DE102016214229A1 - Method for additive production and component for a turbomachine - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Bauteils (10), umfassend das additive Aufbauen einer Struktur (1) mit einem pulverbettbasierten Herstellungsverfahren, derart, dass die Struktur (1) einen Innenraum definiert, wobei ein pulverförmiges Basismaterial (3) zur Herstellung des Bauteils (10) in dem Innenraum (2) verbleibt, das Sintern des pulverförmigen Basismaterials (3), zu einem porösen Material (4), und das mechanische Bearbeiten der Struktur (1) und/oder des porösen Materials (4) derart, dass mindestens eine Oberfläche (5) des porösen Materials (4) freigelegt wird.The present invention relates to a method for additive production of a component (10), comprising the additive construction of a structure (1) with a powder bed based manufacturing method, such that the structure (1) defines an interior, wherein a powdery base material (3) for the production the component (10) remains in the interior space (2), the sintering of the powdery base material (3) into a porous material (4), and the mechanical working of the structure (1) and / or the porous material (4) at least one surface (5) of the porous material (4) is exposed.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Bauteils und ein entsprechendes Bauteil. The present invention relates to a method for the additive production of a component and a corresponding component.
Das Bauteil ist vorzugsweise für den Einsatz in einer Strömungsmaschine, vorzugsweise einer Gasturbine vorgesehen. Das Bauteil besteht vorzugsweise aus einer Nickelbasis- oder Superlegierung, beispielsweise einer nickel- oder kobaltbasierten Superlegierung. Die Superlegierung kann ausscheidungsgehärtet oder ausscheidungshärtbar sein. The component is preferably intended for use in a turbomachine, preferably a gas turbine. The component is preferably made of a nickel-based or superalloy, for example a nickel- or cobalt-based superalloy. The superalloy may be precipitation hardened or precipitation hardenable.
Alternativ kann es sich bei dem Bauteil um ein im Feld von Verbrennungskraftmaschinen angewendetes Bauteil handeln. Alternatively, the component may be a component used in the field of internal combustion engines.
Das Bauteil kann beispielsweise eine Komponente einer Strömungsmaschine sein, wie beispielsweise eine Brennerkomponente einer Gasturbine, insbesondere eine Brennerspitze. Mit dem Bauteil kann weiterhin eine andere Komponente oder ein Halbzeug für eine entsprechende Strömungsmaschine bezeichnet sein. The component may be, for example, a component of a turbomachine, such as a burner component of a gas turbine, in particular a burner tip. The component may also be referred to another component or a semifinished product for a corresponding turbomachine.
Vorzugsweise findet das Bauteil Anwendung in einem Heißgaspfad oder Heißgasbereich einer Gasturbine. Preferably, the component is used in a hot gas path or hot gas region of a gas turbine.
Generative oder additive Herstellungsverfahren umfassen beispielsweise Strahlschmelz- und/oder Strahlschweißverfahren. Dazu gehören insbesondere das selektive Laserschmelzen (SLM) oder das Elektronenstrahlschmelzen (EBM) und das Laserauftragschweißen (LMD), insbesondere das Laserpulverauftragschweißen. Generative or additive manufacturing processes include, for example, jet melting and / or jet welding processes. These include, in particular, selective laser melting (SLM) or electron beam melting (EBM) and laser deposition welding (LMD), in particular laser powder build-up welding.
Ein Verfahren zum selektiven Laserschmelzen ist beispielsweise bekannt aus
Additive Fertigungsverfahren (englisch: „additive manufacturing“) haben sich als besonders vorteilhaft für komplexe oder kompliziert oder filigran designte Bauteile, beispielsweise labyrinthartige Strukturen, Kühlstrukturen und/oder Leichbau-Strukturen erwiesen. Insbesondere zeichnet sich die additive Fertigung insbesondere durch eine besonders kurze Kette von Prozessschritten aus, wobei beispielsweise ein Herstellungs- oder Fertigungsschritt eines Bauteils direkt auf Basis von Konstruktionsdaten, wie einer entsprechenden CAD-Datei erfolgen kann. Additive manufacturing processes (English: "additive manufacturing") have proven to be particularly advantageous for complex or complicated or filigree designed components, such as labyrinthine structures, cooling structures and / or lightweight structures. In particular, the additive manufacturing is particularly characterized by a particularly short chain of process steps, for example, a manufacturing or manufacturing step of a component can be done directly on the basis of design data, such as a corresponding CAD file.
Weiterhin ist die additive Fertigung besonders vorteilhaft für die Entwicklung oder Herstellung von Prototypen, welche beispielsweise aus Kostengründen mittels konventioneller, subtraktiver oder spanender Verfahren oder Gusstechnologie nicht oder nicht effizient hergestellt werden können. Furthermore, the additive manufacturing is particularly advantageous for the development or production of prototypes, which can not or can not be produced efficiently, for example for cost reasons, by means of conventional, subtractive or metal-cutting processes or casting technology.
Das vorliegende Verfahren betrifft vorzugsweise ein pulverbettbasiertes Herstellungsverfahren, insbesondere das selektive Laserschmelzen. The present method preferably relates to a powder bed-based production method, in particular the selective laser melting.
In dem sich schnell entwickelnden Feld der additiven Fertigung ist es sowohl für die Forschung als auch für die Entwicklung von Bauteilen wichtig, die bestehenden Verfahren zu verbessern oder sogar hinsichtlich der Prinzipien weiter zu entwickeln. Ein Nachteil konventioneller additiver Fertigungsverfahren ist häufig die zeitaufwendige schichtweise Herstellung. Daher besteht insbesondere für die Herstellung von komplexen und/oder hinsichtlich ihrer Temperaturbeständigkeit und/oder Oberflächengüte hochspezialisierten Bauteilen und deren Aufbau durch filigrane pulverbettbasierte, schichtweise Fertigungsverfahren ein Bedarf, die Herstellung zu beschleunigen und oder beispielsweise die schichtweise Fertigung mit anderen Aufbaustrategien zu kombinieren. In the rapidly evolving field of additive manufacturing, it is important for both research and component development to improve existing processes or even further develop them in terms of principles. A disadvantage of conventional additive manufacturing processes is often the time-consuming layered production. Therefore, there is a need in particular for the production of complex and / or with regard to their temperature resistance and / or surface quality highly specialized components and filigree powder bed based, layered manufacturing processes to accelerate the production and or, for example, to combine the layered production with other construction strategies.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel anzugeben, welche die Verbesserung bestehender additive Herstellungsverfahren ermöglichen. Weiterhin ist es mit den beschriebenen Verfahren möglich, additiv hergestellte und/oder herzustellende Bauteile mit neuartigen und vorteilhaften Eigenschaften zu versehen. It is therefore an object of the present invention to provide means which enable the improvement of existing additive manufacturing processes. Furthermore, it is possible with the described method to provide additively produced and / or manufactured components with novel and advantageous properties.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. This object is solved by the subject matter of the independent patent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Bauteils, eines Werkstoffs, eines Halbzeugs oder einer Komponente umfassend das additive Aufbauen einer Struktur mit einem pulverbettbasierten Herstellungsverfahren, derart, dass die Struktur einen Innenraum (des Bauteils und/oder der Struktur) definiert, wobei ein pulverförmiges Basismaterial zur Herstellung des Bauteils in dem Innenraum verbleibt. One aspect of the present invention relates to a method for the additive production of a component, a material, a semifinished product or a component comprising the additive construction of a structure with a powder bed-based production method, such that the structure defines an interior space (of the component and / or the structure) , wherein a powdery base material for the production of the component remains in the interior.
Bei der Struktur kann es sich um einen ersten Werkstoffbereich, insbesondere um einen zusammenhängenden Festkörper handeln. The structure may be a first material region, in particular a coherent solid.
Das pulverbettbasierte Herstellungsverfahren bezeichnet vorliegend vorzugsweise das selektive Laserschmelzen oder das Elektronenstrahlschmelzen, welche für die additive Herstellung von Komponenten für Strömungsmaschinen besonders zweckmäßig sind. In the present case, the powder bed-based production method preferably denotes selective laser melting or electron beam melting, which are particularly expedient for the additive production of components for turbomachines.
Das Verfahren umfasst weiterhin das Sintern des pulverförmigen Basismaterials zu einem porösen Material. Bei dem porösen Material kann es sich um einen zweiten Werkstoffbereich handeln, vorzugsweise um einen schaumartigen Festkörper. The method further comprises sintering the powdery base material into a porous material. The porous material may be a second material region, preferably a foam-like solid.
Das Verfahren umfasst weiterhin das mechanische Bearbeiten, beispielsweise spanendes Abtragen, wie Ablation, beispielsweise Laserablation, Drehen oder Fräsen, der Struktur und/oder des porösen Materials derart, dass mindestens eine Oberfläche des porösen Materials freigelegt wird. The method further includes mechanical working, for example, cutting, such as ablation, such as laser ablation, turning or milling, the structure and / or the porous material such that at least one surface of the porous material is exposed.
Vorzugsweise umfasst das mechanische Bearbeiten insbesondere das Abtragen der genannten Struktur. Mit anderen Worten wird vorzugsweise der oben genannte Innenraum, welcher mit Pulver gefüllt ist, mit dem porösen Material versehen und dessen Oberflächen dann später – durch Abtragen – freigelegt. Vorzugsweise werden mehrere Oberflächen des porösen Materials freigelegt, beispielsweise Oberflächen an zwei gegenüberliegende Seiten der Struktur. In particular, the mechanical processing comprises in particular the removal of said structure. In other words, preferably, the above-mentioned inner space, which is filled with powder, provided with the porous material and the surfaces then later - by erosion - exposed. Preferably, multiple surfaces of the porous material are exposed, such as surfaces on two opposite sides of the structure.
Durch das beschriebene Verfahren kann mit Vorteil ein poröses Material oder Schaumaterial, vorzugsweise ein metallisches Schaumaterial, hergestellt werden und/oder additiv zu fertigende Strukturen mit dem porösen Material versehen werden. Dies geschieht vorzugsweise in einem Schritt ohne aufwendigen und/oder zeitaufwendigen, schichtweisen Aufbau. The described method can advantageously produce a porous material or foam material, preferably a metallic foam material, and / or provide structures to be produced with the porous material in an additive manner. This is preferably done in one step without consuming and / or time-consuming, layered structure.
Das beschriebene Verfahren ist insbesondere vorteilhaft oder zweckmäßig für die additive Herstellung von Brennerkomponenten, insbesondere Komponenten zu Mischen oder Eindüsen oder Verdüsen von Gasen oder Fluiden, insbesondere in einen Verbrennungsraum. The method described is particularly advantageous or expedient for the additive production of burner components, in particular components for mixing or injecting or atomizing gases or fluids, in particular into a combustion chamber.
Das mechanische Bearbeiten der Struktur, vorzugsweise des porösen Materials dient insbesondere dem Freilegen von Oberflächen des porösen Materials, so dass an einer freigelegten Oberfläche ein Fluid, insbesondere ein Verbrennungsgas, von außen in das poröse Material eintreten und/oder an dieser Oberfläche aus dem porösen Material heraustreten kann. Durch die Porosität des porösen Materials wird insbesondere eine Verbreitung, Streuung oder Effusion eines Fluids oder Gasstroms bewirkt. The mechanical processing of the structure, preferably of the porous material serves, in particular, to expose surfaces of the porous material, so that at an exposed surface, a fluid, in particular a combustion gas, enter the porous material from the outside and / or at this surface from the porous material can emerge. The porosity of the porous material in particular causes a spreading, scattering or effusion of a fluid or gas stream.
In einer Ausgestaltung wird die Struktur derart additiv aufgebaut, dass ein Energiestrahl, insbesondere Laser- oder Elektronenstrahl, lediglich Bereiche des pulverförmigen Basismaterials für die Struktur verfestigt, in dem insbesondere nur diese Bereiche von dem Energiestrahl gerastert und exponiert werden. In one embodiment, the structure is constructed in such an additive manner that an energy beam, in particular a laser or electron beam, only solidifies areas of the powdery base material for the structure in which, in particular, only these areas are rasterized and exposed by the energy beam.
In einer Ausgestaltung wird das Pulver vermittelt Basismaterial in dem Innenraum nicht mit dem Energiestrahl exponiert. Durch diese Ausgestaltungen kann während des additiven Aufbaus der Struktur für das Bauteil vorzugsweise das Basismaterial innerhalb des Innenraums verbleiben. In one embodiment, the powder does not impart base material in the interior exposed to the energy beam. Through these embodiments, during the additive construction of the structure for the component, preferably the base material may remain within the interior space.
In einer Ausgestaltung wird das Sintern lediglich unter einer Wärmebehandlung, beispielsweise unterhalb von 700 °C, durchgeführt. Mit anderen Worten wird – gemäß dieser Ausgestaltung – vorzugsweise kein äußerer Druck an das pulverförmige Basismaterial angelegt. Durch die Wärmebehandlung wird vorteilhafterweise einerseits der Sinterprozess ermöglicht. Weiterhin kann ein vorteilhafter Abbau von mechanischen Spannungen erreicht werden. Alternativ oder zusätzlich kann durch die Wärmebehandlung eine gewünschte Mikrostruktur des oder für das Bauteil eigestellt werden. In one embodiment, the sintering is carried out only under a heat treatment, for example below 700 ° C. In other words, according to this embodiment, preferably no external pressure is applied to the powdery base material. The heat treatment advantageously makes possible, on the one hand, the sintering process. Furthermore, an advantageous reduction of mechanical stresses can be achieved. Alternatively or additionally, a desired microstructure of or for the component can be set by the heat treatment.
In einer alternativen Ausgestaltung wird das Sintern zusätzlich zu einer Wärmebehandlung unter Anwendung von äußerem Druck durchgeführt. In an alternative embodiment, the sintering is performed in addition to a heat treatment using external pressure.
In einer Ausgestaltung wird das mechanische Bearbeiten durch Schleifen, Fräsen, Drehen und/oder Ablation, wie Laser-Ablation, durchgeführt. Durch das mechanische Bearbeiten wird vorzugsweise eine Oberfläche des porösen Materials freigelegt, so dass diese etwa für ein im Betrieb des Bauteils durch die poröse Struktur strömendes Fluid passierbar ist. In one embodiment, the mechanical processing is performed by grinding, milling, turning and / or ablation, such as laser ablation. As a result of the mechanical processing, a surface of the porous material is preferably exposed so that it can be passed, for example, for a fluid flowing through the porous structure during operation of the component.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Anmeldung betrifft ein Bauteil, welches gemäß dem beschriebenen Verfahren hergestellt und/oder herstellbar ist. Another aspect of the present application relates to a component which is manufactured and / or manufacturable according to the described method.
In einer Ausgestaltung ist das Bauteil, Halbzeug oder eine Komponente einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Gasturbine. In one embodiment, the component, semifinished product or a component of a turbomachine, in particular a gas turbine.
In einer Ausgestaltung ist das Bauteil ein Bauteil, Halbzeug oder eine Komponente einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere des Verbrennungssystems einer Verbrennungskraftmaschine. In one embodiment, the component is a component, semifinished product or a component of an internal combustion engine, in particular of the internal combustion system of an internal combustion engine.
In einer Ausgestaltung umfasst das Bauteil einen ersten Bereich, welcher aus einem zusammenhängenden Festkörper gebildet ist, beispielsweise einer Superlegierung. Bei dem ersten Bereich kann es sich um einen Brennerkopf bzw. einen Brennerrumpf für eine Strömungs- oder Verbrennungskraftmaschine handeln. Demgemäß kann der erste Bereich vorzugsweise aus einem hochtemperaturbeständigen Material, beispielsweise einem hochwarmfesten und/oder heißrissbeständigen Material bestehen oder dieses umfassen. In one embodiment, the component comprises a first region, which is formed from a coherent solid, for example a superalloy. The first region can be a burner head or a burner body for a flow or internal combustion engine. Accordingly, the first region may preferably consist of or comprise a high temperature resistant material, for example, a high temperature resistant and / or hot crack resistant material.
In einer Ausgestaltung ist der erste Bereich aus einer Nickelbasis- oder Superlegierung. Die genannte Superlegierung kann ausscheidungsgehärtet oder ausscheidungshärtbar sein, beispielsweise durch die Ausscheidungen der γ- oder γ’-Materialphase(n). In one embodiment, the first region is a nickel base or superalloy. The said superalloy may be precipitation-hardened or precipitation-hardenable, for example by the precipitates of the γ or γ 'material phase (s).
In einer Ausgestaltung umfasst das Bauteil einen zweiten Bereich, welcher eine funktional vorbestimmte Porosität aufweist. Der zweite Bereich kann aus dem gleichen Material wie der ersten Bereich bestehen oder aus der gleichen Materialzusammensetzung. In one embodiment, the component comprises a second region, which has a functionally predetermined porosity. The second region may consist of the same material as the first region or of the same material composition.
In einer Ausgestaltung ist der zweite Bereich zumindest teilweise von dem ersten Bereich umschlossen. In one embodiment, the second area is at least partially enclosed by the first area.
In einer Ausgestaltung liegt mindestens eine Oberfläche, vorzugsweise mindestens zwei Oberflächen oder eine Mantel- oder Stirnfläche des zweiten Bereichs frei bzw. ist einer Umgebung zugänglich oder mit dieser in fluidischem Kontakt. Gemäß dieser Ausgestaltung kann das Bauteil vorzugsweise besonders einfach als Brennerkomponenten, beispielweise Brennerspitze oder als Gas- oder Fluiddüse fungieren (siehe oben). In one embodiment, at least one surface, preferably at least two surfaces or a mantle or end surface of the second region is exposed or is accessible to an environment or in fluidic contact with it. According to this embodiment, the component may preferably be particularly simple burner components, such as burner tip or act as a gas or fluid nozzle (see above).
In einer Ausgestaltung ist der erste Bereich oder dessen Material angeordnet, den zweiten Bereich formschlüssig und/oder stoffschlüssig zu halten. In one embodiment, the first region or its material is arranged to hold the second region in a form-fitting and / or cohesive manner.
Vorzugsweise wird das Bauteil derart additiv aufgebaut, dass das zweite Material vorzugsweise auch nach dem mechanischen Bearbeiten, d.h. dem Freilegen von Oberflächen des porösen Materials des zweiten Bereichs, noch formschlüssig von dem ersten Bereich gehalten wird. Durch diese Ausgestaltung kann eine Anbindung des porösen Materials gewährleistet werden. Vorzugsweise wird im Zuge der additiven Herstellung jedoch der zweite Bereich ebenfalls stoffschlüssig mit dem ersten Bereich verbunden. Preferably, the component is made additive such that the second material preferably also after mechanical processing, i. exposing surfaces of the porous material of the second region, still being positively held by the first region. By this configuration, a connection of the porous material can be ensured. Preferably, however, in the course of the additive production, the second region is also connected to the first region in a materially bonded manner.
In einer Ausgestaltung weist der Innenraum eine stufige, oder gestufte Geometrie auf. In one embodiment, the interior has a stepped or stepped geometry.
In einer Ausgestaltung beträgt die vorbestimmte Porosität des zweiten Bereichs zwischen 40 % und 60 %. Mit den genannten Angaben wird vorzugsweise das Verhältnis von Hohlraumvolumen zu Gesamt- oder Konturvolumen des entsprechenden Stoffes bezeichnet. In one embodiment, the predetermined porosity of the second region is between 40% and 60%. With the above information, the ratio of void volume to total or contour volume of the corresponding substance is preferably referred to.
In einer Ausgestaltung ist der zweite Bereich durch einen porösen metallischen Werkstoff, insbesondere einen metallischen Schaum, gebildet. In one embodiment, the second region is formed by a porous metallic material, in particular a metallic foam.
In einer Ausgestaltung ist das Bauteil eine Brennerkomponente, insbesondere eine Brennerspitze, für eine Gasturbine, wobei der zweite Bereich zum Ver- oder Eindüsen und/oder Mischen von Fluiden oder Gasen ausgebildet ist. In one embodiment, the component is a burner component, in particular a burner tip, for a gas turbine, wherein the second region is designed for injection or injection and / or mixing of fluids or gases.
In einer Ausgestaltung ist der zweite Bereich angeordnet und die vorbestimmte Porosität derart gewählt, dass das Bauteil im Betrieb eine Schwingungsdämpfung erfährt. Diese Eigenschaft ist vorzugsweise dem porösen Material inhärent, da das poröse Material durch seine verringerte Materialdichte dämpfende Eigenschaften aufweisen kann. In one embodiment, the second region is arranged and the predetermined porosity chosen such that the component undergoes a vibration damping during operation. This property is preferably inherent to the porous material because the porous material can have damping properties due to its reduced material density.
Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile, die sich vorliegend auf das Verfahren beziehen, können ferner das Bauteil betreffen oder umgekehrt. Embodiments, features and / or advantages which in the present case relate to the method may also relate to the component or vice versa.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beschrieben. Further details of the invention are described below with reference to the figures.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein. In the exemplary embodiments and figures, identical or identically acting elements can each be provided with the same reference numerals. The elements shown and their proportions with each other are basically not to be regarded as true to scale, but individual elements, for better presentation and / or better understanding exaggerated be shown thick or large.
Das Bauteil
Beispielhaft ist in den
Obwohl in
Das gezeigte Bauteil
In einem mittleren Teil der gezeigten Arme weist das Bauteil
Dazu wird das Bauteil erfindungsgemäß zunächst eine Struktur
Das pulverförmige Basismaterial
Der Innenraum
In
Dieser Sinterschritt erfolgt in einem Schritt und vorzugsweise nicht schichtweise durch eine Wärmebehandlung oberhalb einer entsprechenden Sintertemperatur des pulverförmigen Basismaterials
Durch den Sinter-Prozess wird das pulverförmige Basismaterial
Die Struktur
Bei dem porösen Material
Ein Sinterverzug oder Sinterschrumpf wird vorzugsweise bei dem beschriebenen Sinter-Vorgang möglichst verhindert oder derart durchgeführt, dass dieser lediglich an Seiten- oder Oberflächen (vergleiche Bezugszeichen
Durch das Freilegen der Oberflächen kann das poröse Material
In einer verkleinerten Draufsicht DS ist in
Durch das mechanische Bearbeiten werden vorzugsweise Teile der Struktur
Anders als in den Figuren dargestellt, kann es sich bei dem Bauteil um jedes Bauteil handeln, bei welchem beispielsweise metallische Schaummaterialien oder poröse metallische Strukturen zum Einsatz kommen oder durch das beschriebene Verfahren aufgeschäumte metallische Werkstoffe. Unlike shown in the figures, the component may be any component in which, for example, metallic foam materials or porous metallic structures are used or by the described method foamed metallic materials.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt, sondern umfasst jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen. Dies beinhaltet insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist. The invention is not limited by the description based on the embodiments of these, but includes each new feature and any combination of features. This includes in particular any combination of features in the patent claims, even if this feature or combination itself is not explicitly stated in the patent claims or exemplary embodiments.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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