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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lüfterrad mit zumindest zwei von einer Nabe ausgehenden Laufschaufeln gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Lüfterrades.
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Gattungsgemäße Lüfterräder sind im Stand der Technik beschrieben und werden bereits verschiedenartig in Viscolüftern bzw. E-Lüfter zur Motorkühlung eingesetzt. Üblicherweise sind derartige Lüfterräder als Kunststoffspritzgussteile ausgebildet.
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Aus der
DE 195 25 829 A1 ist beispielsweise ein gattungsgemäßes Lüfterrad bekannt, mit einzelnen mit einer Nabe und untereinander verbundenen, jeweils einen Strömungskanal umschließenden Strömungssegmenten. Um ein möglichst einfach zu fertigendes Lüfterrad erreichen zu können, welches zudem für vergleichsweise hohe Betriebsdrehzahlen geeignet ist, sind die Strömungssegmente, das heißt konkret die Laufschaufeln, formschlüssig mit der Nabe verbunden und zusätzlich erfolgt eine Befestigung der Strömungssegmente mit mindestens einer Bandage aus einem vorgefertigten, mit Endlosfasern armierten Thermoplastband.
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Zur Erfüllung der stetig wachsenden Forderungen nach Energieeffizienz und CO2-Reduktion, spielt die Motorkühlung in Kraftfahrzeugen eine immer bedeutendere Rolle. Um den steigenden Anforderungen gerecht zu werden, ist unter anderem die Entwicklung von leistungsfähigen Lüftern für eine Wärmeabfuhr aus dem Kraftfahrzeug erforderlich. Um dabei Lüfter mit hohen Drehzahlen und damit auch hoher Leistung realisieren zu können, werden Lüfterräder für derartige Lüfter üblicherweise mittels Kunststoffspritzgussverfahren aus glasfaserverstärktem thermoplastischem Kunststoff hergestellt.
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Aufgrund von gegebenen Lüftergeometrien entstehen jedoch im Standardspritzgießprozess während der Füllung einer entsprechenden Werkzeugkavität mehrere Fließfronten, welche im Bereich, beispielsweise eines Lüfterrings, aufeinander treffen und dort Bindenähte bilden. Diese stellen aufgrund eines Festigkeitsabfalls durch fehlende Molekülverschlaufung in der Bindenaht, eine dadurch begründete Kerbwirkungen sowie Lufteinschlüsse in der Bindenaht stets eine Schwachstelle dar. Zwar lässt sich die Bindenahtqualität bedingt durch die Optimierung der Werkzeug- und Massetemperaturen, der Stau- , Spritz- und Nachdrücke sowie der Einspritzgeschwindigkeiten verbessern, die Vermeidung der Bindenähte durch den Einsatz von Sonderspritzgießverfahren, wie beispielsweise Kaskadenspritzgießen oder Gegentakt-Spritzgießen, führen zu höheren Herstellungskosten. Eine Erhöhung der Wanddicke im Bereich des Lüfterringes zur Verbesserung der Steifigkeit führt ebenfalls zu erhöhten Herstellungskosten aufgrund des erhöhten Materialbedarfs und zusätzlich zu einem erhöhten Gewicht und damit einer höheren Belastung des Lüfters.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für ein Lüfterrad der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile vermeidet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Lüfterring eines faserverstärkten Lüfterrades zusätzlich mit einem thermoplastischen Halbzeug mit sich im Wesentlichen in Umfangsrichtung erstreckenden Fasern zu verstärken und dieses als Armierung dienende thermoplastische Halbzeug mit dem faserverstärkten Kunststoff des Lüfterrades zumindest teilweise zu umspritzen. Das erfindungsgemäße Lüfterrad weist dabei in bekannter Weise zumindest zwei von einer Nabe ausgehende Laufschaufeln auf, die an ihrem äußeren Endbereich stoffschlüssig mit dem zuvor erwähnten Lüfterring verbunden sind. Das Lüfterrad selbst ist nun erfindungsgemäß als faserverstärktes Kunststoffspritzgussteil ausgebildet, wobei der Lüfterring an zumindest einer Bindenaht eines Bindenahtbereichs mit einem umspritzten und/oder angespritzten thermoplastischen Halbzeug, das derart im Bindenahtbereich angeordnet ist, dass seine Fasern, beispielsweise Glas- oder Kohlefasern, die Bindenaht überbrücken, verstärkt ist. Das thermoplastische Halbzeug ist hierfür mit unidirektional orientierten Fasern, insbesondere Endlosfasern, beispielsweise Glasfasern, verstärkt. Durch die unidirektionale Ausrichtung der Fasern wird die maximal mögliche Verstärkung in Richtung der Fasern erzielt. Dementsprechend eignet sich das erfindungsgemäß eingesetzte thermoplastische Halbzeug insbesondere auch für eine lediglich lokale Verstärkung mit gezielter Ausrichtung der Fasern in einem Bauteil, hier konkret im Lüfterring. Mit Hilfe des thermoplastischen Halbzeugs lassen sich so Bereiche der Bindenähte im Lüfterring lokal verstärken, wodurch der hier üblicherweise aufgrund des Kunststoffspritzgießprozesses auftretende Festigkeitsabfall kompensiert werden kann.
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Aufgrund der Bauteilgeometrie treffen während des Füllvorganges im Kunststoffspritzgießprozess im Lüfterring Fließfronten aufeinander, welche die zuvor beschriebenen Bindenähte ausbilden. Aufgrund der Orientierung der Fasern ist im Bereich der Bindenaht die Verstärkung durch die Fasern nicht wirksam, da sich diese oft parallel zur Bindenaht ausrichten, woraus ein nicht unerheblicher Festigkeitsabfall im Bindenahtbereich resultiert. Genau diese Bereiche im Lüfterring lassen sich nun erfindungsgemäß mit den thermoplastischen Halbzeugen gezielt lokal verstärken, wodurch der Festigkeitsabfall in Bindenahtbereich kompensiert werden kann. Dies führt zu einer höheren Belastbarkeit des Lüfterrades und zugleich zu einer Steigerung der Steifigkeit des Lüfterringes, wodurch die Deformation des Lüfters bzw. des Lüfterrades während des Betriebs verringert und dadurch die Belastbarkeit erhöht werden kann. Durch die Erhöhung der Steifigkeit und der Festigkeit können zugleich auch eine Reduzierung der Wanddicke im Lüfterring und somit eine Verringerung des Gewichts erreicht werden, wodurch Leistungsvorteile sowie eine geringere Belastung des Lüfterrades während des Betriebs erreicht werden können. Als Fasern eignen sich hierbei insbesondere Kohlefasern und/oder Glasfasern und/oder Basaltfasern. Ebenfalls möglich sind Aramid- oder Naturfasern.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung erstreckt sich das thermoplastische Halbzeug über den gesamten Umfang des Lüfterrings. Hierdurch kann ein geschlossener Verstärkungsring geschaffen werden, der den Lüfterring vollumfänglich umgibt und vom den faserverstärkten Kunststoff des Lüfterrades umspritzt ist und dadurch die Festigkeit des Lüfterrings nicht nur lokal, sondern überall verstärkt. Durch die sich in Umfangsrichtung erstreckenden Fasern des thermoplastischen Halbzeugs ergibt sich eine erhebliche Festigkeits- und Steifigkeitssteigerung des Lüfterrings und damit auch des Lüfterrades.
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Alternativ hierzu können auch mehrere thermoplastische Halbzeuge vorgesehen sein, die jeweils in Umfangsrichtung zwischen zwei benachbarten Laufschaufeln in einem jeweiligen Bindenahtbereich angeordnet sind. Dies wäre ein Beispiel für eine lediglich lokale Verstärkung des Lüfterrings, so dass insbesondere im Bereich der Laufschaufeln selbst keine Verstärkung und damit kein thermoplastisches Halbzeug vorliegen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist das thermoplastische Halbzeug als UD-Tape ausgebildet. Ein derartiges UD-Tape (unidirektional) ermöglicht eine optimale Erhöhung der Bindenahtfestigkeit, da alle Fasern in eine Richtung liegen und so die verstärkende Wirkung der Fasern maximal genutzt werden kann. Alternativ hierzu ist eine Verwendung eines gewebeverstärkten thermoplastischen Halbzeugs (Organoblech) möglich. Das enthaltene Fasergewebe mit beispielsweise in 0° und 90° orientierten Fasern führt zu einer Verbesserung der Eigenstabilität und ermöglicht somit ein leichteres Handling sowie Positionierung im Spritzgießwerkzeug. Um einen möglichst hohe Verstärkung der Bindenaht zu erreichen, ist es vorteilhaft, ein Halbzeug mit einem Fasergewebe zu verwenden, welches einen möglichst hohen Anteil an Fasern in Umfangsrichtung aufweist. Ebenfalls vorteilhaft wirkt sich die Verwendung eines thermoplastischen Halbzeugs verstärkt mit einem Faservlies auf das Handling und die Positionierung aus. Ebenfalls vorstellbar ist eine Kombination der verschiedenen Halbzeuge.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist das thermoplastische Halbzeug zumindest eine Faserlage mit jeweils unidirektionalen Fasern auf. Selbstverständlich sind je nach gefordertem Verstärkungsgrad auch mehrere Faserlagen denkbar. Durch eine oder mehrere Faserlagen in dem thermoplastischen Halbzeug kann ein besonders einfaches Anpassen der Bewehrung an die gewünschten Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften erreicht werden.
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Zweckmäßig weist das thermoplastische Halbzeug Glasfasern und/oder Kohlefasern und/oder Basaltfasern auf. Ebenfalls möglich sind Aramid- oder Naturfasern. Besonders Kohlefasern weisen dabei ein geringes Gewicht und zugleich eine extrem hohe Festigkeit auf, und sind dadurch besonders bevorzugt zur Verstärkung derartiger Lüfterräder geeignet.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Lüfterrades anzugeben, wobei bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das thermoplastische Halbzeug zunächst in eine Kavität eines Kunststoffspritzgusswerkzeugs eingelegt und anschließend mit faserverstärktem, thermoplastischen Kunststoff umspritzt wird. Der Kunststoff des thermoplastischen Halbzeugs wird dabei beim Umspritzen mit dem thermoplastischen Kunststoff flüssig und verbindet sich dadurch stoffschlüssig mit dem Kunststoff des Lüfterrades, wodurch ein besonders guter Verbund zwischen dem Kunststoff des Lüfterrades und dem thermoplastischen Kunststoff des Halbzeugs geschaffen werden kann. Rein theoretisch ist es selbstverständlich auch denkbar, dass das thermoplastische Halbzeug nicht um, sondern nur angespritzt wird. Um dabei eine möglichst hohe Verbindungsqualität gewährleisten zu können, haben das thermoplastische Halbzeug sowie auch der thermoplastische und faserverstärkte Kunststoff des Lüfterrades das gleiche Matrixmaterial.
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Für eine optimale Verbindungsqualität wird das thermoplastische Halbzeug bevorzugt komplett mit der thermoplastischen Matrix des Lüfterrades umschlossen, wobei selbstverständlich alternativ auch denkbar ist, das thermoplastische Halbzeug lediglich einseitig angespritzt wird, so dass dieses auf der Innen- oder Außenseite oder abwechselnd auf der Innen- und Außenseite des Lüfterringes liegt.
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Die Verbindungsqualität lässt sich zusätzlich durch Öffnungen im Halbzeug verbessern. Das Durchfließen der Schmelze durch die Öffnungen im Halbzeug ermöglicht einen Formschluss, wodurch die Verbindungsqualität zwischen dem Kunststoff des Lüfterrades und dem thermoplastischen Halbzeug verbessert werden kann. Des Weiteren kann über die Größe, Form und Lage der Öffnungen das Füllbild beeinflusst werden. Dies kann beispielsweise genutzt werden, um eine bestimmte Lage des Halbzeugs im Lüfterring zu erhalten. Zur Vermeidung von Kerbspannungen ist die Öffnung im Halbzeug vorzugsweise kreisförmig auszuführen. Die Öffnung lässt sich beispielsweise anhand von Stanzen, Laserschneiden oder direkt im Herstellungsprozess des Halbzeugs umsetzen. Besonders vorteilhaft ist hierbei eine Unterbrechung der Fasern durch die Herstellung der Öffnung zu vermeiden, um so den Verstärkungseffekt der Fasern optimal nutzen zu können. Vorstellbar hierfür wäre das Durchstoßen des aufgeheizten Halbzeugs mit einem Dorn, sodass die Fasern nach außen verdrängt werden und an der Öffnung vorbei laufen.
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Des Weiteren kann die Verbindungsqualität zwischen dem Kunststoff des Lüfterrades und dem thermoplastischen Halbzeug auch durch Vorwärmen des Halbzeugs, beispielsweise durch Infrarotstrahlung, erhöht werden, so dass es nicht ausschließlich beim Kunststoffspritzgießvorgang des Lüfterrades aufgeschmolzen werden muss. Durch das Vorwärmen des Halbzeugs ist es zudem möglich, dieses beim Zufahren des Spritzgusswerkzeugs umzuformen und dadurch in die gewünschte Geometrie zu bringen. Für die Darstellung komplexerer Geometrien bietet es sich wiederum an, das thermoplastische Halbzeug vorab umzuformen und im bereits umgeformten Zustand in das Kunststoffspritzgusswerkzeug einzulegen. Durch die Wahl einer bestimmten vorgeformten Geometrie kann dabei insbesondere ein Verrutschen des Halbzeugs in der Werkzeugkavität vermieden werden. Zudem ist auch denkbar, dass die Form des vorumgeformten Halbzeugs derart gewählt wird, dass lediglich eine einzige Einbaulage in die Kavität des Kunststoffspritzgießwerkzeugs möglich ist.
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Alternativ ist es denkbar, das Halbzeug nicht im Spritzgießprozess zu umspritzen, sondern das Halbzeug nachträglich auf den gespritzten Lüfter auf die Außenseite des Lüfterrings aufzuschweißen.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend 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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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
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1 ein Lüfterrad gemäß dem Stand der Technik,
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2 ein erfindungsgemäßes Lüfterrad mit im Bereich von Bindenahtstellen in einem Lüfterring lokal angeordneten thermoplastischen Halbzeugen,
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3 eine Darstellung wie in 2, jedoch mit einem im Bereich des Lüfterrings vollumfänglich verlaufenden thermoplastischen Halbzeug,
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4 eine teilweise geschnittene Darstellung des Lüfterrades aus 3 mit dem umlaufenden thermoplastischen Halbzeug.
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Entsprechend den 2 bis 4, weist ein erfindungsgemäßes Lüfterrad 1 mehrere von einer Nabe 2 ausgehende Laufschaufeln 3 auf, die an ihrem radial äußeren Endbereich stoffschlüssig mit einem Lüfterring 4 verbunden sind. Im Lüfterring 4 ist dabei zwischen zwei benachbarten Laufschaufeln 3 ein Bindenahtbereich 5 angeordnet, in welchem beim Spritzgießen des Lüfterrades 1 zwei Fließfronten aufeinander treffen. Dies bewirkt, dass sich einzelne Fasern 6 des faserverstärkten Kunststoffs des Lüfterrades 1 parallel zueinander und auch im Wesentlichen parallel zu einer Bindenaht 7 ausrichten, wodurch an jeder Bindenaht 7 eine potentielle Schwachstelle entsteht, da diese nicht von Fasern 6 überbrückt wird (vgl. 1).
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Bei dem erfindungsgemäßen Lüfterrad 1 gemäß den 2 bis 4 ist das Lüfterrad 1 als faserverstärktes Kunststoffspritzgussteil ausgebildet, jedoch ist der Lüfterring 4 an zumindest einem Bereich, insbesondere in den jeweils zwischen zwei benachbarten Laufschaufeln 3 gelegenen Bindenahtbereichen 5, mit einem eingespritzten oder angespritzten thermoplastischen Halbzeug 8 mit sich vorzugsweise in Umfangsrichtung des Lüfterrades 1 erstreckenden Fasern 9 verstärkt. Die Fasern 9 überbrücken dabei die jeweilige Bindenaht 7 und verstärken damit die in diesem Bindenahtbereich 5 aufgrund der zwei aufeinander treffenden Fließfronten üblichen Schwachstellen.
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Die Fasern 9 in dem thermoplastischen Halbzeug 8 sind dabei üblicherweise unidirektional ausgerichtet, wobei sich das thermoplastische Halbzeug 8 wahlweise über den gesamten Umfang des Lüfterrings 4 erstreckt (vergleiche die 3 und 4) oder aber jeweils nur im Bindenahtbereich 5 zwischen zwei benachbarten Laufschaufeln 3 angeordnet ist (vergleiche 2).
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Vorzugsweise ist das thermoplastische Halbzeug 8 als sogenanntes UD-Tape ausgebildet und weist dabei zumindest eine Faserlage auf, kann aber je nach gewünschtem Verstärkungsgrad auch mehrere Faserlagen aufweisen.
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Generell lässt sich die Verbindungsqualität zusätzlich durch Öffnungen 10 im Halbzeug 8 verbessern. Das Durchfließen der Schmelze durch die Öffnungen 10 im Halbzeug 8 ermöglicht einen Formschluss, wodurch die Verbindungsqualität zwischen dem Kunststoff des Lüfterrades 1 und dem thermoplastischen Halbzeug 8 verbessert werden kann. Des Weiteren kann über die Größe, Form und Lage der Öffnungen 10 das Füllbild beeinflusst werden. Dies kann beispielsweise genutzt werden, um eine bestimmte Lage des Halbzeugs 8 im Lüfterring 4 zu erhalten. Zur Vermeidung von Kerbspannungen ist die Öffnung 10 im Halbzeug 8 vorzugsweise kreisförmig auszuführen. Die Öffnungen lassen sich beispielsweise durch Stanzen, Laserschneiden oder direkt im Herstellungsprozess des Halbzeugs 8 herstellen.
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Üblicherweise weist das thermoplastische Halbzeug 8 Glasfasern und/oder Kohlefasern und/oder Basaltfasern auf, wobei insbesondere Kohlefasern eine hohe Festigkeit und auch eine hohe Steifigkeit des Lüfterrings 4 und damit auch des Lüfterrades 1 bei gleichzeitig geringem Gewicht ermöglichen. Ebenfalls möglich sind Aramid- oder Naturfasern. Durch die Verstärkung des Lüfterrings 4 mit dem thermoplastischen Halbzeug 8 kann insbesondere auch eine höhere Umdrehungsgeschwindigkeit des Lüfterrades 1 erzielt werden.
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Hergestellt wird das erfindungsgemäße Lüfterrad 1, indem zunächst das Halbzeug 8 oder die Halbzeuge 8 in eine entsprechende Kavität eines Kunststoffspritzgießwerkzeugs eingelegt und anschließend der faserverstärkte Kunststoff des Lüfterrades 1 eingespritzt wird. Beim Einspritzen des faserverstärkten Kunststoffs wird der Kunststoff des thermoplastischen Halbzeugs 8 aufgeschmolzen oder zumindest angeschmolzen und geht dadurch eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Kunststoff des Lüfterrades 1 ein. Beim Kunststoffspritzgießen des Lüfterrades 1 erfolgt dabei vorzugsweise ein vollständiges Umschließen des thermoplastischen Halbzeugs 8 mit dem Kunststoff des Lüfterrades 1, wobei jedoch alternativ auch lediglich ein Anspritzen denkbar ist.
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Mit dem erfindungsgemäßen thermoplastischen Halbzeug 8 ist insbesondere die Verstärkung von schadensanfälligen Bindenahtbereichen 5 zwischen zwei benachbarten Laufschaufeln 3 sowohl kostengünstig als auch gewichtsoptimiert möglich, wodurch die Leistung eines derartigen Lüfterrades 1, insbesondere im Hinblick auf eine zu erreichende Drehzahl, gesteigert und das Gewicht reduziert werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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