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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Gussform, und ein damit verbundenes Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einer Gussform.
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Zur Herstellung eines Bauteils kann vorgesehen sein, dieses mit Hilfe einer Gussform zu gießen. Dabei ist zunächst die Gussform herzustellen. Hierzu werden üblicherweise einzelne Komponenten des Bauteils anhand von Konstruktionsdaten unter Bereitstellung eines Modells des Bauteils in Styropor gefräst. Ein derartiges Modell aus Styropor, das auch als Positiv-Form bezeichnet werden kann, wird anschließend eingesandet. Aus dem eingesandeten Modell aus Styropor entsteht eine Negativ-Form bzw. die Gussform. Nachfolgend wird diese Gussform ausgegossen, um Komponenten des Bauteils zu erhalten. Hierbei verbrennt das eingesandete Modell aus Styropor, wobei mindestens eine Kavität als Negativ-Form durch flüssiges Metall ausgefüllt wird. Das dabei gegossene Bauteil aus Metall ist nachfolgend mechanisch weiterzubearbeiten.
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Weiterhin ist möglich, dass das hergestellte Bauteil ein Kühlsystem umfassen soll. Dabei umfasst dieses Kühlsystem mehrere Kühlkanäle, die in das gegossene Bauteil gebohrt werden. Allerdings ist zu berücksichtigen, dass derartige Bohrungen fertigungstechnisch nur linear umgesetzt werden können. Ein gebogener Kühlkanal, der nicht linear geformt ist, kann durch Bohren nicht hergestellt werden.
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Aus der Druckschrift
WO 2015/029935 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Körpers aus Sand mit einem 3D-Druckverfahren bekannt. In der Druckschrift
DE 20 2012 100 640 A1 ist eine Anordnung von konturbezogenen Temperierelementen in einem Werkzeug bekannt.
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Ein Salzkern zum Herstellen eines Gussteils, der einen schichtweisen Aufbau aufweist und mittels eines generativen Herstellverfahrens herzustellen ist, ist in der Druckschrift
DE 10 2014 214 528 A1 beschrieben. Weiterhin ist in der Druckschrift
DE 10 2004 027 109 A1 ein Gießverfahren zum Herstellen eines temperierbaren Werkzeugs bekannt, das eine Gravur aufweist.
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Vor diesem Hintergrund werden Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgestellt. Ausgestaltungen der Verfahren gehen aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung hervor.
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Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Herstellen einer Gussform für ein zu gießendes Bauteil für ein Kraftfahrzeug vorgesehen, wobei die Gussform durch ein dreidimensionales Druckverfahren aus Sand hergestellt wird.
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Die Gussform umfasst mindestens eine Teilgussform. Bei dem Verfahren wird zunächst mit einem ersten Spender auf einer Oberfläche eines Arbeitstisches eine lose Masse aus Sand und einer Aktivatorsubstanz, die miteinander vermischt sind, aufgetragen. Danach wird mit einem zweiten Spender auf die lose Masse aus Sand und der Aktivatorsubstanz eine Bindesubstanz aufgetragen, wobei die Masse aus Sand und der Aktivatorsubstanz und die hinzugefügte Bindesubstanz miteinander chemisch reagieren, wobei der lose Sand zu einem Sandkern in Bereichen, in denen die Bindesubstanz aufgetragen ist, ausgehärtet wird.
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Bei dem Verfahren wird zum Herstellen der Gussform aus der losen Masse, die Sand und die Aktivatorsubstanz aufweist und somit ein Sand-Aktivator-Gemisch bildet, durch das dreidimensionale Druckverfahren mindestens eine Teilgussform unter Bildung mindestens eines Sandkerns aus zumindest stellenweise ausgehärtetem Sand hergestellt.
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Üblicherweise wird die mindestens eine Teilgussform aus mindestens einer Schicht hergestellt. Zum Herstellen der mindestens einen Schicht wird die Masse, die Sand und die Aktivatorsubstanz umfasst, auf einer Oberfläche aufgetragen. Aus der Schicht, die aus der losen Masse gebildet ist, wird nach Zugabe der Bindesubstanz in Bereichen der herzustellenden mindestens einen Teilgussform eine Schicht eines Sandkerns ausgehärtet. Lose überschüssige Masse aus Sand und der Aktivatorsubstanz wird in Ausgestaltung von und/oder aus der mindestens einen gebildeten Schicht des Sandkerns entfernt.
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In Ausgestaltung wird die mindestens eine Teilgussform aus mehreren Schichten hergestellt. Dabei wird nach Herstellen einer n-ten Schicht aus einem Sandkern auf dieser n-ten Schicht die lose Masse, die den Sand und die Aktivatorsubstanz umfasst, aufgetragen, wobei u. a. die n-te Schicht als Oberfläche für eine herzustellende n + 1-te Schicht eines Sandkerns verwendet wird. Die zunächst lose Masse reagiert nach Zugabe der Bindesubstanz in Bereichen der herzustellenden n + 1-ten Schicht mit der Bindesubstanz, wobei der Sandkern ausgehärtet wird. Ergänzend wird überschüssige lose Masse aus Sand und der Aktivatorsubstanz und Bindesubstanz aus der gebildeten n + 1-ten Schicht des Sandkerns entfernt. In Ausgestaltung wird lose, überschüssige Masse erst nach Fertigstellung einer letzten bzw. abschließenden Schicht entfernt, da die lose Masse auch im ungebundenen Zustand als Stütze für mindestens eine darüberliegende Schicht des Sandkerns dient.
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Außerdem wird mindestens ein zusätzlicher Sandkern aus bereits ausgehärtetem Sand auf der mindestens einen Schicht angeordnet und/oder in die mindestens eine bereits ausgehärtete Schicht eingelegt.
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Ergänzend ist möglich, dass der mindestens eine zusätzliche Sandkern, bspw. mindestens ein Strang aus bereits ausgehärtetem Sand, in die fertiggestellte, d. h. ausgehärtete und gesäuberte Gussform aus Sandkernen eingelegt wird. Dabei wird der mindestens eine zusätzliche Sandkern, bspw. Strang, zuvor ebenfalls durch Aushärten einer losen Masse aus Sand und der Aktivatorsubstanz hergestellt. Der ebenfalls sandgedruckte Sandkern wird in die Gussform eingelegt und später mit Metall umgossen, wobei der Sandkern nach dem Entfernen des Sands einen Kanal innerhalb des Bauteils bildet. Werden mehrere Sandkerne miteinander verbunden, werden diese als Kanäle in die Gussform eingelegt und umgossen und bilden ein Netz aus Kanälen.
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Mit der durch das Verfahren hergestellten Gussform wird eine Negativ-Kopie für das herzustellende Bauteil bereitgestellt.
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Üblicherweise wird die lose Masse aus Sand und der Aktivatorsubstanz verwendet, die mit der Bindesubstanz vermengt wird. Die Aktivatorsubstanz und die Bindesubstanz reagieren miteinander, wobei eine Schicht eines Sandkerns bereitgestellt wird.
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Ergänzend ist möglich, dass die Gussform aus mehreren Teilgussformen zusammengesetzt und somit bereitgestellt wird.
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Ferner wird ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils für ein Kraftfahrzeug vorgesehen, bei dem das Bauteil aus einer Gussform, die durch das voranstehend beschriebene Verfahren hergestellt wird, gegossen wird.
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Somit ist es möglich, die mindestens eine Teilgussform zum Herstellen des Bauteils mit einem dreidimensionalen Druckverfahren aus einer Masse aus Sand zu drucken, wobei die mindestens eine Teilgussform als Negativ-Form für das zu gießende Bauteil direkt hergestellt wird. Hierbei werden die Konstruktionsdaten des zu gießenden Bauteils inklusive eines Gussaufmaßes in ein Modell für die mindestens eine Teilgussform umgewandelt, die mit dem dreidimensionalen Druckverfahren direkt hergestellt wird.
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Somit ist es unter anderem möglich, auf ein ansonsten übliches Modell aus Styropor zu verzichten. Hierdurch werden schädliche Dämpfe, die beim Verbrennen des Modells aus Styropor beim Gießen entstehen, vermieden. Dadurch ist es im Rahmen des Verfahrens auch möglich, das Gussaufmaß zu reduzieren, da sich Strukturstörungen, die durch Verbrennen von Styropor entstehen, und sich an der Oberfläche der Gussform anlagern, nicht auftreten. Derartige Strukturstörungen sind ansonsten abzutragen und/oder abzufräsen.
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Mit dem Verfahren ist es weiterhin möglich, Bohrungen und Gewinde über zusätzliche Sandkerne direkt in die Gussform zu drucken, so dass diese nicht nachträglich zu bohren und gegebenenfalls nur noch durch feine Nachbearbeitung fertigzustellen sind.
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Eine im Rahmen des Verfahrens entstehende unbehandelte Oberfläche der mindestens einen Teilgussform weist eine weitgehend glatte Struktur auf. Hierbei ist das Risiko gering, dass bspw. in kleinen Vertiefungen Reste von noch losem Sand eingelagert sind, die ansonsten bei einer späteren Fertigstellung des Bauteils oder eines Werkzeugs in einer Serienproduktion zu Fehlern und Störungen führen können.
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Durch Nutzung des dreidimensionalen Druckverfahrens bietet sich für einen Nutzer eine weitgehende Designfreiheit, da in die mindestens eine Teilgussform nunmehr auch Hinterschnitte oder innenliegende Strukturen eingebracht werden können.
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Zum Herstellen des Bauteils wird die hergestellte Gussform wie eine herkömmliche Gussform verwendet.
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Der mindestens eine bei dem Verfahren hergestellte zusätzliche Sandkern wird bspw. auch durch Drucken hergestellt und in die mindestens eine Teilgussform konturnah und konturparallel verlaufend eingelagert. Wird dieser mindestens eine zusätzliche Sandkern bei einem späteren Gießen mit Metall umschlossen, verläuft der daraus gebildete Kanal im Bauteil konturnah und konturparallel zu dessen Oberfläche und bietet so eine optimale Kühlleistung.
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Zum Herstellen des Bauteils wird in die hergestellte Gussform flüssiges Ausgangsmaterial, bspw. aus Metall oder Kunststoff, gegossen, abgekühlt und ausgehärtet. Danach wird die aus Sand gebildete Gussform wieder entfernt. Der mindestens eine Kühlkanal ist dabei durch Entfernen des Sands, der zum Bereitstellen des mindestens einen Strangs verwendet wird, herzystellen.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen schematisch und ausführlich beschrieben.
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1 zeigt in schematischer Darstellung eine Abfolge einzelner Schritte einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Gussform.
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2 zeigt ein Beispiel für ein Bauteil, das durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Bauteils herzustellen ist.
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Die 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h, 1i, 1j, 1k, 1l, 1m und 1n zeigen schematisch unterschiedliche aufeinanderfolgende Schritte zur Durchführung der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Gussform.
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Dabei zeigen die 1a bis 1h eine Anordnung 2 zur Durchführung eines dreidimensionalen Druckverfahrens, die als Komponenten einen als Behälter ausgebildeten Arbeitstisch 4 sowie einen ersten Spender 6 und einen zweiten Spender 8 aufweist. Zur Steuerung des Verfahrens weist die Anordnung 2 eine Recheneinheit 10 auf. Dabei sind die beiden Spender 6, 8 oberhalb des Arbeitstisches 4 angeordnet. Der Arbeitstisch 4 wird bei Durchführung des Verfahrens, wie durch einen ersten Doppelpfeil 12 angedeutet, relativ zu den darüber angeordneten Spendern 6, 8 in vertikaler Richtung verfahren. Dagegen werden die beiden Spender 6, 8 relativ zu dem Arbeitstisch 4 (Doppelpfeile 14, 16) in horizontaler Richtung verfahren.
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Im Rahmen des Verfahrens wird von dem ersten Spender 6 eine lose Masse, die ein Gemisch aus Sand und einer Aktivierungssubstanz umfasst, bereitgestellt und zu dem Arbeitstisch 4 gefördert. Von dem zweiten Spender 8 wird eine Bindesubstanz bereitgestellt und zu dem Arbeitstisch 4 gefördert. Hierbei wird mit dem ersten Spender 6 die lose Masse aus Sand und der Aktivatorsubstanz auf einer Oberfläche des Arbeitstisches 4 flächig aufgetragen. Außerdem wird von dem zweiten Spender 8 in einer jeweils zu fertigenden Kontur auf der zuvor ganzflächig aufgetragenen losen Masse aus Sand und der Aktivatorsubstanz die Bindesubstanz aufgetragen. Beiden Spendern 6, 8 sind nicht weiter dargestellte Bevorratungsbehältnisse für die lose Masse aus Sand und der Aktivatorsubstanz sowie der Bindesubstanz zugeordnet.
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Die 1b und 1c zeigen, wie durch den ersten Spender 6 eine erste ganzflächige Schicht 18.1 der losen Masse aus Sand und der Aktivierungssubstanz auf einer Oberfläche des Arbeitstisches 4 aufgetragen wird, wobei der erste Spender 6 zunächst ausgehend von einer Ausgangsposition (1a) zu einer ersten Position (1b) verfahren wird. Dagegen zeigt 1c die vollständig aufgetragene erste Schicht 18.1, die von dem ersten Spender 6 komplett auf der Oberfläche des Arbeitstisches 4 aufgetragen ist. Hierfür wird der erste Spender 6 einmal komplett über den Arbeitstisch 4 verfahren und danach wieder in seine Ausgangsposition verfahren.
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1d zeigt, wie der zweite Spender 8 ausgehend von seiner Ausgangsposition (bspw. 1c) bis zu einer ersten Position relativ zu dem Arbeitstisch 4 verfahren wird, wobei von dem Spender 8 auf die erste Schicht 18.1 aus der losen Masse aus Sand und der Aktivatorsubstanz abschnittsweise die Bindesubstanz aufgetragen wird. Dabei reagieren die lose Masse aus Sand und der Aktivatorsubstanz mit der Bindesubstanz, wobei der Sand ausgehärtet und eine erste Schicht 20.1 eines ausgehärteten Sandkerns bereitgestellt wird.
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Nach Auftragen der ersten Schicht 18.1 der losen Masse sowie nach Bereitstellung der ersten Schicht 20.1 des Sandkerns wird der Arbeitstisch 4, wie anhand von 1f angedeutet, relativ zu den beiden Spendern 6, 8 um eine Schichthöhe nach unten verfahren. Danach wird auf den beiden ersten Schichten 18.1, 20.1 zunächst von dem ersten Spender 6 eine zweite Schicht 18.2 der losen Masse aus Sand und der Aktivatorsubstanz aufgetragen. Danach wird auf dieser zweiten Schicht 18.2 aus der losen Masse von dem zweiten Spender 8 erneut die Bindesubstanz aufgetragen, wobei die zweite Schicht 18.2 aus der losen Masse aus Sand und der Aktivatorsubstanz mit der Bindesubstanz vermischt, reagiert und ausgehärtet wird, wobei eine zweite Schicht 20.2 eines ausgehärteten Sandkerns bereitgestellt wird, wie in 1g dargestellt.
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Diese voranstehend vorgestellten Schritte werden mehrmals nacheinander wiederholt, bis hier, wie in 1h dargestellt, insgesamt zehn Schichten 18.1, 18.2, 18.3, 18.4, 18.5, 18.6, 18.7, 18.8, 18.9, 18.10 der losen Masse aus Sand und der Aktivatorsubstanz und zehn Schichten 20.1, 20.2, 20.3, 20.4, 20.5, 20.6, 20.7, 20.8, 20.9, 20.10 aus ausgehärteten Sandkernen übereinander geschichtet sind, wobei diese genannten Schichten 20.1, 20.2, 20.3, 20.4, 20.5, 20.6, 20.7, 20.8, 20.9, 20.10 aus Sandkernen durch Mischen einer losen Masse aus Sand und der Aktivatorsubstanz einer jeweiligen Schicht 18.1, 18.2, 18.3, 18.4, 18.5, 18.6, 18.7, 18.8, 18.9, 18.10 mit der Bindesubstanz bereitgestellt werden.
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Dabei ist vorgesehen, dass die Schichten 20.1, 20.2, 20.3, 20.4, 20.5, 20.6, 20.7, 20.8, 20.9, 20.10 aus den Sandkernen miteinander verbunden werden bzw. sind und insgesamt die in 1i dargestellte Teilgussform 22 bilden.
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Hierzu ist die Teilgussform 22 aus dem Arbeitstisch 4 zu entnehmen. Die verbliebene lose Masse aus Sand und der Aktivatorsubstanz ist danach von der Teilgussform 22 bspw. durch ein Sauggerät und/oder manuell zu entfernen, wobei innerhalb der Teilgussform 22 u. a. auch ein Hohlraum 24 bereitgestellt wird, der von der Teilgussform 22 bzw. den Schichten 20.1, 20.2, 20.3, 20.4, 20.5, 20.6, 20.7, 20.8, 20.9, 20.10 aus Sandkernen umschlossen und zuvor mit mehreren Schichten 18.4, 18.5, 18.6, 18.7, 18.8, 18.9, 18.10 aus der losen Masse aus Sand und der Aktivatorsubstanz ausgefüllt war, wobei diese lose Masse die Teilgussform 22 zuvor gestützt hat. Dieser Hohlraum 24 wird nach Entfernen der losen Masse aus Sand und der Aktivatorsubstanz gebildet. Da die Teilgussform 22 nicht weiter zu bearbeiten ist, ist sie auch als Gussform, die mindestens die Teilgussform 22 aufweist, zu bezeichnen.
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Danach wird in den Hohlraum 24 flüssiges Ausgangsmaterial 26 gefüllt, wobei dieses flüssige Ausgangsmaterial entweder aus flüssigem Metall oder flüssigem Kunststoff besteht.
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Nach Abkühlen des Ausgangsmaterials 26 wird die Teilgussform 22 entfernt und letztendlich das fertig gegossene Bauteil 28 bereitgestellt.
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In einer Variante der Ausführungsform des Verfahrens wird, wie 1l zeigt, in die Teilgussform 22 ein zusätzlicher Sandkern 30 aus festem gebundenem Sand angeordnet, wobei dieser Sandkern 30 in ähnlicher Weise wie die Teilgussform 22 in einem dreidimensionalen Druckverfahren hergestellt ist. Durch Verbinden der Teilgussform 22 mit dem Sandkern 30 wird eine Gussform 40 bereitgestellt. Danach wird, wie 1m zeigt, in den Hohlraum 24 flüssige Matrixsubstanz 26 aus flüssigem Metall oder flüssigem Kunststoff gefüllt. Nach Aushärten der Matrixsubstanz 26 wird die Gussform 40, die die Teilgussform 22 und den Sandkern 30 aus jeweils ausgehärtetem Sand umfasst, entfernt und ein in 1h dargestelltes Bauteil 32 bereitgestellt, das zusätzlich einen Kanal 34 aufweist, der aus dem zuvor eingelegten Sandkern 30 aus ausgehärtetem Sand gebildet wird.
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Ein weiteres Beispiel für ein derartig fertiggestelltes Bauteil 36 ist in 2 schematisch dargestellt. Dabei weist dieses Bauteil 36 ein Netz 38 aus Kanälen und somit Hohlräumen auf. Dieses Bauteil 36 wird, wie bspw. anhand der 1a bis 1m erläutert, aus einer Teilgussform hergestellt, die wiederum durch ein dreidimensionales Druckverfahren aus Sand hergestellt wird. Nach Herstellung der hierfür vorgesehenen Teilgussform werden in diese Teilgussform mehrere Sandkerne eingelegt, aus denen wiederum die Kanäle gebildet werden. Das Netz 38 aus Kanälen ist in 2b unabhängig von dem Bauteil 36 dargestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2015/029935 A1 [0004]
- DE 202012100640 A1 [0004]
- DE 102014214528 A1 [0005]
- DE 102004027109 A1 [0005]
