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Die Erfindung betrifft einen Magnesium-Schmelzofen.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb eines Magnesium-Schmelzofens und eine Magnesium-Gießanlage, die wenigstens einen Magnesium-Schmelzofen umfasst.
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Ein Magnesium-Schmelzofen betreffender Art dient dem Erzeugen und Bereitstellen von Magnesiumschmelze, die bspw. zum Druckgießen von Magnesiumbauteilen, insbesondere Kfz-Bauteilen, verwendbar ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Magnesium-Schmelzofen anzugeben, der wenigstens einen mit dem Stand der Technik einhergehenden Nachteil nicht oder zumindest nur in einem verminderten Umfang aufweist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen erfindungsgemäßen Magnesium-Schmelzofen entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Mit nebengeordneten Patentansprüchen erstreckt sich die Erfindung auch auf ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Magnesium-Schmelzofens und auf eine erfindungsgemäße Magnesium-Gießanlage bzw. Magnesium-Druckgießanlage, die wenigstens einen erfindungsgemäßen Magnesium-Schmelzofen umfasst. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich analog für alle Erfindungsgegenstände sowohl aus den abhängigen Patentansprüchen als auch aus den nachfolgenden Erläuterungen.
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Der erfindungsgemäße Magnesium-Schmelzofen weist einen Schmelzetiegel und ein den Schmelzetiegel aufnehmendes Gehäuse auf. Ferner weist der erfindungsgemäße Magnesium-Schmelzofen wenigstens einen Porenbrenner für die Beheizung des Schmelzetiegels auf.
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Porenbrenner sind als solche aus dem Stand der Technik bekannt, wozu bspw. auf die
DE 103 44 979 A1 und auf die
DE 43 22 109 A1 hingewiesen wird. Der Einsatz in einem Magnesium-Schmelzofen bzw. die Verwendung zur Beheizung eines Magnesium-Schmelzofens ist bislang jedoch nicht im Stand der Technik beschrieben.
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Bei dem Porenbrenner des erfindungsgemäßen Magnesium-Schmelzofens handelt es sich insbesondere um einen mittels Gas-Luft-Gemisch betreibbaren Porenbrenner, wobei die Verbrennung des kontinuierlich oder gegebenenfalls auch diskontinuierlich zugeführten und vorab in geeigneter Weise (bspw. durch Vormischung) aufbereiteten Gas-Luft-Gemischs flammlos (d. h. ohne offene Flamme) in einer porösen Struktur (oder eventuell auch in einer Wabenstruktur oder dergleichen), wobei es sich insbesondere um einen Keramikschaum oder dergleichen handelt, erfolgt. Durch die flammlose Verbrennung des Gas-Luft-Gemischs in der porösen Struktur (auch als volumetrische Verbrennung bezeichnet) wird heißes Abgas bzw. ein heißer Abgasstrom und gegebenenfalls auch eine Wärmestrahlung erzeugt, die im Inneren des erfindungsgemäßen Magnesium-Schmelzofens zur Beheizung des Schmelzetiegels verwendet wird/werden.
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Gegenüber der bislang üblichen Beheizung von Magnesium-Schmelzöfen mittels elektrischem Strom oder mittels Gasbrennern ergeben sich viele Vorteile, wie z. B. die homogene Wärmeentwicklung und -verteilung (und die damit einhergehende gute Temperaturtreue), die dynamische und stufenlose Wärmeregelung (Leistungsregelung mit kurzen Ansprechzeiten), die geräuscharme, saubere und schadstoffarme Verbrennung, sowie die kurzen Aufheizzeiten. Der gute Wirkungsgrad und die durchweg niedrigen Emissionswerte führen zu erheblichen Kosten- und Umweltvorteilen. Ferner ergeben sich Produktivitätsvorteile und eine bessere Ofen- bzw. Anlagenverfügbarkeit. Zudem kann die Bildung von Magnesiumschlamm vermieden oder zumindest verringert werden.
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Bevorzugt ist der Porenbrenner derart im Gehäuse angeordnet, dass dessen heißes Abgas (bzw. Abgasstrom) in einen den Schmelzetiegel umgebenden Heizraum im Inneren des Gehäuses eintreten kann. In vorteilhafter Weise kann dieser den Schmelzetiegel umgebende Heizraum ein kleines Volumen aufweisen, was u. a. eine homogene Wärme- bzw. Temperaturverteilung (im Heizraum) begünstigt und eine kompakte Bauweise des Schmelzofens ermöglicht.
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Besonders bevorzugt sind mehrere, verteilt im Gehäuse angeordnete Porenbrenner vorgesehen, die insbesondere in einer den Schmelzetiegel umgebenden und den Heizraum begrenzenden Heizraumwandung angeordnet sind, so dass eine gleichmäßige Abgasbeaufschlagung des Heizraums und eine homogene Temperaturverteilung im Heizraum erreicht werden können. Die Position der Porenbrenner kann vorzugsweise variiert werden. Bevorzugt sind die Porenbrenner mit Abstand oder gegebenenfalls auch ohne Abstand nebeneinander angeordnet und bilden bspw. einen, insbesondere unterhalb des Schmelzetiegels befindlichen, Porenbrennerring. Ein solcher Porenbrennerring kann auch durch einzelne Porenbrennersegmente gebildet sein. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass einzelne Porenbrenner oder -segmente je nach Bedarf zu- oder abgeschaltet und/oder unabhängig gesteuert bzw. geregelt werden können. Die Porenbrenner bzw. -segmente können also, je nach dem, kontinuierlich oder diskontinuierlich betrieben werden.
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Im Heizraum kann wenigstens ein Strömungsleitelement, wobei es sich insbesondere um ein motorisch verstell- bzw. einstellbares Strömungsleitelement handelt, angeordnet sein, mit dem das in den Heizraum eingeleitete Abgas (bzw. der eingeleitete Abgasstrom) gezielt gelenkt und bspw. so umgeleitet werden kann, dass im Heizraum eine homogene Wärmeverteilung erreicht wird oder in bestimmten Bereichen eine lokal höhere Heizleistung erreicht wird. Ein Strömungsleitelement ist bspw. eine Leitungsklappe oder dergleichen.
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Zum erfindungsgemäßen Magnesium-Schmelzofen gehört bevorzugt auch eine Steuereinrichtung bzw. Steuereinheit, die zur (automatisierten) Steuerung oder Regelung des Verbrennungsprozesses in wenigstens einem Porenbrenner und/oder zur (automatisierten) Einstellung wenigstens eines einstellbaren Strömungselements vorgesehen ist. Die Steuerung oder Regelung erfolgt bevorzugt softwarebasiert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Magnesium-Schmelzofens sieht vor, dass (bei kontinuierlichem Ofenbetrieb bzw. im Standardbetrieb) die Temperatur der im Schmelzetiegel befindlichen Magnesiumschmelze automatisiert kurz vor einer Schmelzeentnahme auf eine Solltemperatur (dies ist typischerweise die Gießtemperatur zzgl. einer Temperaturzugabe) erhöht wird, was durch Steuerung oder Regelung des Verbrennungsprozesses im Porenbrenner (oder in den Porenbrennern) und/oder durch Zuschaltung weiterer Porenbrenner bzw. -segmente erfolgt. Die Schmelzetemperatur kann zwischen zwei Schmelzeentnahmen unterhalb der Schmelzeentnahmetemperatur gehalten werden, zumal durch Zuführung ungeschmolzenen Magnesiummaterials (bspw. in Form von Barren, Masseln oder Granulat) ohnehin eine Abkühlung eintritt. Daraus ergeben sich energetische Vorteile und das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht einen energieoptimierten Ofenbetrieb.
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Kurz vor einer beabsichtigten Schmelzeentnahme kann also automatisiert eine Anhebung der Schmelzetemperatur erfolgen, mit dem Ziel, dass die im Schmelzetiegel befindliche Magnesiumschmelze exakt zum Zeitpunkt der Schmelzeentnahme genau die gewünschte Solltemperatur aufweist, wobei diese Schmelzeentnahme-Solltemperatur ohne Temperaturüberschwinger erreicht werden soll. Diese erfindungsgemäße Vorgehensweise erfordert eine dynamische Veränderbarkeit der Schmelzetemperatur, was durch den erfindungsgemäßen Magnesium-Schmelzofen mit Porenbrennertechnik ermöglicht wird. Die Steuerung oder Regelung des Verbrennungsprozesses im Porenbrenner (wobei der erfindungsgemäße Magnesium-Schmelzofen, wie bereits erläutert, auch mehrere Porenbrenner umfassen kann) sowie das Zuschalten und Abschalten weiterer Porenbrenner (einschließlich der Steuerung oder Regelung der zugeschalteten Porenbrenner) wird bevorzugt von und durch die oben beschriebene Steuereinrichtung bewerkstelligt.
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Bevorzugt wird die dem Schmelzetiegel bis zur beabsichtigten Schmelzeentnahme zuzuführende Wärme bzw. Wärmeenergie (d. h. der erforderliche Energie- bzw. Wärmebedarf) unter Berücksichtigung und insbesondere simultaner Berücksichtigung des Schmelzezustands (insbesondere der Temperatur), der thermischen Systemträgheit (die sich bspw. aus der momentan vorhandenen Schmelzemasse, der Tiegelmasse, der Brennertechnologie und dergleichen ergibt) und sonstigen Umgebungsbedingungen (bspw. das Hallenklima) automatisiert vorausberechnet und die erforderliche Brennerleistung, insbesondere unter Berücksichtigung der bis zur beabsichtigten Schmelzeentnahme zur Verfügung stehenden Zeitspanne, ermittelt. Hieraufhin kann automatisiert der Verbrennungsprozess im Porenbrenner entsprechend gesteuert oder geregelt werden und/oder weitere Porenbrenner können zugeschaltet und insbesondere ebenfalls gesteuert oder geregelt werden.
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Die Berechnung der zuzuführenden Wärme bzw. Wärmeenergie erfolgt vorzugsweise mittels Software anhand eines durch die Software abgebildeten umfassenden Systemmodells. Die Software ist bevorzugt Bestandteil der Steuereinrichtung. Bevorzugt umfasst die Software und/oder die Steuereinrichtung auch ein Lernmodul, das im Betrieb eine selbstständige Optimierung aller Steuer- und/oder Regelfunktionen ermöglicht. Insofern können die Steuereinrichtung und/oder das mittels dieser Steuereinrichtung ausgeführte Betriebsverfahren auch als künstlich intelligente Ofensteuerung und das Gesamtsystem als künstlich intelligentes System bezeichnet werden.
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Eine erfindungsgemäße Magnesium-Gießanlage dient der Herstellung von Magnesium-Druckgussbauteilen, insbesondere Kraftfahrzeugbauteilen, wie bspw. Kupplungs- oder Getriebegehäusen, wobei die erfindungsgemäße Magnesium-Gießanlage auch für einen so genanten Kleinteilguss einsetzbar ist.
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Eine erfindungsgemäße Magnesium-Gießanlage bzw. -Druckgießanlage umfasst:
- – (wenigstens) eine Magnesiumdruckgussmaschine; und
- – (wenigstens) einen erfindungsgemäßen Magnesium-Schmelzofen; und
- – (wenigstens) einen Warmhalteofen bzw. Dosierofen für Magnesiumschmelze, der insbesondere der Magnesiumdruckgussmaschine zugeordnet ist; und/oder
- – (wenigstens) eine Einrichtung zur Masselvorwärmung oder eine hierzu vergleichbare Vorwärmeinrichtung, die insbesondere dem Magnesium-Schmelzofen zugeordnet ist.
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Es ist vorgesehen, dass der Warmhalteofen und/oder die Einrichtung zur Masselvorwärmung durch einen Abgasstrom des Magnesium-Schmelzofens beheizbar sind und insbesondere nur bzw. ausnahmslos mit diesem Abgasstrom beheizt sind.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die erfindungsgemäße Magnesium-Gießanlage auch eine Abgasrückführung zum Magnesium-Schmelzofen aufweist.
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Bei kontinuierlichem Anlagenbetrieb bzw. im Standardbetrieb sind für den Warmhalteofen und/oder für die Masselvorwärmung nur geringe oder gar keine zusätzlichen bzw. separaten Energiebedarfe bzw. -aufwände erforderlich; d. h. der bislang übliche autarke Betrieb dieser Einrichtungen kann entfallen. Die erfindungsgemäße Magnesium-Gießanlage zeichnet sich somit durch einen hohen Wirkungsgrad, eine hohe Wirtschaftlichkeit und niedrige Emissionen aus.
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Ferner ergeben sich geringere Investitionskosten, da der Warmhalteofen bzw. Dosierofen und/oder die Einrichtung zur Masselvorwärmung (Vorwärmer) heizungsfrei ausgebildet sein können. Gleichwohl kann vorgesehen sein, dass der Warmhalteofen und/oder der Vorwärmer über eine elektrische oder gasbetriebene Notheizung verfügen.
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Bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Magnesium-Gießanlage auch eine Steuereinrichtung bzw. Steuereinheit zur Steuerung oder Regelung der gesamten Anlage. Die Steuerung oder Regelung der gesamten Magnesium-Gießanlage umfasst insbesondere auch die bereits erläuterte Steuerung oder Regelung eines erfindungsgemäßen Magnesium-Schmelzofens. Ein Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemäßen Magnesium-Gießanlage kann also das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Magnesium-Schmelzofens einschließen. Das erfindungsgemäße Verfahren dient andererseits dem Betrieb eines erfindungsgemäßen Magnesium-Schmelzofens in einer erfindungsgemäßen Magnesium-Gießanlage. Hierbei kann die Steuereinrichtung der Magnesium-Gießanlage mit der Steuereinrichtung des Magnesium-Schmelzofens kommunizieren. Ebenso kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung des Magnesium-Schmelzofens in die Steuereinrichtung der Magnesium-Gießanlage integriert ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und in nicht einschränkender Weise mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Die in der Zeichnung gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, unabhängig von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein. In der Zeichnung zeigt
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1 in schematischer Darstellung eine Ausführungsmöglichkeit einer erfindungsgemäßen Magnesium-Gießanlage, die einen erfindungsgemäßen Magnesium-Schmelzofen umfasst.
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Die gezeigte Magnesium-Druckgießanlage 100 umfasst eine Einrichtung 110 zur Masselvorwärmung (Vorwärmer), einen Magnesium-Schmelzofen 120 zur Erzeugung und Bereitstellung von Magnesiumschmelze M (durch Aufschmelzen stückweise zugeführter Magnesiummasseln), einen Warmhalteofen 130 und eine Magnesium-Druckgussmaschine 140. Die im Magnesium-Schmelzofen 120 erzeugte Magnesiumschmelze M wird in Intervallen mittels Schmelzepumpe 150 in den Warmhalteofen 130 gefördert und gelangt von dort in die Druckgussmaschine 140 zur urformenden Herstellung von Magnesiumbauteilen bzw. Magnesium-Druckgussbauteilen, was an und für sich aus dem Stand der Technik bekannt ist.
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Der Magnesium-Schmelzofen 120 weist ein Gehäuse 121 (mit Wärmedämmung) und einen Schmelzetiegel 122 auf. Der Schmelzetiegel 122 hat bspw. ein Fassungsvolumen von ca. 2500 kg und kann durch ein zum Gehäuse 121 gehörenden Deckel abgedeckt sein. Die Beheizung des Schmelzetiegels 122 erfolgt mittels Porenbrenner 123, die mit einem Gas-Luft-Gemisch G+L betrieben werden. Die Porenbrenner 123 sind derart im Gehäuse 121 angeordnet, dass die erzeugten heißen Abgase A in einen den Schmelzetiegel 122 umgebenden Heizraum 124 im Inneren des Gehäuses 121 gelangen. Die Beheizung des Schmelzetiegels 122 erfolgt demnach durch thermische Konvektionswärme an der Unterseite, wobei der Wärmeeintrag nicht punktuell, sondern gleichmäßig über die gesamte unterseitige bzw. rückseitige Tiegeloberfläche erfolgt. Zudem kann eine Erwärmung mittels von den Porenbrennern 123 ausgehender Strahlungswärme erfolgen. Mit 125 sind motorisch einstellbare Strömungsleitelemente bezeichnet, mit denen die Abgase A im Heizraum 124 gelenkt werden können.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind mehrere zu einem Porenbrennerring zusammengefasste Porenbrenner bzw. Porenbrennersegmente 123 vorgesehen, die unterhalb des Schmelzetiegels 122 und um den Schmelzetiegel 122 herum in der Heizraumwandung angeordnet sind. Die Steuerung oder gegebenenfalls auch Regelung der Porenbrenner 123 wird automatisiert durch die Steuereinrichtung 126 bewerkstelligt. Auch die Strömungsleitelemente 125 können von der Steuereinrichtung 126 nach Bedarf betätigt werden.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Temperatur T der im Schmelzetiegel 122 befindlichen Magnesiumschmelze M automatisiert kurz vor einer Schmelzeentnahme E (durch Abpumpen in den Warmhalteofen 130) auf eine Schmelzeentnahme-Solltemperatur S erhöht wird, wie in dem dargestellten Temperatur-Zeit-Diagramm (T/t) veranschaulicht. Hierzu wird von der Steuereinrichtung 126 unter Berücksichtigung des Schmelzezustands, der thermischen Systemträgheit und Umgebungsbedingungen ein optimaler Energie- bzw. Wärmebedarf vorausberechnet und unter Berücksichtigung der zur Verfügung stehenden Zeitspanne die erforderliche Brennerleistung ermittelt. Hieraufhin kann der Verbrennungsprozess in den Porenbrennern 123 entsprechend gesteuert oder geregelt werden und/oder weitere Porenbrenner bzw. -segmente können zugeschaltet und insbesondere ebenfalls gesteuert oder geregelt werden. Bevorzugt ist die Steuereinrichtung 126 selbstlernend ausgebildet und evaluiert und optimiert sich im Laufe des Betriebs von selbst.
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Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass die von den Porenbrennern 123 erzeugten heißen Abgase A nach dem Ausleiten aus dem Heizraum 124 (wobei das Abgas A immer noch eine Temperatur von bis zu 800° C aufweisen kann) zumindest teilweise durch ein entsprechend ausgebildetes Kanalsystem der Einrichtung 110 zur Masselvorwärmung und/oder dem Warmhalteofen 130 zugeführt werden, wo durch Wärmetausch eine Beheizung dieser Einrichtungen durch den Abgasstrom erfolgt, bevor die Abgase A, gegebenenfalls nach Reinigung, über einen Schornstein oder ähnlichem abgeführt werden. Im Standardbetrieb reicht die Enthalpie des Abgases A aus, um den nachgelagerten Warmhalteofen 130 und die vorgelagerte Masselvorwärmung 110 vollständig zu beheizen.
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Abweichend zu der gezeigten Ausführungsmöglichkeit, bei dem die Abgase A parallel den Einrichtungen 110 und 130 zugeführt werden, können diese auch nacheinander bzw. in Reihe den Einrichtungen 110 und 130 zugeführt werden. Mit den Pfeilen R ist eine mögliche Abgasrückführung angedeutet, mit der ein Teil der Abgase A wieder dem Verbrennungsprozess in den Porenbrenner 123 zugeführt werden kann.
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Zur Anlage 100 kann eine in der Figur nicht dargestellte Steuereinrichtung zur Steuerung oder Regelung der gesamten Anlage 100 gehören. Zur Gießanlage 100 können ferner in der Figur nicht gezeigte Ventile oder dergleichen (bspw. zur Lenkung, Regulierung und/oder Abschaltung von Abgasströmen, was insbesondere im Rahmen einer intelligenten Abgasregelung erfolgen kann) und/oder Sensoren (bspw. zur Temperatur-, Druck-, Strömungsmessung und dergleichen) gehören.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Magnesium-Gießanlage
- 110
- Einrichtung zur Masselvorwärmung
- 120
- Magnesium-Schmelzofen
- 121
- Gehäuse
- 122
- Schmelzetiegel
- 123
- Porenbrenner
- 124
- Heizraum
- 125
- Strömungsleitelement
- 126
- Steuereinrichtung
- 130
- Warmhalteofen
- 140
- Magnesiumdruckgussmaschine
- 150
- Schmelzepumpe
- A
- Abgas, Abgasstrom
- E
- Schmelzeentnahme
- G
- Gas
- L
- Luft
- M
- Magnesiumschmelze
- R
- Abgasrückführung
- S
- Solltemperatur
- T
- Schmelzetemperatur
- t
- Zeit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004062620 A1 [0004]
- DE 102012107865 A1 [0004]
- DE 10344979 A1 [0008]
- DE 4322109 A1 [0008]
