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Die Erfindung betrifft ein Pulverspritzgießverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Pulverspritzgießvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 und ein Spritzgussteil mit den Merkmalen des Anspruchs 13.
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Es ist aus der
DE 10 2012 206 087 A1 bekannt, Bauteile eines Flugzeugtriebwerkes durch ein Metallspritzgussverfahren herzustellen. Dazu werden Grünlinge nacheinander in eine Gussform eingesetzt.
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Es besteht die Aufgabe, ein effizientes Pulverspritzgießverfahren bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch das Pulverspritzgießverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Bei einem Pulverspritzgießverfahren wird mindestens ein vorbestimmter Bereich einer Gussform mit einem ersten Feedstock jeweils für einen vorbestimmten Zeitraum beim Füllen der Gussform von mindestens einem zweiten Feedstock abgetrennt und / oder ausgespart, so dass in der Gussform mindestens zwei Bereiche mit unterschiedlichem Feedstocks vorliegen. Durch Verwendung von abgetrennten Bereichen in der Gussform können diese Bereiche mit unterschiedlichem Feedstock gefüllt werden. Damit können belastungsgerechte und entsprechend funktionalisierte Bauelemente durch das Pulverspritzgießverfahren erzeugt werden.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens werden nacheinander in Spritzvorgängen vorbestimmte Bereiche mit Feedstocks mit unterschiedlichen Eigenschaften gebildet. Dabei kann insbesondere durch aufeinanderfolgende Spitzvorgänge mindestens ein Übergangsbereich zwischen vorbestimmten Bereichen geschaffen werden, wobei die Eigenschaften der Feedstocks jeweils an benachbarte Feedstocks angepasst sind, so dass ein gradierter Übergang erzeugt wird. Die angepassten Eigenschaften können z.B. die Steifigkeit, die mechanische Belastbarkeit gegen Abrieb oder die Härte des Bauteils sein, dass durch das Spritzgießverfahren hergestellt werden soll. Die Gradierung der Eigenschaften hilft, das Zusammenspiel der Teilbereiche (mit unterschiedlichen Eigenschaften) in einer Komponente zu begünstigen oder gar überhaupt zu ermöglichen.
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In einer Ausführungsform wird nach dem Füllen der Gussform mit den Feedstocks ein Mehrkomponentengrünling gepresst, der anschließend zu einem Bräunling entbindert wird, wobei der Bräunling dann gesintert wird.
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Ferner kann in einer Ausführungsform mindestens ein Feedstock ein Metall, insbesondere in Form von Nickel oder einer Nickellegierung, Titan oder einer Titanlegierung und / oder eine Keramik in Form von Wolframkarbid aufweisen.
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Auch ist es möglich, dass in einer Ausführungsform der mindestens eine erste Feedstock als eine Beschichtung auf den mindestens einen zweiten Feedstock aufgebracht wird.
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Auch ist es möglich, dass mindestens ein Feedstock in Form eines Grünlings vorliegt, wobei der mindestens eine andere Feedstock (d.h. als ein Gemisch aus Metall/Keramik-Pulver mit einem Binder) vorliegt.
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Für die Herstellung von Bauteilen eines Flugzeugtriebwerkes kann mindestens einer der Feedstocks verschleißbeständiger ausgebildet sein, als einer der anderen Feedstocks. Damit kann z.B. der Abrieb an beweglichen Elementen oder in Kontaktzonen mit Relativbewegung reduziert werden.
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Für die Erzielung von gradierten Übergängen können in einer Ausführungsform die Feedstocks in einem Übergangsbereich und anderen Bereichen der Gussform die gleichen Bestandteile aufweisen, aber in unterschiedlichen Zusammensetzungen. Da Feedstocks verwendet werden, ist eine Abstufung der Einsatzmaterialien für unterschiedliche Bereiche effizient möglich.
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Insbesondere können in einem Verfahren die Feedstocks so in der Gussform vorliegen, dass mindestens ein Übergangsbereich zwischen einem Bereich mit einem metallischen Feedstock zu einem Bereich mit einem keramischen Feedstock gebildet wird.
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Die Aufgabe wird auch durch eine Pulverspritzgießvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.
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Durch den Einsatz mindestens eines Trennmittels ist mindestens ein vorbestimmter Bereich beim Füllen der Gussform mit einem ersten Feedstock jeweils für einen vorbestimmten Zeitraum von mindestens einem zweiten Bereich mit einem zweiten Feedstock abtrennbar und / oder aussparbar.
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In einer Ausführungsform weist das Trennmittel einen Schieber zur Bildung der abgetrennten Bereiche in der Gussform und / oder einen Kern auf. So können die Bereiche für die Wellen mit dem Kern belegt werden. Anschließend wird das Schaufelblatt angeordnet. Dann werden die Kerne entfernt und die Wellen angespritzt. Oder ein Kern bildet den Bereich eines Schaufelblattes, wobei an dieses Teil die Wellen angespritzt werden. Anschließend entfernt man den Kern und spritzt das Schaufelblatt ein.
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Ferner wird die Aufgabe durch ein Pulverspritzgussteil herstellbar nach einem der Verfahren gemäß der Ansprüche 1 bis 10 gelöst. Dabei kann es sich insbesondere um ein Luftleitelement, insbesondere einen Stator oder Rotor für eine Turbine oder einen Kompressor eines Flugzeugtriebwerkes mit einem Schaft handeln.
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In Zusammenhang mit den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Erfindung erläutert. Dabei zeigt
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1 eine erste Ausführungsform einer Spritzgießvorrichtung mit zwei Bereichen unterschiedlicher Feedstocks;
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2 eine zweite Ausführungsform einer Spritzgießvorrichtung mit vier Bereichen unterschiedlicher Feedstocks;
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3 die Herstellung eines Stators mit verbundenen Wellen als Beispiel für eine Funktionalisierung der Gesamtkomponente;
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4 eine schematische Darstellung einer Gussform für den Stator gemäß 3;
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5 eine schematische Darstellung einer beschichteten Schaufel als Produkt einer Ausführungsform einer Spritzgießvorrichtung.
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Im Folgenden werden Ausführungsformen zu Pulverspritzgießverfahren und Pulverspritzgießvorrichtungen anhand von Beispielen des Metallspritzgießens erläutert. Grundsätzlich sind die Ausführungsformen auch auf andere Pulverspritzgießverfahren oder -vorrichtungen übertragbar.
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Für das Metallspritzgießen werden in der Regel sehr feine Metallpulver mit thermoplastischen Bindern und Plastifizierern gemischt und in ein homogenes, Einsatzmaterial P1, P2, P3, P4 überführt, den Feedstock, d.h. eine Mischung aus Metall/Keramikpulver und Binder. Um eine gute Fließfähigkeit des Feedstocks P1, P2, P3, P4 zu erzielen und damit eine optimale Verarbeitbarkeit auf der Spritzgießmaschine einzustellen, ist es vorteilhaft, sphärische, z.B. inertgasverdüste, Pulver zu verwenden. Es kann grundsätzlich auch ein Pulver mit spratzigen Partikeln (meist wasserverdüst) eingesetzt werden.
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Der Binder hat die Aufgabe, die Feedstock P1, P2, P3, P4 eine spritzgießfähige Konsistenz zu geben und die Metallpulverteilchen zu einem Grünling zusammenzuhalten, da diese während des Spritzgießens in der Regel nicht verformt werden. Der Volumenanteil des Metallpulvers im Feedstock P1, P2, P3, P4 liegt üblicherweise zwischen 70 und 50 Vol.-Prozent. Dabei sind unterschiedliche Bindersysteme verfügbar, die sich in ihren Verarbeitungseigenschaften, den bewirkten Grünteilfestigkeiten und der Art der Entbinderung unterscheiden.
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Der Feedstock P1, P2, P3, P4 lässt sich auf Spritzgießmaschinen bei Temperaturen zwischen 80 und 220°C verarbeiten. Der Prozess führt zu Formkörpern, die schon alle typischen geometrischen Merkmale des fertigen Bauteiles aufweisen, aber ein um den Binderanteil vergrößertes Volumen besitzen. Die Grünteile können manuell oder automatisiert gehandhabt werden.
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In einem anschließenden Prozess werden die organischen Bestandteile aus dem Formling ausgetrieben. Gängige Feedstocks P1, P2, P3, P4 nutzen hierzu z.B. eine katalytische, eine thermische oder eine Lösemittel-Entbinderung. Es kann auch eine Kombination aus unterschiedlichen Entbinderungsschritten verwendet werden, z.B. erst ein Lösungsmittelentbindern mit anschließenden thermischen Entbindern.
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Es werden nicht alle Bestandteile des Binders in einem Schritt aus dem Bauteil getrieben. In der Regel wird der Entbinderungsprozess in zwei Stufen durchgeführt:
- 1. Beim Lösungsmittelentbindern wird ein Teil des Bindersystems entfernt. Es bleibt eine offenporöse Struktur.
- 2. Beim thermischen Entbindern wird schließlich das Backbone-Polymer aus der Komponente getrieben. Meist wird das thermische Entbindern in einem kombinierten Prozess mit dem Sintern gefahren, um ein Umsetzen der fragilen Teile nach dem thermischen Entbindern zu vermeiden.
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Während des Entbinderungsprozesses wird der „Grünling“ in einen porösen und daher empfindlichen, aber dennoch handhabbaren Körper, den Bräunling, überführt. Beim Sintern – in üblicher Schutzgasatmosphäre oder im Vakuum – werden die Pulverteilchen miteinander versintert. Sie rücken dabei derart zusammen, dass die Porosität aus dem Körper fast vollständig verschwindet. In Folge dessen verkleinert sich sein Volumen. Auf diese Weise erhält man rein metallische Bauteile mit einer geringen Restporosität (in der Regel kleiner als 10 Vol.-Prozent).
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Die Ausführungsformen, die in der Folge beschrieben werden, erlauben die Herstellung von Bauteilen, bei denen unterschiedliche Bereiche auch mit unterschiedlichen Materialien ausgestattet sind oder die Bereiche der Bauteile aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Die Materialien können dabei dem jeweiligen Belastungsfall angepasst werden – es liegt eine Funktionalisierung vor – was im Zusammenhang mit 4 noch näher erläutert wird.
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In 1 ist eine schematische Darstellung einer Gussform 10 dargestellt. Die Gussform 10 weist zwei Bereiche B1, B2 auf, mit denen ein Gussteil mit zwei zylindrischen Bauelementen gefertigt werden kann. Das Bauelement im ersten Bereich B1 weist den kleineren Durchmesser auf.
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Gemäß einer Ausführungsform eines Pulverspritzgießverfahrens wird in den ersten Bereich B1 ein erster Feedstock P1 eingefüllt. Ein hier als Schieber ausgeführtes Trennmittel 1 dient dazu, den ersten Bereich B1 von einem zweiten Bereich B2 zu trennen. Der Schieber 1 kann dabei gemäß der angezeigten Pfeilrichtung bewegt werden.
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Wenn nach dem Einfüllen des ersten Feedstocks P1 in den ersten Bereich B1 der Schieber 1 die Öffnung zum zweiten Bereich B2 verschließt, kann ein zweiter Feedstock P2 in den zweiten Bereich B2 der Gussform 10 eingefüllt werden. Dabei ist es möglich, die Materialien B1, B2 so zu wählen, dass sie belastungsgerecht für das herzustellende Bauteil sind. Im vorliegenden Fall werden zwei unterschiedliche Metallpulver B1, B2 in den Feedstocks P1, P2 verwendet, wobei das eine Material eine erhöhte Verschleißbeständigkeit gegenüber dem anderen Material aufweist.
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Der Schieber 1 ermöglicht somit eine Trennung der beiden Bereiche B1, B2 für einen vorbestimmte Zeitraum, wobei die Trennung hier so lange dauert, bis der zweite Bereich B2 mit dem zweiten Feedstock P2 gefüllt ist.
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Anschließend wird der Schieber 1 wieder entfernt, so dass der Inhalt der Gussform 10 weiter verarbeitet werden kann.
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Insbesondere kann nach dem Entfernen des Schiebers 1 ein Mehrkomponenten-Grünling gepresst werden, der anschließend zu einem Bräunling entbindert wird. Der Bräunling wird dann gesintert, so dass schließlich ein fertiges, insbesondere metallisches Bauteil vorliegt. Mit der vorliegenden Ausführungsform ist auch ein Bauteil mit einem Übergang von Metall zu Keramik möglich, wenn die Feedstocks entsprechend gewählt sind. Dann handelt es sich um einen Multi-Materialverbund.
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In 2 ist eine Fortbildung der Ausführungsform gemäß 1 dargestellt. Dabei kann in einer Gussform 10 wieder ein Bauteil mit zwei zylindrischen Bauelementen (hier entsprechend den Bereichen B1, B4) hergestellt werden. Allerdings werden hier drei Schieber als Trennmittel 1, 2, 3 verwendet, um insgesamt vier Bereiche B1, B2, B3, B4 zu schaffen, in denen Feedstocks P1, P2, P3, P4 mit unterschiedlichen Eigenschaften verwendet werden können. In 2 sind die Schieber 1, 2, 3 jeweils in der vollständig geschlossenen Position dargestellt. Der erste Schieber 1 schließt den ersten Bereich B1 gegenüber dem zweiten Bereich B2 ab. Der zweite Schieber 2 trennt den zweiten Bereich B2 vom dritten Bereich B3. Der dritte Schieber 3 trennt den dritten Bereich B3 vom vierten Bereich B4.
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Der erste Bereich B1 entspricht dabei dem ersten Bereich B1 in der ersten Ausführungsform, der vierte Bereich B4 entspricht dem zweiten Bereich B2 der ersten Ausführungsform. Dazwischen liegen der zweite und dritte Bereich B2, B3. Diese Bereiche B2, B3 können ebenfalls mit Feedstocks P2, P3 befüllt werden, die jeweils unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Die unterschiedlichen Eigenschaften können z.B. durch jeweils leicht abgestufte Mischungen der Feedstocks P2, P3 erreicht werden.
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So ist es möglich, einen gradierten, d.h. abgestuften Übergang vom ersten Bereich B1 zum vierten Bereich B4 zu schaffen, bei dem z.B. eine mechanische Eigenschaft wie die Elastizität stufenweise angepasst wird. Damit werden scharfe Übergänge der Eigenschaften vermieden. Der zweite und dritte Bereich B2, B3 bildet somit einen Übergangsbereich.
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Auch hier kann nach dem Entfernen der Schieber 1, 2, 3 ein Mehrkomponenten-Grünling gepresst werden, der anschließend zu einem Bräunling entbindert wird. Der Bräunling wird dann gesintert, so dass schließlich ein fertiges Bauteil entsteht.
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Die Anwendung des beschriebenen Spritzgießverfahrens und der beschriebenen Spritzgießform wird im Folgenden anhand der Herstellung eines Stators 20 für einen Kompressor eines Flugzeugtriebwerks dargestellt. In 3 ist ein solcher Stator 20 in einer Einbausituation dargestellt
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In modernen Flugtriebwerken werden insbesondere variable Statoren (variable stator vanes – VSV) eingesetzt, mit denen der Anstellwinkel der Statoren 22 an die im jeweiligen Betriebspunkt herrschenden Bedingungen angepasst werden kann. Der variabler Stator 20 weist dazu Wellen 22, 26 auf, die mit einer Statorschaufel 23 einstückig verbunden sind.
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Über die erste Welle 22 ist die Statorschaufel 23 im äußeren Kompressorgehäuse 24 drehbar um eine Achse 29 angeordnet. Die zweite, gegenüberliegende Welle 26 sorgt für eine drehbare Lagerung der Statorschaufel 23 im inneren Deckband 25 des Kompressors. Die Lagerung erfolgt dabei über Buchsen 21, die z.B. aus Polyimid bestehen können. Wenn die Temperaturanforderungen erhöht sind, wird temperatur- und verschleißfesteres Material, wie z.B. Wolframkarbid, für die Buchsen 21 verwendet.
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Typischerweise werden die Statoren 20 aus der Titanlegierung Ti 6-4 gefertigt.
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Bei besonders verschleißbeständig ausgeführten Buchsen 21 – aus z.B. Wolframkarbid – würden die Titan-Wellen 22, 26 jedoch umso schneller verschleißen. Um die Lebensdauer des Gesamtsystems (Wellen 22, 26 und Buchsen 21) zu steigern, müssten auch die Wellen 22, 26 mit einem Verschleißschutz versehen werden. Alternativ könnte ein lediglich temperaturbeständiges Buchsenmaterial verwendet werden. Das Ausführen der Wellen aus einem anderen, verschleißbeständigeren Material als Ti 6-4, wobei die Statorschaufel 23 weiterhin aus Ti 6-4 bestehen würde, ließe sich nur durch Fügeverfahren, wie z.B. mit Schweißen, realisieren. Je nach Fügeverfahren sind die Materialkombinationen aber begrenzt, bedingt durch deren chemische, thermische oder physikalische Kompatibilität.
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Eine Verwendung eines weniger harten aber dennoch temperaturbeständigen Buchsenmaterials (z.B. Stahl) würde dazu führen, dass die Reibkraft mit der neuen Materialpaarung steigt und somit ein größerer Energieaufwand notwendig wäre, um die Statorschaufel 23 zu verdrehen.
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Die hier vorgestellten Ausführungsformen für Pulverspritzgießen (powder injection moulding – PIM) erlauben hybride Bauweisen. Außerdem lassen sich mit diesem Verfahren und dieser Vorrichtung komplexe Strukturen, wie z.B. Statoren 20, in effizienter Weise herstellen. Dabei besteht die Möglichkeit, unterschiedliche Materialien miteinander zu kombinieren.
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Im genannten Anwendungsfall würden die Statorschaufel 23 sowie eine äußere Plattform 27 und eine innere Plattform 28 aus Ti 6-4 ausgeführt werden. Die Wellen 22, 26 könnten z.B. aus einem verschleißbeständigeren Material (z.B. Wolframkarbid) hergestellt werden.
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In der 4 ist in schematischer Weise eine Gussform 10 dargestellt, in der drei Bereiche B1, B2, B3 durch als Schieber ausgebildete Trennmittel 1, 2 verwendet werden. Im ersten Spritzvorgang wären die Schieber 1, 2 geschlossen, so dass der Bereich B1 mit Feedstock gespritzt werden kann. Anschließend wird der erste Schieber 1 entfernt und der zweite Bereich B2 wird mit Ti 6-4 Feedstock befüllt. Nach der Befüllung wird dann der zweite Schieber 2 entfernt und der dritte Bereich B3 wird mit Feedstock gespritzt.
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Alternativ könnten auch bei nicht geöffneten Schiebern 1, 2, die Bereiche B1 und B3 gleichzeitig gespritzt werden und nach dem Öffnen von Schieber 1, 2 der Bereich B2 gespritzt werden.
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Der gebildete Grünling könnte dann entbindert und gesintert werden. Durch die Verwendung von mehreren Angüssen für die Feedstocks jeweils für unterschiedliche Bereiche B1, B2, B3 können komplexe Formen mit unterschiedlichen Materialien versehen werden. So könnte man z.B. in erstem Schritt alle Schieber 1, 2 schließen und B2 füllen, anschließend alle Schieber 1, 2 öffnen und über andere Injektoren B1 und B3 befüllen.
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Alternativ ist es auch möglich, dass die Statorschaufel 23 mit den Wellen 22, 26 aus Ti 6-4 in einem ersten Spritzvorgang ausgeführt wird. Das Äußere der Wellen 22, 26 wird dann in einem zweiten Spritzvorgang mit einem anderen, verschleißbeständigeren Material in Form einer Beschichtung überspritzt. Anschließend würde der hybride Grünling entbindert und gesintert werden.
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Je nach Materialkompatibilität kann es erforderlich sein, eine Übergangszone vorzusehen (siehe 2). Dies lässt sich mit einer Ausführungsform gemäß 2 umsetzen, da vom Grundmaterial (hier z.B. Ti 6-4) bis hin zum anderen, verschleißbeständigeren Material (z.B. Wolframkarbid) durch unterschiedliche Pulvermischungen an Ti 6-4 mit Wolframkarbid die Übergangszone eingestellt werden kann. So entsteht ein gradierter Übergang.
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Auch andere gradierte hybride Bauweisen lassen sich so umsetzen. Wird als Material für die Buchsen 21 ein lediglich temperaturbeständigeres Material ausgewählt, welches in der Materialpaarung mit Titan einen größeren oder sogar zu großen Reibwert aufweist, kann man mittels der hier beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen hybride Komponenten herstellen.
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Mit Hilfe von Mehrkomponenten-Grünlingen und den hier beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen ist es möglich, eine Funktionalisierung von Bauteilen oder bestimmten Bauelementen dieser Bauteile zu bewirken.
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Im Folgenden werden einige Bauteile und Bauelemente zusammen mit den für eine Funktionalisierung sinnvollen Materialien genannt.
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Funktionalisierung: Verschleißschutz eines Schaufelblattes 23 gegen Erosion oder eines Schaftes (Welle 22, 26) gegen Abrasion. Dies kann z.B. durch das Einbringen von Hartstoffpartikeln (z.B. Karbide, Nitride, Karbonnitride von W, Ti, Mo, Hf, Ta) in eine Metallmatrix erreicht werden.
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Funktionalisierung: Temperaturbeständigkeit einer Gesamtkomponente (für sämtliche Triebwerkbauteile). Hier könnten Oxide (z.B. mit Al, Si, Y, Fe, Zr) verwendet werden.
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Funktionalisierung: Selbstschmierung von Teilbereichen (z.B. am Schaufelfuß des Stators 20 und Wellen 22, 26). Dies kann durch die Einbringung von Graphit, MoS2 und / oder WS2 erreicht werden.
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Funktionalisierung: Korrosionsbeständigkeit. Dies kann für Schaufelblätter von Rotoren und Statoren, insbesondere im Turbinenbereich, aber auch Kompressorbereich eines Flugzeugtriebwerkes, wichtig werden. Hier können Oxide (z.B. mit Al, Si, Y, Fe, Zr) verwendet werden.
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Funktionalisierung: Festigkeit /Steifigkeit / Duktilität einer Gesamtkomponente. Auch hier können Oxide (z.B. mit Al, Si, Y, Fe, Zr) verwendet werden.
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In 5 ist eine Schnittansicht einer Lauf- oder Leitschaufel 30 dargestellt, die einen strukturellen Teil 31 und eine funktionelle Beschichtung 32 aufweist. Die funktionelle Beschichtung 32 kann z.B. als Verschleißschutz ausgebildet sein. Auf diese Weise können unterschiedliche Materialien in dem Bauteil verwendet werden.
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Analog zu den zuvor dargestellten Ausführungsformen können diese auch dadurch hergestellt werden, indem der Feedstock für den strukturellen Teil 31 zuerst in eine Gussform 10 eingefüllt wird. Anschließend erfolgt dann das Einfüllen des Feedstocks für die funktionelle Beschichtung 32.
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Wie auch z.B. im Zusammenhang mit der 2 dargestellt, kann auch hier durch eine Zwischenschaltung von weiteren Bereichen B1, B2, B3 ein gradueller Übergang zwischen den Schichten hergestellt werden, wobei die dabei verwendeten Pulver sich jeweils leicht von den benachbarten Pulvern unterscheiden.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 2, 3
- Trennmittel, Schieber
- 10
- Gussform
- 20
- Stator
- 21
- Lagerbuchse für Welle des Stators
- 22
- erste Welle
- 23
- Statorschaufel
- 24
- Kompressorgehäuse
- 25
- inneres Deckband
- 26
- zweite Welle
- 27
- äußere Plattform
- 28
- innere Plattform
- 29
- Drehachse des variablen Stators
- 30
- Leitschaufel, Laufschaufel
- 31
- struktureller Teil
- 32
- funktioneller Teil
- B1, B2, B3, B4
- Bereich innerhalb einer Gussform
- P1, P2, P3, P4
- Feedstock
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012206087 A1 [0002]