. Dabei wird das zu untersuchende Objekt zunächst schwingungstechnisch von der Umgebung entkoppelt und mit Hilfe mindestens eines Schwingungsanregungsmittels in Schwingungen versetzt. Diese Schwingungen werden mit Hilfe von Sensormitteln an verschiedenen Positionen des Objekts erfasst. Die Anregungsgröße und die Schwingungen des Objekts werden rechnerbasiert durch geeignete mathematische Verfahren im Hinblick auf die Schwingungsfrequenzen ausgewertet, um dadurch die Resonanzfrequenz und damit ein Maß für die dynamische Steifigkeit des Objekts zu bestimmen.
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Die
DE 10 2010 012 781 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Karosserieverformung eines Fahrzeugs mit Aktoren, die über die Räder des Fahrzeugs dem Fahrzeug ein Torsionsmoment einprägen, wobei pro Rad des Fahrzeugs ein Aktor vorgesehen ist, und mit einer Fixiereinrichtung, mit der die Karosserie auf eine entsprechende Höhe relativ zu den Aktoren gedrückt oder gezogen wird, sowie mit mindestens einem Sensor, anhand dessen die Karosserieverformung des Fahrzeugs messbar ist. Ferner offenbart diese Druckschrift eine Vorrichtung zur Bestimmung der Karosserieverformung eines Fahrzeugs.
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Die
DE 10 2010 013 061 A1 beschreibt einen flexiblen Prüfstand zur Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen einer Karosserie und einem zu prüfenden Bauteil. Die Karosserie eines Fahrzeugs wird dabei als Leiterrahmen nachgebildet, der verstellbare und/oder austauschbare Querträger sowie verstellbare und/oder austauschbare Elemente aufweist, so dass charakteristische Größen der Karosserie, insbesondere deren statische und dynamische Biege- und Torsionssteifigkeiten, einstellbar sind.
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Die Messung der dynamischen Steifigkeit eines Objekts sowie die Analyse und Interpretation der Messergebnisse sind erfahrungsgemäß relativ aufwändig und erfordern daher ein hohes Maß an Expertenwissen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung einer dynamischen Steifigkeit eines Objekts der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, das besonders einfach durchführbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bestimmung einer dynamischen Steifigkeit eines Objekts umfasst die Schritte
- a) Positionieren des Objekts auf einer Schwingungsentkopplungseinrichtung,
- b) Positionieren einer Anzahl von Sensormitteln, die jeweils zur Erfassung zumindest einer kinematischen Messgröße eingerichtet sind, an dem Objekt und/oder in der Nähe des Objekts,
- c) Positionieren mindestens eines Schwingungsanregungsmittels an/oder in der Nähe des Objekts, oder Nutzung der Vorrichtung aus a) zur Schwingungsanregung
- d) Anregen des Objekts mit dem mindestens einen Schwingungsanregungsmittel,
- e) Erfassen der Größe der Anregung des Objekts im Schritt d) und Erfassen der kinematischen Messgrößen der Sensormittel,
- f) Bestimmen der Resonanzfrequenzen als Maß für die der dynamischen Steifigkeit des Objekts aus der im Schritt e) erfassten Größe der Anregung des Objekts und den kinematischen Messgrößen der Sensormittel.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das Verfahren während oder nach Abschluss eines Produktionsprozesses des Objekts automatisiert durchgeführt wird. Es erleichtert die Durchführung der Messungen sowie die Auswertung beziehungsweise Interpretation der Messergebnisse und eignet sich zum Beispiel zur Bestimmung der dynamischen Steifigkeit von Kraftfahrzeugkarosserien oder Teilen davon während oder nach Abschluss des Produktionsprozesses. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil, dass dabei steifigkeitsrelevante Prozesse, wie zum Beispiel das Schweißen, Kleben, Löten oder dergleichen, fortlaufend überwacht werden können. Weitere Anwendungsgebiete sind zum Beispiel dynamische Steifigkeitsuntersuchungen von Strukturen von Luft-, See- oder Raumfahrzeugen oder deren Teilen. Für die Erfassung der Schwingungen eignen sich bei dem hier vorgestellten Verfahren berührende oder auch berührungslose Messverfahren, mittels derer Weg-, Geschwindigkeits- oder Beschleunigungsmessungen durchgeführt werden können. Insbesondere können Lasermessvorrichtungen oder Beschleunigungssensormittel verwendet werden. Die automatisierte Durchführung des Verfahrens während beziehungsweise am Ende des Produktionsprozesses des Objekts ermöglicht in vorteilhafter Weise eine fortlaufende Qualitätskontrolle. Mögliche Fehlerquellen können dadurch rascher erkannt und entsprechend korrigiert werden, so dass die Fertigungsqualität ebenfalls verbessert werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass das Objekt im laufenden Produktionsprozess mittels mindestens einer Positioniereinrichtung, insbesondere mittels mindestens einer Robotereinrichtung, auf der Schwingungsentkopplungseinrichtung positioniert wird. Dadurch wird eine exakte automatische Positionierung des Objekts auf der Schwingungsentkopplungseinrichtung ermöglicht.
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Vorzugsweise kann das Objekt nach der Bestimmung der dynamischen Steifigkeit mittels mindestens einer Positioniereinrichtung insbesondere mittels mindestens einer Robotereinrichtung, von der Schwingungsentkopplungseinrichtung entfernt werden. Dabei kann es sich um diejenige Positioniereinrichtung handeln, die bereits für das Positionieren des Objekts auf der Schwingungsentkopplungseinrichtung verwendet wurde.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform besteht die Möglichkeit, dass die Sensormittel mittels mindestens einer Positioniereinrichtung, insbesondere mittels mindestens einer Robotereinrichtung, an dem Objekt oder in der Nähe des Objekts positioniert werden. Dadurch wird eine exakte automatische Positionierung der Sensormittel ermöglicht. Ein manuelles Nachjustieren der Positionen der Sensormittel kann dadurch in vorteilhafter Weise vermieden werden. Weiterhin wird dadurch eine exakte Positionierung des Messobjektes umgangen. Nach der Durchführung der Messungen können die Sensormittel mittels der mindestens einen Positioniereinrichtung wieder entfernt werden.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine Schwingungsanregungsmittel mittels mindestens einer Positioniereinrichtung, insbesondere mittels mindestens einer Robotereinrichtung, in der Nähe des Objekts positioniert wird. Dadurch wird eine exakte automatische Positionierung des mindestens einen Schwingungsanregungsmittels, die vorteilhaft ohne weitere manuelle Justagearbeiten erfolgen kann, ermöglicht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform können die Größe der Anregung des Objekts und die Schwingungen des Objekts im Frequenzbereich ausgewertet und zur Bildung einer Übertragungsfunktion miteinander ins Verhältnis gesetzt werden. Die Auswertung erfolgt vorzugsweise durch eine Fourieranalyse oder durch eine schnelle Fourieranalyse. Dadurch wird die Übertragungsfunktion zwischen der äußeren Kraft, welche die Schwingungen erzeugt, und der gemessenen Beschleunigung des Objekts, welche die Strukturantwort des Objekts auf die äußere Schwingungsanregung ist, gebildet. Diese Übertragungsfunktion stellt eine mathematische Beziehung zwischen der äußeren Kraft als Erregergröße und der Beschleunigung des Objekts im Frequenzraum zur Verfügung. Die Lage der Minima und Maxima der Übertragungsfunktion gibt Hinweise auf die so genannten Eigenfrequenzen formen (Schwingungsmoden) des Objekts. Die diskreten Frequenzen, bei denen die Resonanzen Schwingungsmoden auftreten, sind ein Maß für die dynamische Steifigkeit des Objekts.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Lage eines ersten Maximums im Frequenzgang auf ein Soll-Frequenzintervall f1 ± Δf gesetzt wird und durch einen automatisierten Soll-Ist-Vergleich überprüft wird, ob die gemessene Ist-Frequenz des ersten Maximums innerhalb des Soll-Frequenzintervalls f1 ± Δf liegt. Wenn die gemessene Ist-Frequenz des ersten Maximums innerhalb des Soll-Frequenzintervalls f1 ± Δf liegt, weist das Objekt die erforderliche dynamische Biege- oder Torsionssteifigkeit auf. Wenn die Ist-Frequenz außerhalb des Soll-Frequenzintervalls f1 ± Δf liegt und somit größer oder kleiner ist, entspricht die dynamische Biegesteifigkeit des Objekts nicht den Anforderungen. Die Auswertung lediglich einer Frequenz verringert in vorteilhafter Weise den Rechen- und Auswerteaufwand.
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Vorzugsweise kann als Schwingungsanregungsmittel zumindest ein Luftschallerzeugungsmittel, insbesondere ein Lautsprecher, oder ein Körperschallerzeugungsmittel, insbesondere eine Schlagvorrichtung oder ein elektrodynamisches beziehungsweise hydrodynamisches Schwingungsanregungsmittel oder durch Modulation der Entkopplungseinrichtung, verwendet werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Dabei zeigen
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1 eine schematische Darstellung eines balkenförmigen Objekts, das mit einer äußeren Kraft beaufschlagt werden kann, und einer Messanordnung zur Bestimmung einer dynamischen Biegesteifigkeit des Objekts,
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2 ein Funktionsablaufdiagramm eines Verfahrens zur Bestimmung der dynamischen Biegesteifigkeit des Objekts.
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Unter Bezugnahme auf 1 und 2 sollen nachfolgend der Ablauf eines Verfahrens zur Bestimmung einer dynamischen Steifigkeit eines Objekts 1 sowie eine Messanordnung, die für eine Durchführung eines derartigen Verfahrens geeignet ist, näher erläutert werden.
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In einem ersten Schritt 100 wird das zu untersuchende Objekt 1, das vorliegend aus Gründen der Vereinfachung der zeichnerischen Darstellung ein balkenförmiges Objekt ist, auf einer Schwingungsentkopplungseinrichtung 2 positioniert. Die Schwingungsentkopplungseinrichtung 2 umfasst vorliegend zwei Auflagermittel 20, 21 mit Schwingungsdämpfungsmitteln, insbesondere Luftfedern. Das Objekt 1 wird auf den Auflagermitteln 20, 21 positioniert und dadurch schwingungstechnisch von der Umgebung entkoppelt. Das Positionieren des Objekts 1 auf der Schwingungsentkopplungseinrichtung 2 erfolgt automatisiert, insbesondere mittels einer Positioniereinrichtung 5, die zum Beispiel eine Robotereinrichtung sein kann.
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In einen einem zweiten Schritt 200 werden mehrere Sensormittel 3, die jeweils zur Erfassung zumindest einer kinematischen Messgröße (Weg, Geschwindigkeit oder Beschleunigung) eingerichtet sind, an dem Objekt 1 oder in der Nähe des Objekts 1 positioniert. Das Positionieren der Sensormittel 3 erfolgt ebenfalls austomatisiert, vorzugsweise mit Hilfe einer oder mehrerer Positioniereinrichtungen 6, die ebenfalls Robotereinrichtungen sein können. Für eine Erfassung der Schwingungen des Objekts 1, die von mindestens einem Schwingungsanregungsmittel 4 induziert werden, eignen sich berührende oder auch berührungslose Messverfahren, mittels derer Weg-, Geschwindigkeits- oder Beschleunigungsmessungen durchgeführt werden können. Entsprechend sind die Sensormittel 3 für die Erfassung zumindest einer kinematischen Messgröße (Weg, Geschwindigkeit oder Beschleunigung) eingerichtet. Die Sensormittel 3 können zum Beispiel entsprechend ausgebildete Lasermessvorrichtungen oder Beschleunigungserfassungsmittel sein.
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In einem dritten Schritt 300 wird mindestens ein Schwingungsanregungsmittel 4, mittels dessen das Objekt 1 zu Schwingungen angeregt werden kann, mit Hilfe einer Positioniereinrichtung 7, insbesondere mittels einer Robotereinrichtung, automatisiert in der Nähe des Objekts 1 positioniert. Als Schwingungsanregungsmittel 4 kann zum Beispiel ein Lautsprecher zur Erzeugung von Luftschall verwendet werden. Alternativ kann als Schwingungsanregungsmittel 4 auch eine Schlagvorrichtung oder ein elektrodynamisches beziehungsweise hydrodynamisches Schwingungsanregungsmittel zur Erzeugung von Körperschall verwendet werden.
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Die Positioniereinrichtungen 5, 6, 7 werden automatisiert mittels einer Steuerungseinrichtung 9 gesteuert.
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In einem nächsten Schritt 400 (Anregungsschritt) wird das Objekt 1 mittels des mindestens einen Schwingungsanregungsmittels 4 angeregt und in Schwingungen versetzt.
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In einem nächsten Schritt 500 werden die Größe der im vorhergehenden Schritt 400 erfolgten Anregung des Objekts 1 und die kinematischen Messgrößen der Sensormittel 3 erfasst und aufgezeichnet.
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Im nachfolgenden Schritt 600 werden die Größe der Anregung des Objekts 1 und die Schwingungen mittels einer Auswerteeinrichtung 8 durch ein geeignetes mathematisches Auswerteverfahren, insbesondere durch eine Fourieranalyse oder durch eine schnelle Fourieranalyse, im Frequenzbereich ausgewertet und mathematisch zueinander ins Verhältnis gesetzt (d.h. dividiert). Auf diese Weise wird eine Übertragungsfunktion erhalten. Die Maxima beziehungsweise Minima der Übertragungsfunktion liefern Hinweise auf die so genannten Eigenformen (Schwingungsmoden) des Objekts 1. Die diskreten Schwingungsfrequenzen, bei denen die Eigenformen auftreten, sind ein Maß für die dynamische Steifigkeit des Objekts 1.
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Die Lage des ersten Maximums im Frequenzgang, aus der bereits valide Informationen über die dynamische Steifigkeit des Objekts 1 gewonnen werden können, wird auf einen ersten Sollfrequenzwert f1 gesetzt, wobei ein Schwankungsbereich Δf festgelegt wird, um unkritische Frequenzschwankungen zu berücksichtigen. Die gemessene Frequenz wird mittels der Auswerteeinrichtung 8 automatisiert einem Soll-Ist-Vergleich unterzogen.
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Liegt die gemessene Ist-Frequenz des ersten Maximums innerhalb des Soll-Frequenzintervalls f1 ± Δf, weist das Objekt 1 die erwartete dynamische Biegesteifigkeit auf. Wenn die Ist-Frequenz außerhalb des Soll-Frequenzintervalls f1 ± Δf liegt, entspricht die dynamische Biegesteifigkeit des Objekts 1 nicht den Anforderungen.
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Das Verfahren wird während des Produktionsprozesses des Objekts 1 automatisiert durchgeführt. Zum Beispiel kann das Verfahren in der laufenden Produktion von Kraftfahrzeugkarosserien oder Teilen von Kraftfahrzeugkarosserien eingesetzt werden. Es bietet den Vorteil, dass dabei steifigkeitsrelevante Prozesse, wie zum Beispiel das Schweißen, Kleben, Löten oder dergleichen, fortlaufend überwacht werden können. Weitere Anwendungsgebiete sind zum Beispiel dynamische Steifigkeitsuntersuchungen von Strukturen von Luft-, See- oder Raumfahrzeugen oder Teilen davon.
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Das hier vorgestellte Verfahren kann zum Beispiel am Ende des Produktionsprozesses des Objekts 1 durchgeführt werden. Alternativ kann das Verfahren auch während der laufenden Fertigung als Qualitätsüberwachungsverfahren an einer oder mehreren Fertigungsprozessstationen durchgeführt werden. Mögliche Fehlerquellen können so bereits frühzeitig während der Produktion erkannt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010012781 A1 [0007]
- DE 102010013061 A1 [0008]
