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Die Erfindung betrifft eine Anordnung für ein optisches Sensorsystem, insbesondere für einen Lidar-Sensor oder für eine Kamera eines Fahrzeugs. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Anordnung.
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Der Einsatz von optischen Sensorsystemen in Fahrzeugen, beispielsweise einer Fahrzeugkamera oder eines Lidar-Sensors (Abkürzung für engl. Light detection and ranging), insbesondere für eines oder mehrere Fahrerassistenzsysteme, ist aus dem Stand der Technik bereits bekannt.
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Die
DE 10 2011 011 527 A1 offenbart beispielsweise eine Fahrzeugkamera umfassend ein Kameragehäuse mit einer Lichteinfallöffnung. Im Kameragehäuse sind ein Bildaufnahmeelement als Strahlungsempfänger und ein Abbildungssystem angeordnet. Das Abbildungssystem umfasst dabei mehrere Linsen und dient zur Projektion von aus einem Erfassungsbereich in die Lichteinfallöffnung einfallender elektromagnetischer Strahlung auf eine für elektromagnetische Strahlung sensitive Fläche des Bildaufnahmeelements.
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Die
DE 10 2007 040 120 A1 offenbart einen Lidar-Sensor. Der Lidar-Sensor umfasst einen Laser als Strahlungsquelle, welcher elektromagnetische Strahlung emittiert, welche nach passieren einer Sendelinse als Laserstrahl in einen Erfassungsbereich abgestrahlt wird. Der Lidar-Sensor umfasst weiterhin einen Strahlungsempfänger, welcher den von Objekten im Erfassungsbereich reflektierten Laserpuls erfasst. Für den Empfang des Laserimpulses ist dabei eine separate Empfangslinse vorgesehen, die zur Projektion des reflektierten Laserpulses in Richtung des Strahlungsempfängers dient.
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Fahrzeugkameras umfassen somit meist nur einen einzelnen Empfangspfad, der im Wesentlichen aus einem Abbildungssystem und einem Strahlungsempfänger besteht, die zueinander ausgerichtet werden müssen, wohingegen Lidar-Sensoren, auch als Ladar-Sensoren (Laser detection and ranging) bezeichnet, zudem einen optischen Sendepfad umfassen. Bei Lidar-Sensoren ist daher in der Regel zusätzlich eine Ausrichtung von Sende- und Empfangspfad zueinander erforderlich.
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Die Qualität der jeweils entstehenden optischen Sensorsysteme ist maßgeblich von der Qualität deren Justage abhängig. Es ist dabei wünschenswert, möglichst viele Toleranzquellen, seien es Bauteiltoleranzen oder Fertigungstoleranzen, bei der Justage zu kompensieren. Ein bekannter Ansatz zur Lösung dieser Aufgabenstellung ist es, die Justage, insbesondere die Anordnung optischer Elemente wie Sende- und Empfangslinsen, möglichst spät im Fertigungsprozess durchzuführen. Dabei kommt der Fixierung der optischen Elemente eine entscheidende Bedeutung zu.
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Bekannt ist beispielsweise die Fixierung von optischen Elementen mittels Schrauben oder Kleben. Bei der Fertigung von großen Stückzahlen sind diese Verfahren allerdings zu kostspielig und zeitaufwändig. Ein weiterer Nachteil dieser Verfahren ist es, dass sich nachteilige Eigenschaften der Kleb- und Schraubverbindungen, insbesondere deren Toleranzen sowie deren Temperatur- und Alterungsverhalten, direkt auf die Justage der optischen Vorrichtung auswirken.
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Bei Lidar-Sensoren wird das Problem der Ausrichtung und Fixierung von optischen Elementen häufig mittels einer Klemmvorrichtung gelöst. Dabei werden optischen Elemente bei deren Justage in eine Klemmvorrichtung eingepresst. Die Klemmung ist dabei derart ausgestaltet, dass sie eine ausreichende Klemmkraft aufbringt, um das optische Element über eine große Lebenszeit zu fixieren, aber auch eine Justage durch Verschieben zulässt.
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Die Lösung mittels Klemmvorrichtung hat verschiedene Nachteile. Bei der Ausrichtung des optischen Elements innerhalb der Klemmvorrichtung entstehen Kräfte, die zu einer elastischen Verformung des Materials führen. Weiterhin federt das optische Element nach Lösen des Justierwerkzeugs, z.B. eines Roboter-Greifers, zurück, wodurch das Justageergebnis beeinträchtigt wird. Das Rückfedern lässt sich auch nur teilweise durch einen Vorhalt kompensieren, da es im Wesentlichen von Materialtoleranzen abhängt und sich daher nicht vollständig vorhersagen lässt. Bei nicht erfolgreicher Justage müssen sowohl das optische Element als auch die zugehörige Haltevorrichtung bzw. das Gehäuseteil entsorgt werden, da die Teile durch die Klemmung vorgeschädigt sind und die Lebensdaueranforderungen somit nicht mehr eingehalten werden können.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Lösung für die Anordnung von optischen Elementen an bzw. innerhalb von optischen Sensorsystemen anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen nach Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen, wobei auch Kombinationen und Weiterbildungen einzelner Merkmale miteinander denkbar sind.
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Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung ist es, eines oder auch mehrerer optische Elemente, bei deren Anordnung innerhalb eines Sende- und/oder Empfangspfads eines optischen Sensorsystems, zunächst auszurichten bzw. zu justieren. Die Justage erfolgt dabei insbesondere im Wesentlichen kraftfrei bzw. kraftlos, beispielsweise durch Ausrichtung des optischen Elements in eine oder mehrere Raumrichtungen, z.B. durch einfaches Verschieben des optischen Elements auf einer Verbindungsfläche eines Gehäuseteils oder einer für das optische Element vorgesehenen Haltevorrichtung. Nach erfolgter Justage wird das optische Element durch Laserschweißen fixiert. Das System kann dabei insbesondere derart ausgestaltet sein, dass das optische Element als letztes Element, d.h. als letztes Bauteil, des Sende- bzw. Empfangspfads und/oder des Gesamtsystems montiert wird.
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Das Laserschweißen, auch Laserstrahlschweißen (EN ISO 4063: Prozess 52), ist als Fertigungsverfahren zum Verschweißen von Bauteilen grundsätzlich bekannt. Das Schweißverfahren kann dabei mit oder ohne Zusatzwerkstoff ausgeführt werden.
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Da die Bauteile von den im Automobilbereich eingesetzten optischen Sensorsystemen häufig aus Kunststoff gefertigt sind, kann im Rahmen der Erfindung insbesondere das sogenannte Kunstoffschweißen, auch Laserdurchstrahlschweißen, zum Einsatz kommen.
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Beim Laserdurchstrahlschweißen handelt sich um einen Prozess, bei dem die Erwärmung des Kunststoffes und der Fügevorgang nahezu gleichzeitig ablaufen. Dabei weist ein Fügepartner im Bereich der Laserwellenlänge vorzugsweise einen hohen Transmissionsgrad auf und der andere Fügepartner vorzugsweise einen hohen Absorptionsgrad. Vor dem Schweißprozess werden beide Bauteile in der gewünschten Endlage positioniert. Der transparente Fügepartner, bei dem es sich im vorliegenden Fall vorzugsweise um das optische Element handelt, kann dabei vom Laserstrahl ohne nennenswerte Erwärmung durchstrahlt werden. Erst im zweiten Fügepartner wird der Laserstrahl in einer oberflächennahen Schicht absorbiert, wobei die Laserenergie in Wärmeenergie umgewandelt und der Kunststoff aufgeschmolzen wird. Aufgrund von Wärmeleitungsprozessen wird dabei vorzugsweise auch das transparente Bauteil im Bereich der Fügezone plastifiziert. Es kommt zu einer stoffschlüssigen Verbindung der Bauteile. Dem absorbierenden Fügepartner können dabei absorbierende Pigmente zugesetzt werden, sogenannte Absorber als Schweißzusatz. Es ist grundsätzlich denkbar, dass im Rahmen der Erfindung auch Löten mittels Laserstrahl zum Fixieren des optischen Elements zum Einsatz kommt, insbesondere als äquivalentes Fertigungsverfahren zum Laserschweißen.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung, d.h. durch das Fixieren des optischen Elements mittels Laserschweißen, ergeben sich im Wesentlichen die im Folgenden genannten Vorteile, insbesondere gegenüber den bislang bekannten Lösungen:
- – Die Verstellung der Justage aufgrund von Rückfedern wird verhindert, wodurch eine höhere Qualität des Justageergebnisses erreicht wird.
- – Es werden wesentlich geringere Kräfte für die Justage benötigt, wodurch die restlichen Komponenten des Systems weniger belastet werden.
- – Das optische Elemente wird durch die Justage nicht beschädigt und kann bei nicht erfolgreicher Justage bei einer anderen Materialpaarung erneut verwendet werden.
- – Die Ausrichtung und die Fixierung erfolgen getrennt voneinander, wodurch Designfreiheiten entstehen bzw. Designabhängigkeiten aufgelöst werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Anordnung handelt es sich vorzugsweise um eine Anordnung von Elementen eines optischen Sensorsystems, das in einem Fahrzeug zum Einsatz kommt. Die Anordnung umfasst dabei wenigstens eine Strahlungsquelle, die zum Aussenden (Emittieren) von elektromagnetischer Strahlung in einen Erfassungsbereich bzw. in eine Erfassungsrichtung des optischen Sensorsystems dient und/oder wenigstens einen Strahlungsempfänger, der zum Empfang von elektromagnetischer Strahlung aus dem Erfassungsbereich des optischen Sensorsystems dient. Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst weiterhin wenigstens ein optisches Element, welches derart am bzw. innerhalb des optischen Systems angeordnet ist, dass das optische Element von der von dem Strahlungsempfänger empfangenen bzw. von der Strahlungsquelle ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung passiert wird. Bei dem wenigstens einen optischen Element handelt es sich insbesondere um ein optisches Strahlformungs- oder Strahllenkungselement des optischen Sensorsystems, das in dessen Sende- oder Empfangspfad angeordnet ist und vom optischen Sensorsystem ausgesendete bzw. empfangene elektromagentische Strahlung transmittiert. Erfindungsgemäß ist das optische Element dabei mittels Laserschweißen am bzw. innerhalb des optischen Sensorsystems fixiert.
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Das optische Element kann dabei insbesondere mittels Kunststoffschweißen an einem Gehäuseteil oder einer für das optische Element vorgesehene Haltevorrichtung, beispielsweise ein Linsenhalter, des optischen Sensorsystems fixiert sein.
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Weiterhin kann das optische Element mittels eines Zusatzwerkstoffs, insbesondere mittels einer Schweißzugabe, am bzw. innerhalb des optischen Sensorsystems, insbesondere an dem Gehäuseteil oder der Haltevorrichtung, fixiert sein.
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Bei dem optischen Sensorsystem, welches die erfindungsgemäße Anordnung umfasst, kann es sich insbesondere um einen Lidar-Sensor handeln. In dem Fall handelt es sich bei dem wenigstens einen optischen Element vorzugsweise um eine Sende- oder Empfangslinse des Lidar-Sensors, die im Sende- bzw. Empfangspfad des Lidar-Sensors angeordnet ist.
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Alternativ kann es sich bei dem optischen System, welches die erfindungsgemäße Anordnung umfasst, um eine Fahrzeugkamera handeln. In dem Fall handelt es sich bei dem wenigstens einen optischen Element vorzugsweise um eine Linse eines Abbildungssystems, beispielsweise eines Objektivs, der Fahrzeugkamera.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei dem wenigstens einen optischen Element um ein Verschlusselement des optischen Sensorsystems. Das optische Element kann dabei insbesondere als Abschlusselement dienen, welches beispielsweise ein Gehäuse bzw. eine Gehäuseöffnung des optischen Sensorsystems verschließt und somit den Gehäuseinnenraum und darin angeordnete Elemente vor Verschmutzung, z.B. durch Staub, oder vor anderen äußeren Umwelteinflüssen schützt.
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Das Gehäuseteil oder die für das optische Element vorgesehene Haltevorrichtung umfasst vorzugsweise eine Verbindungsfläche, wobei die Verbindungsfläche derart ausgebildet ist, dass das optische Element vor der Fixierung mittels Laserschweißen auf der Verbindungsfläche positioniert und in einer Ebene in wenigstens eine Raumrichtung ausgerichtet werden kann. Insbesondere ist die genaue Position des optischen Elements durch das Gehäuseteil bzw. die Haltevorrichtung nicht vorgegeben, d.h. die genaue Lage des optischen Elements zum verschweißenden Körper ist im vorweg nicht bekannt. Das Laserschweißen erfolgt demgegenüber bevorzugt im Rahmen einer aktiven Justage. Das zu verschweißende optische Element wird zunächst zum optischen Pfad des Sensorsystems ausgerichtet, insbesondere bis die optimale Lage bzw. Position gefunden wurde. Der Verfahrweg während der Justage, d.h. das Ausrichten auf der Verbindungsfläche in wenigstens eine Raumrichtung, insbesondere in einer durch die Verbindungsfläche vorgegebenen Ebene, ermöglicht somit vorhandene Toleranzen aus Bauteilen und aus dem Fertigungsprozess des Sensorsystems zu egalisieren, bevor die Verschweißung durchgeführt wird.
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Die Verbindungsfläche wird dabei vorzugsweise durch einen Rand begrenzt, beispielsweise durch Umrandung in Form einer Kante, wobei die mittels des Rands begrenzte Verbindungsfläche derart bemaßt ist, insbesondere mit einer Spielpassung zwischen der Verbindungsfläche und dem optischen Element, dass das optische Element in die wenigstens eine Raumrichtung bzw. in der durch die Verbindungsfläche vorgegebene Ebene in wenigstens eine Raumrichtung ausgerichtet werden kann.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein optisches Sensorsystem, das eine Anordnung nach einer der vorangehend beschriebenen Ausgestaltungen umfasst, sowie ein Fahrzeug, in dem ein entsprechendes Sensorsystem angeordnet ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient vorzugsweise zur Anordnung wenigstens eines optischen Elements an bzw. innerhalb eines optischen Sensorsystems, wobei das optische Sensorsystem wenigstens eine Strahlungsquelle, die zum Aussenden von elektromagnetischer Strahlung in einen Erfassungsbereich des optischen Sensorsystems dient, und/oder wenigstens einen Strahlungsempfänger umfasst, der zum Empfang von elektromagnetischer Strahlung aus dem Erfassungsbereich des optischen Sensorsystems dient.
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Das wenigstens eine optische Element wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens derart am bzw. innerhalb des optischen Sensorsystems angeordnet, dass das optische Element von der von dem Strahlungsempfänger empfangenen bzw. von der von der Strahlungsquelle ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung passiert wird. Erfindungsgemäß erfolgt dabei in einem ersten Verfahrensschritt eine Ausrichtung des optischen Elements in wenigstens eine Raumrichtung und in einem zweiten Verfahrensschritt eine Fixierung des optischen Elements mittels Laserschweißen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das optische Element als letzes (Bau-)Element, welches das Aussenden bzw. den Empfang der elektromagnetischen Strahlung mittels des optischen Sensorsystems beeinflusst, d.h. als letztes Element des Sende- bzw. Empfangspfads, gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren am bzw. innerhalb des optischen Systems angeordnet.
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Weiterhin wird das optische Element vorzugsweise als letztes (Bau-)Element des gesamten optischen Sensorsystems montiert. Die Montage des optischen Elements als letztes Element des gesamten Sensorsystems, oder zumindest als letztes Element des Sende- bzw. Empfangspfads des Sensorsystems, hat den Vorteil, dass Fertigungstoleranzen des Sensorsystems bei der Justage berücksichtigt werden können und die Qualität der Justage dadurch verbessert werden kann. Es kann bei der Justage insbesondere auf alle mechanischen und prozessinduzierten Toleranzen des gesamten Sensorsystems reagiert werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Justage des optischen Elements im Wesentlichen kraftfrei. Die Justage, d.h. die Ausrichtung des optischen Elements, kann beispielsweise auf einer Verbindungsfläche eines Gehäuseteils oder einer für das optische Element vorgesehenen Haltevorrichtung der Sensorvorrichtung durch Verschieben auf der Verbindungsfläche in wenigstens eine Raumrichtung erfolgen. Unter der im Wesentlichen kraftfreien Justage ist dabei insbesondere eine Ausrichtung des optischen Elements zu verstehen, die vorzugsweise ausschließlich durch Verschieben des optischen Elements auf einer Verbindungsfläche in eine oder mehrere Raumrichtungen erfolgt und/oder eine Ausrichtung des optischen Elements ohne Einpressen in eine Klemmvorrichtung, d.h. eine Ausrichtung ohne dass dabei Kräfte entstehen, wie beispielsweise die eingangs beschriebenen Klemm- oder Federkräfte.
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Die Fixierung des optischen Elements erfolgt im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugt mittels Durchstrahlschweißen an einem Gehäuseteil oder einer für das optische Element vorgesehenen Haltevorrichtung des optischen Sensorsystems.
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Die Ausrichtung des optischen Elements in die wenigstens eine Raumrichtung erfolgt im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorzugsweise in einer Ebene auf einer Verbindungsfläche eines Gehäuseteils bzw. einer für das optische Element vorgesehenen Haltevorrichtung des Sensorsystems.
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Die Verbindungsfläche kann dabei durch einen Rand begrenzt sein, wobei die mittels des Rands begrenzte Verbindungsfläche vorzugsweise ausreichend Spiel aufweist, d.h. die mittels des Rand begrenzte Verbindungsfläche ist derart gegenüber dem optischen Element bemaßt, dass das optische Element nach der Positionierung auf der Verbindungsfläche sowie vor der Fixierung mittels Laserschweißen in die wenigstens eine Raumrichtung ausgerichtet werden kann.
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Die Fixierung des optischen Elements kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens weiterhin mittels eines Zusatzwerkstoffes, z.B. einem Schweißzusatz, erfolgen. Der Zusatzwerkstoff wird dabei bevorzugt vor der Ausrichtung des optischen Elements an dem optischen Element und/oder dem Gehäuseteil bzw. der Haltevorrichtung aufgebracht, insbesondere an einer oder mehrere Verbindungsflächen zwischen dem optischen Element und dem Gehäuseteil bzw. der Haltevorrichtung.
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Weitere Vorteile sowie optionale Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel und den dazugehörigen Zeichnungen hervor. Das Ausführungsbeispiel ist in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Die 1 und 2 zeigen schematisch die Anordnung eines optischen Elements 1 an einem Gehäuseteil 2 eines optischen Sensorsystems gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Bei dem optischen Sensorsystem handelt es sich in diesem Fall um einen Lidar-Sensor, zum Einsatz in einem Fahrzeug als Erfassungssystem für eines oder mehrere Fahrerassistenzsysteme. Der Lidar-Sensor umfasst dabei vorzugweise eine nicht näher dargestellte Strahlungsquelle, die zum Aussenden von elektromagnetischer Strahlung 3 dient, insbesondere in Richtung eines Erfassungsbereichs, beispielsweise in die in Fahrtrichtung des Fahrzeugs vorausliegende Fahrzeugumgebung. Der Lidar-Sensor umfasst weiterhin einen nicht näher dargestellten Strahlungsempfänger, der zum Empfang der ausgestrahlten und von Objekten im Erfassungsbereich reflektierten elektromagnetischen Strahlung dient. Bei dem optischen Element 1 handelt ist sich in 1 um eine Sendelinse des Lidar-Sensors, welche derart am Gehäuseteil 2 angeordnet wird, dass das optische Element 1 von der von der Strahlungsquelle ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung 3 passiert wird.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das optische Element 1 dabei in einem ersten Schritt an dem Gehäuseteil 2, in diesem Fall an einer Verbindungsfläche 4, positioniert, und dort in wenigstens eine Raumrichtung 5 und 6 ausgerichtet bzw. justiert. Die Ausrichtung erfolgt dabei vorzugsweise kraftfrei, d.h. durch im Wesentlichen kraftfreies Verschieben des optischen Elements 1 in die zumindest die Raumrichtung 5 und 6 auf der Verbindungsfläche 4.
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Weiterhin erfolgt gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem zweiten Schritt die Fixierung des optischen Elements 1 mittels Laserschweißen, in diesem Fall an der Verbindungsfläche 4 des Gehäuseteils 2 des optischen Sensorsystems. Hierzu kann, wie in den Figuren dargestellt, vor der Anordnung des optischen Elements 1 an der Verbindungsfläche 4 ein Schweißzusatz 7 angeordnet werden. Als Schweißverfahren kommt vorzugsweise das sogenannte Laserdurchschweißen, auch Kunststoffschweißen genannt, zum Einsatz, insbesondere mit dem optischen Element 1 als erster Fügepartner, der einen hohen Transmissionsgrad aufweist, und dem Gehäuseteil 2 als zweiter Fügepartner, der einen hohen Absorptionsgrad für die Laserstrahlung aufweist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Anordnung des optischen Elements 1 vorzugsweise als letztes Bauelement des optischen Sensorsystems oder zumindest als letztes Bauelement des Sendepfads des optischen Sensorsystems. Dadurch können durch die erfindungsgemäße kraftfreie Ausrichtung und durch die Fixierung des optischen Elements 2 mittels Laserschweißen nahezu alle mechanischen und prozessinduzierten Fertigungstoleranzen des gesamten Sensorsystems berücksichtigt und ausgeglichen werden.
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Wie in 1 und 2 dargestellt handelt es sich bei dem optischen Element 1 um ein Verschluss- bzw. Abschlusselement des optischen Sensorsystems, insbesondere des Gehäuses des Sensorsystems. Dadurch können der Gehäuseinnenraum und insbesondere darin befindliche weitere Bauelemente des Sensorsystems weitgehend vor Verunreinigungen und äußeren Umwelteinflüssen geschützt werden.
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Erfindungsgemäß könnte es sich bei dem in 1 und 2 dargestellten optischen Element 1 beispielsweise auch um eine Empfangslinse des Empfangspfads eines Lidar-Sensors handeln oder um eine Linse des Abbildungssystems einer Fahrzeugkamera, als optisches Sensorsystem.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Optisches Element
- 2
- Gehäuseteil
- 3
- elektromagnetische Strahlung
- 4
- Verbindungsfläche
- 5
- Erste Raumrichtung
- 6
- Zweite Raumrichtung
- 7
- (Schweiß-)Zusatzwerkstoff
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011011527 A1 [0003]
- DE 102007040120 A1 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- EN ISO 4063: Prozess 52 [0013]