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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbindungselement für einen elektrischen Leiter, um diesen Leiter mit anderen elektrischen Leitern zu verbinden. Das Verbindungselement ist besonders für Flachleiter aus Aluminium geeignet, die in größerem Umfang im Bordnetz von Fahrzeugen Anwendung finden.
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Stand der Technik
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Aluminium ist ein Werkstoff, der aufgrund des niedrigeren Preises und geringeren Gewichts für Anwendungen im Fahrzeug interessant ist, jedoch im Gegensatz zu Kupfer weniger elastische, sondern unter mechanischen Druck eher fliessende Eigenschaften hat. Damit ergeben sich neue Herausforderungen bei der Kontaktierung von Aluminium-Leitern. Die vorbekannten Lösungen für Kupferleitungen sind oftmals nicht zuverlässig nutzbar, da die Aluminium-Verbindungen nicht die gleiche Haltbarkeit haben.
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Zudem sind Übergänge vom Alumium zum Kupfer aufgrund der unterschiedlichen mechanischen und elektrischen Eigenschaften beider Metalle kritisch. Aluminium ist korrosionsbeständig dank einer widerstandsfähigen Oxidschicht, die sich auf seiner Oberfläche unter der Einwirkung von Sauerstoff bildet.
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Beim Zusammenfügen von Aluminium mit Kupfer setzt beim Vorhandensein von Feuchtigkeit eine elektrochemische Reaktion durch Kontaktelementbildung ein. Bei diesem Prozess spielen die durch die elektrochemische Spannungsreihe gegebenen Potentialdifferenzen eine entscheidende Rolle.
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Das Kontaktelement wird gebildet durch die Kupferelektrode (Anode), den Elektrolyten (Wasser) und die Aluminiumelektrode (Katode). Die von diesem Element erzeugte Spannung wird über den Kontakt von Kupfer und Aluminium kurzgeschlossen.
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Entsprechend der dabei auftretenden Stromstärke erfolgt eine Ablagerung bzw. Zersetzung des Aluminiums. Bei einer elektrischen Verbindung erhöht sich als Folge der Übergangswiderstand, was zu einem Temperaturanstieg und weiterer Zerstörung führen kann.
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Entsprechend große Entwicklungsanstrengungen werden auf die Herstellung zuverlässiger Aluminium-Kupfer Verbindungen aufgewendet. Die
DE102012214161A1 ,
DE102014004432A1 ,
DE102014004433A1 und
DE102012214158A1 zeigen jeweils Lösungen für solche Verbindungen, jedoch sind diese nur aufwendig erzeugbar und entsprechend kostspielig.
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Beschreibung der Erfindung
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Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Defizite zu beheben oder zumindest abzumindern. Diese Aufgabe wird durch das Verbindungselement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den Figuren zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß weist das Verbindungselement für einen elektrischen Leiter eine erste Halbschale auf, die mit einer Unterlage verbindbar ist, nachdem zwischen erster Halbschale und Unterlage der elektrische Leiter eingelegt wurde. Die erste Halbschale besteht aus einer Verformungszone, einer Klemmzone und einer Dichtungszone. Dabei unterscheidet sich die Schalentiefe dieser drei Zonen. Mit Schalentiefe ist dabei der Abstand von Schalenrand zu dem tiefsten Punkt der jeweiligen Zone gemeint. Dabei hat die Verformungszone die geringste Schalentiefe im Vergleich zur Klemmzone mit mittlerer Schalentiefe und Dichtungszone mit hoher Schalentiefe, d.h. die Schale ist in der Dichtungszone tiefer als in der Verformungs- und Klemmzone.
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Dadurch entsteht eine Halbschale, die beim Zusammenpressen von erster Halbschale und Unterlage den elektrischen Leiter in den unterschiedlichen Zonen unterschiedlich beeinflusst. In der Verformungszone wird der elektrische Leiter durch die geringe Schalentiefe verformt, d.h. es kommt zu einer plastischen Verformung des elektrischen Leiters. In der Klemmzone ist die Schalentiefe nur geringfügig geringer als die anteilige Dicke des elektrischen Leiters, so dass dieser nur geklemmt, jedoch nicht verformt wird. Die Dichtungszone ist auf eine Isolierung des elektrischen Leiters abgestimmt und soll die erste Halbschale gegenüber dem elektrischen Leiter abdichten.
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Über Verformungszone und Klemmzone kommt es zu einem großflächigen elektrischen Kontakt zwischen erster Halbschale, damit auch dem Verbindungselement, und dem elektrischen Leiter. Durch die Verformung bzw. Klemmung wird zudem die Oxidschicht des elektrischen Leiters aufgebrochen und damit der elektrische Kontakt hergestellt (Oxidschicht ist nicht leitend). Indem der elektrische Leiter im Bereich des elektrischen Kontaktes durch die erste Halbschale und die Unterlage eingeschlossen wird, wird verhindert, dass Sauerstoff in diesen Bereich eindringen kann, wodurch auch eine spätere Oxidation gestoppt wird.
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Mit diesem Verbindungselement wird ein zuverlässiger und lang haltender elektrischer Kontakt zwischen elektrischem Leiter und Verbindungselement hergestellt.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung nimmt die Schalentiefe der ersten Halbschale in der Verformungszone in Richtung der Klemmzone zu. Damit wird die Verformung des elektrischen Leiters erleichtert und möglichen Brüchen durch unstetige Übergänge vorgebeugt. Das Material des elektrischen Leiters wird damit vorzugsweise zum Ende des elektrischen Leiters, also fort von der Klemmzone verdrängt.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht weiterhin vor, dass die Schalenbreite der Verformungszone in Richtung der Klemmzone abnimmt. Anders gesagt, die Schalenbreite nimmt zum Ende des elektrischen Leiters zu und ermöglicht damit dem Material des elektrischen Leiters, der vor der Verformung einen regelmäßigen rechteckförmigen Querschnitt hat, in diese Verbreiterung hinein zu fließen. Durch die damit entstehende Keilform entsteht zusätzlich ein fester Sitz des elektrischen Leiters in der Halbschale, die den elektrischen Leiter gegen eine Zugkraft aus dem Verbindungselement heraus sichert.
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Das Aufbrechen der Oxidschicht des elektrischen Leiters wird durch weitere vorteilhafte Maßnahmen verbessert, so kann die Oberfläche der Halbschale in der Verformungszone eine Narbung aufweisen, insbesondere durch eine Vielzahl scharfkantiger Spitzen oder Seiten, die beim Zusammenfügen von erster Halbschale und Unterlage sich in die Oberfläche des elektrischen Leiters hineinpressen.
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Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Oberfläche der ersten Halbschale im Bereich der Verformungszone eine Bombierung aufweist. Diese Bombierung hat eine konvexe Form, d.h. sie reicht entlang einer Mittelachse der Halbschale weiter in den elektrischen Leiter hinein als an den beiden Außenseiten der Halbschale. Damit wird ausgehend von der Mitte das Material des elektrischen Leiters in die Seitenbereiche verdrängt und damit eine verbesserte Abdichtung des Kontaktbereiches zwischen elektrischem Leiter und Verbindungselement erreicht.
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Da die Klemmzone der ersten Halbschale einen Übergang zwischen Verformungszone und Dichtungszone darstellt, werden innerhalb der Klemmzone auch mögliche Biegekräfte bei der Verformung des elektrischen Leiters aufgefangen und nicht weiter an den elektrischen Leiter im ungeschwächten Bereich der Dichtungszone oder darüber hinaus weitergegeben. Vorteilhafterweise kann damit die Klemmzone kürzer ausfallen als die Verformungszone. Letztere trägt entsprechend dieser Weiterbildung die Hauptlast für den elektrischen Kontakt. Auch kann die erste Halbschale im Bereich dieser Klemmzone mit einer Narbung versehen sein, um auch hier die Oxidschicht aufzubrechen und den Kontakt zu verbessern.
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Eine weitere Verbesserung des elektrischen Kontaktes zwischen Verbindungselement und elektrischem Leiter wird entsprechend einer Weiterbildung erreicht, indem auf die Oberfläche der ersten Halbschale in der Verformungszone und/oder der Klemmzone ein leitfähiges Fett aufgetragen ist. Das leitfähige Fett verhindert das Eindringen von Sauerstoff und verringert zudem durch Ausfüllen verbleibender Hohlräume den Übergangswiderstand zwischen elektrischem Leiter und Verbindungselement.
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Das Eindringen von Sauerstoff kann zudem auch dadurch verringert werden, indem nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung auf die Oberfläche der ersten Halbschale in der Dichtungszone ein Dichtungsmittel aufgetragen ist. Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn als Dichtungsmittel ein Druckaktivierbarer Klebstoff benutzt wird, der während des Zusammendrückens von erster Halbschale und Unterlage zum Einen eine feste Verbindung zwischen beiden erzeugt und zum Anderen die Abdichtung bewirkt.
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Um eine elektrische Verbindung zwischen Verbindungselement und weiteren Leitern herbeizuführen, sieht eine vorteilhafte Weiterbildung vor, dass in die erste Halbschale eine Kontaktteilaufnahme an der der Verformungszone zugewandten Seite vorgesehen ist. Vorteilhafterweise stehen Kontaktteilaufnahme und Verformungszone nicht in Kontakt. Damit wird auch verhindert, dass, wenn für das Kontaktteil, das in die Kontaktteilaufnahme zu legen ist, und elektrischem Leiter, unterschiedliche Materialien, z.B. Kupfer gegenüber Aluminium gewählt werden.
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Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Unterlage durch eine zweite Halbschale gebildet wird, insbesondere wenn die zweite Halbschale symmetrisch zur ersten Halbschale ausgeformt ist. Damit sind Gleichteile möglich und auch die Montage beider Komponenten wird vereinfacht.
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Bei der Materialwahl hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die erste Halbschale und die Unterlage aus einem leitenden Material, insbesondere Stahl oder eine Legierung, welche einen günstigen Leitwert aufweist (z.B.: Aldrey), bestehen. Diese Materialien haben federnde Eigenschaften, d.h. sie halten nach der Verbindung den Druck auf den dazwischenliegenden elektrischen Leiter aufrecht. Beide Materialien haben ausreichende elektrisch leitende Eigenschaften, wodurch durch den großflächigen elektrischen Kontakt dieser kleine Nachteil gegenüber Kupfer ausgeglichen werden kann.
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Das Verbindungselement wird dadurch hergestellt, indem die erste Halbschale und die Unterlage bei dazwischenliegenden Leitern unter Druck miteinander verbunden werden und zusätzlich Fixierungsstellen vorgesehen sind. Die Fixierungsstellen sind vorteilhafterweise beidseitig neben zumindest einer der Zonen; Verformungszone, Klemmzone und/oder Dichtungszone, angeordnet. Weitere Fixierungsstellen können neben oder oberhalb der Kontaktteilaufnahme angeordnet sein. Diese beidseitige, in der Regel symmetrische Anordnung der Fixierungsstellen erzeugt einen ausreichenden Druck, um möglichen Wanderungsbewegungen des Materials des elektrischen Leiters entgegenzuwirken. Als vorteilhafte Verfahren zur Herstellung dieser Fixierungsstellen haben sich Durchsetzfügen (Toxen) oder Nieten herausgestellt. Damit entsteht eine Struktur, die sich für Aluminium-Flachleiter, die mit weiteren Kupferleitungen verbunden werden sollen, bewährt hat.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine erste Halbschale in Seitenansicht,
- 2 zeigt die erste Halbschale in Draufsicht,
- 3 zeigt die Unterlage, die durch eine zweite Halbschale gebildet wird, in Seitenansicht, und
- 4 zeigt ein Kontaktteil, das in die Kontaktteilaufnahme einlegbar ist.
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Das Verbindungselement für einen nur andeutungsweise dargestellten elektrischen Leiter 1 (vor einer Verformung) nach 1 weist eine erste Halbschale 2 auf. Diese erste Halbschale 2 ist in Seitendarstellung im Schnitt entlang einer Mittelachse dargestellt. An beiden Rändern der ersten Halbschale 2 ist die Höhe der Halbschale jeweils konstant. In der Mitte jedoch, siehe 1, verändert sich die Schalentiefe T4, T5, T6. Beginnend mit einer Dichtungszone 6, also von der Seite, von der der Leiter 1 einzuführen ist, zeigt die erste Halbschale 2 eine hohe Schalentiefe T6, wobei der Sprung zwischen dieser hohen Schalentiefe T6 im Bereich der Dichtungszone 6 und einer mittleren Schalentiefe T5 innerhalb einer benachbarten Klemmzone 5 in etwa der Dicke einer Isolierung des elektrischen Leiters 1 entspricht.
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An die Klemmzone 5 schließt sich eine Verformungszone 4 an, deren Schalentiefe T4 zum anderen Ende der ersten Halbschale 2 weiter abnimmt. Zwischen Verformungszone 4 und einer Kontaktteilaufnahme 10 beträgt die Schalentiefe T4 gleich null. Im Bereich der Kontaktteilaufnahme 10 ist eine geringe Vertiefung vorgesehen, um ein in 4 erläutertes Kontaktteil 13 aufzunehmen. In 1 ist dargestellt, dass die Schalentiefe T4 innerhalb der Verformungszone 4 kontinuierlich vom Niveau der Klemmzone 5 in Richtung Kontaktteilaufnahme 10 auf null abnimmt. Es wären jedoch auch andere Profile denkbar, die diesen Übergang gestalten. Die erste Halbschale 2 besteht aus Stahl, hat eine Länge von ungefähr 15 cm und eine Breite von ungefähr 8 cm. Der zu verbindende elektrische Leiter - ein Flachleiter aus Aluminium - hat die Maße Breite 6 cm und Höhe 0,1 cm.
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Die Breite der ersten Halbschale 2 ist aus der Draufsicht nach 2 besser dargestellt. Die zuvor erläuterten Schalentiefen T4, T5, T6 befinden sich im Innenraum der ersten Halbschale 2, also zwischen den beiden begrenzenden Seiten. Die innenliegenden Verformungszone 4, Klemmzone 5 und Dichtungszone 6 sind jeweils schraffiert dargestellt. 2 zeigt dabei auch, dass eine Schalenbreite B4 der Verformungszone 4 von der Klemmzone 5 hin zu der Kontaktteilaufnahme 10 zunimmt. Damit ist es möglich, dass ein zuvor nur die Breite der Klemm- oder Dichtungszone aufweisender elektrischer Leiter 1 bei der Verformung in die sich aufweitende Spachtelform der ersten Halbschale 2 innerhalb der Verformungszone 4 hineingedrückt wird.
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Es ist weiterhin gezeigt, dass beidseitig an den ca. 1 cm breiten Seiten der ersten Halbschale 2 eine Mehrzahl von Fixierungspunkten 12 vorgesehen ist. Diese Fixierungspunkte 12 erstrecken sich in etwa gleichen Abständen entlang der Verformungszone 4, der Klemmzone 5 und der Dichtungszone 6. Auch beidseitig der Kontaktteilaufnahme 10 ist jeweils eine Fixierungsstelle 12 vorgesehen. Eine weitere Fixierungsstelle 12 befindet sich etwa mittig innerhalb der Kontaktteilaufnahme 10.
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In 3 ist eine zweite Halbschale dargestellt, die die Unterlage 3 bildet. Diese zweite Halbschale 3 weist spiegelbildlich zur ersten Halbschale 2 eine Kontaktteilaufnahme 10, eine Verformungszone 4, eine Klemmzone 5 und eine Dichtungszone 6 auf. In 1 ist dargestellt, dass sowohl die erste Halbschale 2 im Bereich der Verformungszone 4 als auch innerhalb der Klemmzone 5 eine Narbung 7 aufweist, die hin zu dem einzuführenden elektrischen Leiter gerichtet ist. Die Narbung 7 wird durch eine große Anzahl regelmäßig angeordneter scharfkantiger Spitzen an der innenliegenden Oberfläche der ersten Halbschale 2 gebildet.
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Auf den gleichen Flächen der zweiten Halbschale 3 nach 3 ist gezeigt, dass auf diese Flächen ein leitfähiges Fett 8 aufgetragen ist. Auf die Fläche der Dichtungszone 6 ist hingegen ein Dichtungsmittel, ein druckaktivierbarer Kleber, z.B. ein Acrylat-Kleber, aufgetragen. Vorteilhafterweise im Sinne eines Gleichteilprinzips hat jedoch auch die Oberfläche der zweiten Halbschale 3 nach 3 die zu 1 erläuterte Narbung 7 und auch auf die Oberflächen der ersten Halbschale 2 werden, wie zur zweiten Halbschale 3 nach 3 erläutert, das leitfähige Fett 8 und das Dichtungsmittel 9 aufgetragen.
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Das in 4 erläuterte Kontaktteil 13 mit einem Leitungsabgang 14, der ein Crimpanschluss oder eine Kontaktfläche für einen Schweißanschluss darstellen kann, wird in die in 2 gezeigte Kontaktteilaufnahme 10 der ersten Halbschale 2 eingelegt, bevor diese mit dem elektrischen Leiter 1 und der zweite Halbschale 3 verbunden wird. Das Kontaktteil 13 und der damit einstückig verbundene Leitungsabgang 14 bestehen aus Kupfer oder einer Kupferlegierung.
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Die Herstellung der Verbindung zwischen Verbindungselement und elektrischem Leiter 1 erfolgt folgendermaßen:
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In die erste Halbschale 2 wird das Kontaktteil 13 und der elektrische Leiter 1 eingelegt, nachdem die zugehörigen Flächen innerhalb der ersten Halbschale 2 mit leitfähigem Fett 8 bestrichen wurden. Alternativ können auch Kontaktteil 13 oder der elektrische Leiter 1 an den Stellen ohne Isolierung mit diesem leitfähigen Fett 8 vor dem Einlegen versehen sein. Gleiches gilt sinngemäß für die zweite Halbschale 3.
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Anschließend wird die zweite Halbschale 3 passgenau auf den elektrischen Leiter 1, das Kontaktteil 13 und die erste Halbschale 2 aufgelegt. Dann werden mittels einer hydraulischen Presse beide Halbschalen 2, 3 aufeinander gepresst, bis sie nach dem Verformen des elektrischen Leiters 1 auch im Randbereich aufeinander aufsitzen.
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Dabei verformt sich der elektrische Leiter 1 im Bereich der Verformungszone 4, währenddessen im Bereich der Klemmzone 5 sich die Narbungen 7 beider Halbschalen 2, 3 lediglich in die Oberfläche des elektrischen Leiters 1 eingraben und die Oxidschicht des elektrischen Leiters 1 aufbrechen.
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Anschließend an diese Verformung und das Zusammenpressen der beiden Halbschalen 2, 3 werden die Fixierstellen 12 mittels Durchsetzfügen gesetzt. Dieses kann alternativ auch gleichzeitig mit dem hydraulischen Verpressen in einem gemeinsamen Werkzeug erfolgen.
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Anschließend wird das nun mit dem elektrischen Leiter 1 verbundene Verbindungsteil aus dem Werkzeug entnommen und es kann gegebenenfalls ein weiterer elektrischer Leiter mit dem Kontaktteil 13 im Bereich des Leitungsabgangs 14 verbunden werden.
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Bezugszeichenliste
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| Leiter |
1 |
| Halbschale |
2 |
| Unterlage |
3 |
| Verformungszone |
4 |
| Klemmzone |
5 |
| Dichtungszone |
6 |
| Narbung |
7 |
| Leitfähiges Fett |
8 |
| Dichtungsmittel |
9 |
| Kontaktteilaufnahme |
10 |
| der Verformungszone zugewandte Seite |
11 |
| Fixierungsstellen |
12 |
| Kontaktteil |
13 |
| Leitungsabgang |
14 |
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| Schalenbreite |
B4 |
| Schalentiefe |
T4, T5, T6 |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012214161 A1 [0007]
- DE 102014004432 A1 [0007]
- DE 102014004433 A1 [0007]
- DE 102012214158 A1 [0007]
