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Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einer optimierten Bohrschraube bzw. Selbstbohrschraube mit verbessertem Einbohrverhalten bei gleichzeitig guter Führung und Bohrleistung im einzubohrenden Material.
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HINTERGRUND
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Bohrschrauben sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt und werden im Bauwesen vor allem dort eingesetzt, wo schnell und unkompliziert ohne separates Vorbohren zwei oder mehr Werkstücke miteinander verbunden werden müssen. Die Anwendungen umfassen v.a. Verschraubungen von Metallen, Hölzern, Kunststoffen sowohl untereinander wie auch miteinander. Durch die nur einmalige Verwendung der Bohrspitze einer Bohrschraube hat, im Gegensatz zu mehrfach verwendbaren reinen Bohrern, die technische Auslegung andere Schwerpunkte und Zielsetzungen. Zudem müssen bei der Herstellung sowohl die Merkmale einer Schraube und die einer Bohrspitze ausreichend berücksichtigt werden - die Funktionalität darf sich wechselseitig nicht negativ beeinflussen. Zudem müssen Bohrschrauben ökonomisch in grossen Stückzahlen herstellbar sein, also kostengünstig durch Umform- statt durch Zerspanungsprozesse.
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STAND DER TECHNIK
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Es sind im Stand der Technik verschiedene Lösungen für die Auslegung von Bohrschrauben, insbesondere deren Bohrspitzenanteil, beschrieben. Im Laufe der technischen Entwicklung wurden komplexe Varianten entwickelt, wie z.B. in
EP 2 048 383 beschrieben. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optimiertes Design vorzuschlagen, das insbesondere verbesserte Bohrleistung zeigt.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Man könnte gemeinhin annehmen, dass die Bohrleistung einer Bohrspitze vor allem durch die Anzahl bzw. Schärfe der Schneidkante(n) bestimmt wird. Die Schneidleistung in einem Material wird aber ebenso entscheidend vom Anpressdruck der Schneiden an das Material bestimmt. Eine Bohrspitze mit einer definierten Schneidkantenlänge wird also stärkeren Anpressdruck pro Schneidenlänge erfahren als eine Bohrspitze mit mehr Schneiden bzw. grösseren Schneidenlängen (bei gleichem absolutem Anpressdruck und identischem Durchmesser).
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Gleichzeitig ist jedoch nachvollziehbar, dass über den gesamten Querschnitt eines Bohrers bzw. einer Bohrspitze mindestens eine Schnittfläche wirken muss, um den gesamten Querschnitt frei zu räumen. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass weder eine Erhöhung der Schneidenzahl noch ein Verringern der Schneidelängen einen einfachen Weg bedeutet, um eine Bohrspitze mit optimierter Leistung zu definieren.
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Die vorliegende Erfindung schlägt daher eine Bohrspitzengeometrie vor gemäss den Merkmalen des Anspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche beschreiben weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen und Varianten.
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Die im folgenden beschriebenen Merkmale sollen als im Sinne der Erfindung kombinierbar gelten, sofern sie technisch sinnvoll kombinierbar sind, auch wenn nicht jede Kombination von Merkmalen explizit beschrieben ist bzw. deren spezifischen Vorteile hervorgehoben wurden.
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In einer Grundform der Erfindung umfasst eine Selbstbohrschraube (10) einen Kopf (11), der einen Werkzeugangriff (12) aufweist und einen Schaft (14), der wenigstens abschnittsweise ein Gewinde (13) trägt. Dieser Schaft (14) definiert auch eine Längsachse LA der Selbstbohrschraube (10) und trägt eine Bohrspitze (15) mit einer axial angeordneten Spitze (16) mit einer Querschneide (17). Die Bohrspitze (15) umfasst mindestens eine erste (18) und eine zweite (19) Hauptschneide, die sich von der Spitze weg zum Aussenradius der Bohrspitze (15) erstrecken und über verrundete Übergangsbereiche (20, 21) zu Nebenschneiden (22, 23) am Aussenradius der Bohrspitze (15) übergehen. Die Projektionen der Hauptschneiden (18, 19) auf eine gemeinsame, parallel zu den Hauptschneiden verlaufende und die Längsachse einschliessende Axialebene LE schneiden dabei die Längsachse LA im Wesentlichen unter dem gleichen Winkel a, wobei jede der Hauptschneiden (18, 19) eine im Wesentlichen gerade Linie formt und jede der Hauptschneiden (18, 19) aus einer Abfolge von Schneidkantenabschnitten (28, 38, 42) und Ausnehmungen (29, 41) besteht.
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Bevorzugt wird dabei, von der Spitze (16) aus betrachtet, die Abfolge bei der ersten Hauptschneide (18) mit einem ersten Schneidkantenabschnitt (28) und die Abfolge bei der zweiten Hauptschneide (19) mit einer ersten Ausnehmung (29) beginnen.
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In einer vorteilhaften Variante ist bei der Selbstbohrschraube die effektive Länge des ersten Schneidkantenabschnitts (28, 38, 42) und der ersten Ausnehmung (29, 41) im Wesentlichen gleich lang gewählt ist. Die Definition von „effektiver Länge“ wird unten mit Bezug auf die 3-5 gegeben.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist eine Selbstbohrschraube gemäss vorliegender Erfindung dadurch ausgezeichnet, dass die effektive Länge aller Schneidkantenabschnitte (28, 38, 42) und aller Ausnehmungen (29, 41) im Wesentlichen die Gleiche ist. Mit „im Wesentlichen die Gleiche“ ist hierbei gemeint, dass die Länge der Abschnitte im Rahmen der Mess- bzw. Herstellgenauigkeit gleich gross ist.
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Die Schneidkanten bzw. Ausnehmungen können verschieden ausgestaltet werden. In einer weiteren Ausbildungsform zeichnet sich eine erfindungsgenmässe Selbstbohrschraube dadurch aus, dass die Ausnehmungen (29) als Rücksprünge (40) mit flachen, im Wesentlichen zu den Schneidkanten bzw. Schneidkantenabschnitten parallel verlaufenden Rändern ausgebildet sind. Alternativ können die Ausnehmungen als Rücksprünge (41) mit im Wesentlichen U- bzw. halbkreisförmig verlaufenden Rändern ausgebildet werden. Wird nicht nur die Ausnehmung, sondern auch der Schneidkantenabschnitt als gerundete Kante ausgebildet, so kann jede Hauptschneide als Wellenzug gestaltet werden. Die Abfolge aus Schneidkantenabschnitten und Ausnehmungen bildet den Wellenzug (41, 42).
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Wie oben beschrieben, wird der Schnittwinkel α als der Winkel bestimmt, den die den Projektionen der Hauptschneiden (18, 19) mit der Längsachse LA bilden. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Winkel α zwischen 30° und 90°, bevorzugt zwischen 45° und 60°.
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Die Selbstbohrschraube gemäss der Erfindung weist bevorzugt einen Aussendurchmesser der Bohrspitze zwischen 3mm und 8mm auf, bevorzugt zwischen 4mm bis 6mm.
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Die Anzahl von Schneidkantenabschnitte und Ausnehmungen nimmt erfindungsgemäss bevorzugt bestimmte diskrete Werte an. In einer ersten bevorzugten Ausführungsform beträgt bei der ersten Hauptschneide (18) die Anzahl der Schneidkantenabschnitte (38) eins und die Zahl der Ausnehmungen bzw. Rücksprünge (41) zwei und bei der zweiten Hauptschneide (19) die Anzahl der Schneidkantenabschnitte (38) zwei und die Zahl der Ausnehmungen bzw. Rücksprünge (41) beträgt eins. In einer weiteren Variante betragen bei der ersten Hauptschneide (18) die Anzahl der Schneidkantenabschnitte (38) drei und die Zahl der Ausnehmungen bzw. Rücksprünge (41) zwei und bei der zweiten Hauptschneide (19) die Anzahl der Schneidkantenabschnitte (38) zwei und die Zahl der Ausnehmungen bzw. Rücksprünge (41) drei. Alternativ können die Anzahl der Schneidkantenabschnitte (42) und die Zahl der Ausnehmungen bzw. Rücksprünge (41) auch gleich ausgelegt werden. So können (pro Hauptschneide) die Anzahl der Schneidkantenabschnitte (42) und die Zahl der Ausnehmungen bzw. Rücksprünge (41) je 1, je 2 oder je 3 betragen.
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In einer weiteren Ausführungsform wird der Schneidkantenradius RSK (Merkmal 32) der Schneidkantenabschnitte (28, 38, 42) bestimmt. Als vorteilhaft haben sich Werte im Wesentlichen zwischen 4 Hundertstel mm und 8 Hundertstel mm gezeigt. Die Messung erfolgt dabei über mehrere Stellen mit bekannten Messverfahren, im Rahmen der üblichen Mess- und Herstellgenauigkeit. Eine Erläuterung der Geometrie erfolgt weiter unten unter Bezug auf 10.
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BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die erfindungsgemässe Schraube sowie deren geometrischen Aufbau soll im Folgenden unter Bezugnahme auf die 1-10 erläutert werden.
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1 zeigt den grundlegenden Aufbau einer Bohrschraube oder Selbstbohrschraube 10. Wie jede Schraube weist sie einen Kopf 11 auf, der in bekannter Weise einen Werkzeugangriff 12 trägt. Dieser kann als Aussensechskant, Aussenvierkant, Schlitz, TORX oder in jeder anderen geforderten und geeigneten Form gestaltet werden. An den Kopf schliesst sich ein Schaft 14 an, der wenigstens abschnittsweise ein Gewinde 13 trägt. Dieser Schaft 14 definiert auch eine Längsachse LA der Selbstbohrschraube und trägt an seinem kopfabgewandten Ende eine Bohrspitze 15. Diese wiederum besteht aus einer axial angeordneten Spitze 16 mit einer Querschneide 17. Diese Spitze 16 dient im Wesentlichen der Zentrierung und Führung der Bohrschraube. Weiter umfasst die Bohrspitze 15 mindestens eine erste 18 und eine zweite 19 Hauptschneide, die sich von der Spitze 16 weg zum Aussenradius der Bohrspitze 15 erstrecken. Daran schliesst sich ein verrundeter Übergangsbereich 20, 21 an, der in die Nebenschneiden 22, 23 am Aussenradius der Bohrspitze 15 übergeht.
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Wie aus 2 ersichtlich, einer axialen Draufsicht auf die Spitze 15, sind die Hauptschneiden 18, 19 nicht radial von der Längsachse ausgehend gefertigt, sondern üblicherweise parallel zu eine die Längsachse LE einschliessende Ebene LE versetzt. Die Spitze 16 mit der Querschneide 17 verbindet die beiden Hauptschneiden. Jeweils vor der Schneidkante der Hauptschneiden 18, 19, in drehender Arbeitsrichtung 27 betrachtet, liegen die Spanflächen oder Spannuten 25, dahinter die Freiflächen 26. In 2 ist auch die Technik-übliche Grösse des Durchmessers DA benannt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden Aussendurchmesser zwischen 3mm und 8mm vorgeschlagen, bevorzugt zwischen 4mm bis 6mm.
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Projiziert man die Hauptschneiden 18, 19 auf die in 2 gezeigte Längsebene LE (was einer Seitenansicht entspricht), dann schneiden diese Projektionslinien die Längsachse LA im Wesentlichen unter dem gleichen Winkel α. 1 legt hierbei die Messvorschrift für den Winkel fest.
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In den 3-5 werden die Dimensionen und Limiten der Hauptschneiden 18 und 19 erläutert. Sie formen im Wesentlichen jeweils eine gerade Linie und münden zur Achse LA hin in die Spitze 16 ein und radial nach aussen in die Übergangsbereiche 20 und 21. In 4 sind zusätzlich noch die Konstruktionshilfslinien für den Winkel α gezeigt. Die Erfindung fokussiert sich auf die geraden Hauptschneiden 18 und 19 und grenzt sich durch diese Eigenschaft von den Randbereichen 20, 21 und speziell der Spitze 16 ab. 3 zeigt eine Variante mit grossen Hauptschneiden 18 und 19. 4 dagegen zeigt eine als Zentrierspitze ausgeführt Variante von Spitze 16. Diese kann ein besonders sauberes und definiertes Eindringen in das Material unterstützen. Der Winkel α wird nur durch die Schnittpunkte der Projektionslinien der Hauptschneiden definiert, die Spitze 16 bleibt unbeachtet.
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Erfindungsgemäss wird ein Wertebereich des Winkel α zwischen 30° und 90° bevorzugt, insbesondere der Bereich zwischen 45° und 60°.
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In 5 wird eine Bohrspitze betrachtet, die einen Winkel α von fast 90° beschreibt, was einem beinahe rechtwinklig zur Längsachse angelegten Hauptschneidenprofil entspricht. Wegen des grossen Radius, den der Übergang zur Spitze 15 besitzt, wird der als Spitze 16 bezeichnete Bereich ebenfalls gross. Er wird technisch natürlich seine Bohrleistung miterbringen, die erfinderischen Merkmale sind aber bevorzugt auf die Hauptschneiden konzentriert.
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Die effektive Länge der Hauptschneiden 18 und 19 besteht folgerichtig aus jenen Bereichen der Schneidkante, die geradlinig verlaufen und nicht den gekrümmten Übergangsbereichen 20, 21 bzw. der Spitze 16 zuzurechnen sind. Dabei wird die weiter unten beschriebene und in den 6-8 gezeigte Profilierung mit Ausnehmungen bzw. Rücksprüngen nicht berücksichtigt, sondern der Bereich, der für die Profilierung gemäss der Erfindung zur Verfügung stehen soll.
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Der Erfindungskern wird exemplarisch nun mit Hilfe von 6 erläutert; 7 und 8 zeigen erfindungsgemässe weitere Ausführungsformen. In 6 wird klar, dass jede der Hauptschneiden 18, 19 aus einer Abfolge von Schneidkantenabschnitten 28 und Ausnehmungen 29 besteht. 6 zeigt dabei, dass von der Spitze 16 ausgehend die erste Hauptschneide 18 mit einem ersten Schneidkantenabschnitt 28 beginnt, gefolgt von einer Ausnehmung bzw. Rücksprung 40. Die zweite Hauptschneide 19 beginnt entsprechend mit einer ersten Ausnehmung 29, gefolgt von einem Schneidkantenabschnitt 29. Durch diese Auslegung wird beim Bohrschrauben die eingangs erwähnte Erhöhung des Anpressdrucks erzielt, weil nur ein Teilabschnitt der Schneidkante eingreift und der als Rücksprung ausgeführte Rest der Hauptschneide nicht schneidend wirkt. In der drehenden Arbeitsrichtung folgt somit am Ort eines konstanten Radius bezogen immer ein Schneidkantenabschnitt und - um 180° versetzt - ein Rücksprung 40 bzw. Ausnehmung 29. Daher macht es auch Sinn, die effektive Länge des ersten Schneidkantenabschnitts 28 und der ersten Ausnehmung 29 im Wesentlichen gleich lang zu wählen. Mit „effektiver Länge“ eines Schneidkantenabschnitts wird dabei die auf die Hauptschneidenlänge bezogene Wirklänge gemeint und nicht die technisch effektive , also die in das Material eingreifende, „bohrende“ Schneidenlänge. Erläuternd sei auf 6 verwiesen. Die Gesamtlänge der Hauptschneiden 18, 19 lässt sich den Bereichen 28, 29 (Schneidkantenabschnitt, Ausnehmung) zuordnen. Die Trennlinie liegt im Übergangsbereich.
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In 7 ist der Unterschied noch deutlicher. Die halbkreisförmigen Ausnehmungen 41 haben eine grössere Kurvenlänge als ihre effektive Länge. Die effektive Länge einer Ausnehmung entspricht ihrem Anteil an der effektiven Länge der Hauptschneide. Die Summe der Längen der Ausnehmungen 41 und der Schneidkantenabschnitte 38 entspricht wiederum der effektiven Länge der entsprechenden Schneidkante 18 bzw. 19. Damit gilt die Beschreibung und die Merkmalsdefinition sowohl für relativ abrupte Übergänge zwischen Ausnehmung und Schneidkantenabschnitt (29 & 28) wie in 6; geraden Schneidkantenabschnitten 38 in Kombination mit gerundeten Ausnehmungen 41 wie in 7 als auch für einen Wellenzug aus sowohl abgerundeten Schneidkantenabschnitten wie Ausnehmungen. Wichtig ist jeweils die Anordnung „auf Lücke“, mit anderen Worten bei der ersten Hauptschneide mit einer Ausnehmung 29 und der anderen mit einem Schneidkantenabschnitt 28.
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Dabei gilt auch hier, dass die idealisierte Darstellung bzw. Auslegung der Bohrschraubengeometrie vor dem Hintergrund der Messgenauigkeit und Herstellgenauigkeit zu beurteilen ist.
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Die Anzahl der Rücksprünge und Schneidkantenabschnitte einer erfindungsgemässen Bohrschraube ist dabei nicht beliebig, die 6-8 zeigen nicht alle möglichen Wertebereiche. Möchte man die Abfolge der Rücksprünge (Ausnehmungen A) und Schneidkantenabschnitte (S) um die Spitze 16 vereinfacht beschreiben, so ist eine bevorzugte Auslegung als ASA-16-SAS darstellbar. In einer Alternative mit einer höheren Abfolge würde die Auslegung als ASASA-16-SASAS bezeichnet. Die ungeradzahligen Auslegungen (pro Hauptschneide) sind nicht zwingend, ebenso denkbar ist natürlich auch ASASAS-16-ASASAS, AS-16-AS oder ASAS-16-SASA . Höhere Abfolgen von S und A haben sich bei Bohrschrauben als nicht effektiv erwiesen.
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Ein weiteres erfinderisches Merkmal betrifft die Auslegung der eigentlichen Schneidkante eines Schneidkantenabschnittes, insbesondere den Schneidkantenradius RSK bzw. Merkmal 32.
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Die Geometrie einer Schneidkante ist, da es sich bei Bohrschrauben mit der erfindungsgemässen Geometrie um Massenprodukte handelt, nur idealisiert beschreibbar. Daher soll im Folgenden eine einfache Ableitung, basierend auf der 9 und 10, demonstriert werden. Die gepunktete Linie 30 in 10 beschreibt ein Querschnittsprofil quer zu einer Schneide (18 oder 19). In 9 ist diese Querschnittsfläche als Linie QS eingezeichnet, sie steht senkrecht auf der Zeichnungsebene. In 10 ist diese Ebene QS in der Zeichenebene angeordnet. Die Linie 10 wurde einem realen Schnitt nachgezeichnet. Man erkennt, dass im Bereich der realen Schneide 31 kein einfach kreisförmiger Schneidkantenradius oder eine ideal spitze Kante vorliegt. Aus technischen Gründen wird eine mehr oder weniger abgerundete Kante vorliegen, die wie folgt beschrieben werden soll: Man legt Tangenten 33, 34 an die Schnittkanten des Querschnittsprofils an, angelehnt an Spanfläche 35 und Freifläche 36. Diese Tangenten schneiden sich in einem Punkt 37, der einer idealen Schneidkante entspräche. Die hier technisch zu berücksichtigende Schneidkante mit einem Schneidkantenradius RSK (Merkmal 32) soll durch einen Kreis definiert werden, dessen Aussenlinie die beiden Tangenten berührt und zugleich die äusserste Verrundung der realen Schneidkante einschliesst, wie das 10 illustriert.
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Der Nachweis am realen Objekt lässt sich durch Schliffe (Querschnitte), 3D-Scans oder hochauflösende Taster erzielen und statistisch über mehrere Messpunkte ermitteln. Erfindungsgemäss liegt der Schneidkantenradius RSK der Schneidkantenabschnitte (28, 38, 42) im Wesentlichen zwischen 4 Hundertstel mm und 8 Hundertstel mm.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Selbstbohrschraube
- 11
- Kopf
- 12
- Werkzeugangriff
- 13
- Gewinde
- 14
- Schaft
- 15
- Bohrspitze
- 16
- Spitze
- 17
- Querschneide
- 18, 19
- Hauptschneide(n)
- 20,21
- Übergangsbereich
- 22, 23
- Nebenschneide(n)
- 25
- Spannut
- 26
- Freifläche
- 27
- (Ein-)Drehrichtung, Arbeitsrichtung
- 28
- Schneidkantenabschnitt
- 29
- Ausnehmung
- 30
- Querschnittlinie, Querschnittsprofil quer zu einer Schneide
- 31
- reale Schneide
- 32
- Schneidkantenradius RSK
- 33, 34
- Tangenten
- 35
- Spanfläche
- 36
- Freifläche
- 37
- theoretische (Schneid-)Kante
- 38
- Schneidkantenabschnitt(e)
- 40, 41
- Rücksprung
- 42
- gerundeter Schneidkantenabschnitt als Teil eines Wellenzuges
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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