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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft eine Gyroskopie-Trägerstruktur für einen Raumflugkörper. Derartige Gyroskopie-Trägerstrukturen werden auch als „Gyro-Brackets“ bezeichnet. Eine Gyroskopie-Trägerstruktur weist üblicherweise vier Aufnahmen für gyroskopische Messeinheiten auf. Die Aufnahmen sind hierbei derart ausgerichtet, dass die in den Aufnahmen angeordneten gyroskopischen Messeinheiten eine Ausrichtung aufweisen, welche den vier Flächen eines Tetraeders (oder den Flächennormalen) entspricht. Mittels der gyroskopischen Messeinheiten kann dann in unterschiedliche Raumrichtungen eine Messung einer Drehrate und/oder einer Beschleunigung erfolgen. Infolge der gewählten Ausrichtung der Aufnahmen und damit der Messeinheiten an der Gyroskopie-Trägerstruktur ist eine Messung der Drehrate und der Beschleunigung in sämtliche drei Raumrichtungen auch bei Ausfall einer der vier gyroskopischen Messeinheiten möglich. Die Messsignale der gyroskopischen Messeinheiten können dann für eine Lageregelung eines Raumflugkörpers wie eines Satelliten verwendet werden, an welchem die Gyroskopie-Trägerstruktur mit den gyroskopischen Messeinheiten gehalten ist. Neben der Gyroskopie-Trägerstruktur betrifft die Erfindung auch eine inertiale Raumflugkörper-Messeinheit sowie einen Raumflugkörper, insbesondere einen Satelliten, eine Trägerrakete oder eine Sonde.
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STAND DER TECHNIK
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Eine bekannte Gyroskopie-Trägerstruktur ist auf der Website http://www.space-airbusds.com/en/ equipment/astrix120.html dargestellt und beschrieben. Für eine präzise Navigation des mit der Gyroskopie-Trägerstruktur und den daran gehaltenen gyroskopischen Messeinheiten ausgestatteten Raumflugkörpers wird die Gyroskopie-Trägerstruktur mit den gyroskopischen Messeinheiten vor dem Einsatz kalibriert. Während des Einsatzes führt eine elastische und/oder plastische Verformung der Trägerstruktur zu unerwünschten, die präzise Navigation beeinträchtigenden Messfehlern. Somit ist die Gyroskopie-Trägerstruktur mit einer ausreichenden Festigkeit und Steifigkeit auszustatten, womit diese in der Regel eine entsprechend hohe Masse aufweist. Andererseits gelten hinsichtlich der Gyroskopie-Trägerstrukturen strengste Anforderungen an einen Leichtbau, da Kosten für einen Start eines Raumflugkörpers wie eines Satelliten maßgeblich von der Masse abhängen. So können beispielsweise die masseabhängigen Kosten im Bereich von 20.000 $/kg bis 60.000 $/kg liegen. Bekannte Gyroskopie-Trägerstrukturen sind durch Fräsen oder Erodieren von Bauteilen aus Aluminium oder Titan oder aus Faserverbundmaterialien hergestellt. Infolge der Leichtbauanforderungen wird hier in der Regel ein differentielles Design gewählt.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gyroskopie-Trägerstruktur vorzuschlagen, welche hinsichtlich
- - der Herstellung,
- - der Festigkeit und Steifigkeit,
- - des Gewichts, der Möglichkeiten der geometrischen Gestaltung und/oder
- - der Fertigungsgenauigkeiten
verbessert ist. Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine inertiale Raumflugkörper-Messeinheit sowie einen Raumflugkörper mit einer derart verbesserten Gyroskopie-Trägerstruktur vorzuschlagen.
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LÖSUNG
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Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere bevorzugte erfindungsgemäße Ausgestaltungen sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Erfindungsgemäß wird erstmals vorgeschlagen, dass die Gyroskopie-Trägerstruktur unter Einsatz eines Lasersinterverfahrens oder Laserschmelzverfahrens hergestellt ist, welches auch als Laser-Melting-Verfahren bezeichnet wird, große Ähnlichkeit mit den bekannten 3D-Druckern aufweist und bei welchem durch Laserschmelzen aus Metallpulvern schichtweise homogene Metallteile gefertigt werden. Mittels des Einsatzes des Lasersinterverfahrens oder Laserschmelzverfahrens werden die Möglichkeiten für die Geometrie der Gyroskopie-Trägerstruktur erweitert. Um lediglich ein nicht beschränkendes Beispiel zu nennen, müssen die Gyroskopie-Trägerstrukturen, welche herkömmlich mittels Fräsen hergestellt sind, Wandstärken aufweisen, welche nicht kleiner sein können als die Wandstärken, welche erforderlich sind, um die von dem Fräser auf das Halbzeug ausgeübten Kräfte und Momente aufnehmen zu können, ohne zu versagen. Diese eine hohe Masse bedingende Anforderung besteht für eine erfindungsgemäß hergestellte Gyroskopie-Trägerstruktur nicht. Des Weiteren ermöglicht die erfindungsgemäße Herstellung der Gyroskopie-Trägerstruktur auch die Herstellung von Konturen oder Flächen, welche mittels eines fräsenden Herstellungsverfahrens nicht herstellbar sind. So kann mittels des Einsatzes eines Laserschmelzverfahrens auf besonders einfache Weise ein Herstellen von Ausnehmungen, Taschen und/oder Hinterschneidungen erfolgen. Des Weiteren erfordert die Erstellung einer integralen, bspw. monolithischen Gyroskopie-Trägerstruktur aus einem blockartigen metallischen Halbzeug in einem spanabhebenden Herstellungsverfahren, insbesondere mittels Fräsen, dass Innenflächen der Gyroskopie-Trägerstruktur für ein Werkzeug wie einen Fräser durch die Gyroskopie-Trägerstruktur hindurch zugänglich sind, ohne dass der Weg zu der mittels des Fräsers zu bearbeitenden Innenfläche durch andere Materialbereiche der Gyroskopie-Trägerstruktur, welche beispielsweise auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet sind, versperrt ist. Dies schränkt die Möglichkeiten für die geometrische Gestaltung der Gyroskopie-Trägerstruktur stark ein, während ein derartiges Erfordernis und damit eine Einschränkung der Möglichkeiten für die geometrische Gestaltung der Gyroskopie-Trägerstruktur bei Einsatz eines Lasersinterverfahrens oder Laserschmelzverfahrens nicht gegeben ist.
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Im Rahmen der Erfindung erfolgt erstmalig eine Übertragung eines Laserschmelzverfahrens aus anderen Technologiegebieten (vgl. bspw. die Druckschriften
WO 2014/160695 A1 ,
US 7,455,740 B2 ,
EP 2 851 146 A1 ,
EP 3 147 069 A1 ,
WO 2017/060600 A1 ,
US 7,984,547 B2 ,
EP 2 218 530 A1 ,
DE 10 2009 051 551 A1 ,
WO 2006/008463 A1 ,
DE 11 2004 001 311 T5 ,
DE 103 53 060 A1 ,
DE 102 05 070 A1 ,
WO 2009/024258 A1 ,
DE 10 2014 214 016 A1 ,
DE 199 03 436 A1 ,
US 9,452,840 B2 ,
US 2015/0291283 A1 ,
WO 2012/097794 A1 ,
WO 2010/023059 A3 ,
DE 10 2011 018 526 A1 ) auf das Technologiegebiet der Gyroskopie-Trägerstrukturen für einen Raumflugkörper.
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Grundsätzlich möglich ist, dass im Rahmen der Erfindung die Fertigung der Gyroskopie-Trägerstruktur unmittelbar mittels des Laserschmelzverfahrens oder Lasersinterverfahrens erfolgt. Für einen weiteren Vorschlag der Erfindung wird zunächst mittels des Laserschmelzverfahrens oder Lasersinterverfahrens ein Halbzeug hergestellt, dessen Innen- und/oder Außengeometrie bereits bis auf Präzisionsflächen, insbesondere Flächen im Bereich der Aufnahmen für die gyroskopischen Messeinheiten, der Innen- und/oder Außengeometrie der letztendlich herzustellenden Gyroskopie-Trägerstruktur entspricht. Die Präzisionsflächen, hier insbesondere die Aufnahmen für die gyroskopischen Messeinheiten, werden dann unter fräsender Nachbearbeitung des Halbzeugs hergestellt. Diese fräsende Nachbearbeitung kann der Anforderung Rechnung tragen, dass die Aufnahmen für die Ermöglichung einer präzisen Navigation unter fest vorgegebenen Winkeln mit geringen Toleranzen zueinander ausgerichtet werden müssen. Somit kann grundsätzlich die Fertigung des Halbzeugs mittels des Laserschmelzverfahrens oder Lasersinterverfahrens mit einer reduzierten Genauigkeit erfolgen, womit dann lediglich in Teilbereichen der Gyroskopie-Trägerstruktur, zumindest aber im Bereich der Aufnahmen eine höhere Genauigkeit gewährleistet werden kann, indem eine fräsende Nachbearbeitung der Aufnahmen erfolgt. Möglich ist auch, dass eine fräsende Nachbearbeitung im Bereich von Raumflugkörper-Kontaktflächen erfolgt, um eine flächige und/oder exakte Anlage der Gyroskopie-Trägerstruktur an einem Raumflugkörper und hierdurch bedingt einen optimalen Wärmefluss zu gewährleisten.
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Grundsätzlich kann die Gyroskopie-Trägerstruktur eine beliebige Geometrie und beliebige Teilbereiche aufweisen. Für einen Vorschlag der Erfindung weist die Gyroskopie-Trägerstruktur ein Bodenelement oder eine Bodenplatte auf. Die Bodenplatte kann einerseits einer Befestigung der Gyroskopie-Trägerstruktur an dem Raumflugkörper dienen. Des Weiteren möglich ist, dass an dem Bodenelement oder der Bodenplatte weitere Teilstrukturen der Gyroskopie-Trägerstruktur gehalten sind. Ebenfalls möglich ist, dass das Bodenelement oder die Bodenplatte weitere Bauelemente der inertialen Raumflugkörper-Messeinheit hält oder auch eine Schnittstelle für den Raumflugkörper bereitstellt.
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Möglich ist, dass sich von dem Bodenelement oder der Bodenplatte der Gyroskopie-Trägerstruktur Rahmenstreben in einer beliebigen Anzahl unter einem beliebigen Winkel, insbesondere unter einem spitzen Winkel, nach oben erstrecken.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Gyroskopie-Trägerstruktur im Bereich der Bodenplatte eine Aufnahme für eine gyroskopische Messeinheit auf. Alternativ oder zusätzlich möglich ist, dass die Bodenplatte mindestens eine Befestigungsausnehmung aufweist, über welche eine Befestigung der Gyroskopie-Trägerstruktur an einem Raumflugkörper möglich ist. Auch möglich ist, dass die Bodenplatte mindestens einen Aufnahmeraum ausbildet, in welchem ein elektronisches Bauelement angeordnet werden kann, oder mindestens eine Durchtrittsausnehmung ausbildet, durch welche sich ein elektronisches Bauelement oder auch ein elektrischer Leiter (hier ein Kabel beliebiger Bauart wie bspw. ein Breitbandkabel oder ein Datenbus) zumindest teilweise erstreckt. Möglich ist des Weiteren, dass die Bodenplatte eine Raumflugkörper-Kontaktfläche aufweist. Im Bereich dieser Raumflugkörper-Kontaktfläche ist die Gyroskopie-Trägerstruktur an dem Raumflugkörper abgestützt. Des Weiteren kann über die Raumflugkörper-Kontaktfläche eine Übertragung von Wärme von der Gyroskopie-Trägerstruktur zu dem Raumflugkörper erfolgen.
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Möglich ist, dass die Gyroskopie-Trägerstruktur Rahmenstreben (mit einem beliebigen Querschnitt, einem konstanten oder sich verändernden Querschnitt und/oder einem beliebigen, geradlinigen oder kurvenförmigen Längsverlauf) aufweist. So kann beispielsweise die Gyroskopie-Trägerstruktur aus einer Bodenplatte und sich einem von der Bodenplatte erstreckenden fachwerkartigen, mit Rahmenstreben gebildeten Aufbau bestehen. Für einen Vorschlag der Erfindung weist die Gyroskopie-Trägerstruktur Rahmenstreben auf, die einen Querschnitt mit zwei zueinander abgewinkelten Teilschenkeln aufweisen. Hierbei können die Rahmenstreben ein L-Profil mit einem beliebigen Winkel zwischen den beiden Teilschenkeln des L aufweisen. Derartige Rahmenstreben, welche mit herkömmlichen Fertigungsverfahren nicht ohne Weiteres gefertigt werden können, können bei einem geringen Querschnitt und damit einem geringen Gewicht ein verhältnismäßig großes Flächenträgheitsmoment bereitstellen.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung widmet sich der Ausrichtung benachbarter Rahmenstreben in der Gyroskopie-Trägerstruktur, welche grundsätzlich beliebig sein kann. Für eine erfindungsgemäße Ausgestaltung der Gyroskopie-Trägerstruktur weisen die benachbarten Rahmenstreben im Querschnitt erste und zweite Teilschenkel auf. Die zweiten Teilschenkel sind einander zugewandt und erstrecken sich in einer gemeinsamen Ebene. Hierbei entspricht die Ebene, in welcher sich die zweiten Teilschenkel der benachbarten Rahmenstreben erstrecken, vorzugsweise einer Tetraederfläche der Gyroskopie-Trägerstruktur für die Ausbildung der Aufnahmen für die gyroskopischen Messeinheiten. Hingegen sind die ersten Teilschenkel benachbarter Rahmenstreben unter einem spitzen Winkel zueinander angeordnet, während diese gegenüber den zugeordneten zweiten Teilschenkeln unter einem stumpfen Winkel abgewinkelt sind. Auf diese Weise kann die Vorgabe der Ausrichtung der Aufnahmen durch die zweiten Teilschenkel erfolgen, mittels der Abwinklung der beiden Teilschenkel das angestrebte hohe Flächenträgheitsmoment gewährleistet werden und schließlich eine vorteilhafte Außengeometrie der Gyroskopie-Trägerstruktur gewährleistet werden. Möglich ist darüber hinaus, dass die ersten Teilschenkel seitliche Fenster der Gyroskopie-Trägerstruktur begrenzen, die beispielsweise einer Aufnahme und/oder Hindurchführung von an der Gyroskopie-Trägerstruktur gehaltenen Bauelementen (beispielsweise eines Kabels und/oder eines an der Gyroskopie-Trägerstruktur benachbart dem Fenster gehaltenen Anschlusses) dienen oder lediglich der Reduzierung des Gewichts der Gyroskopie-Trägerstruktur dienen.
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Für eine konkrete konstruktive Ausgestaltung der Gyroskopie-Trägerstruktur schlägt die Erfindung vor, dass das Bodenelement oder die Bodenplatte eine Außenkontur aufweist, welche vorzugsweise einem (bspw. gleichseitigen) Sechseck entspricht. Die Gyroskopie-Trägerstruktur weist darüber hinaus ein Deckelelement auf, dessen Außenkontur einem (vorzugsweise gleichseitigen) Dreieck entspricht. Benachbarte Ecken der Bodenplatte bilden drei Paare von Ecken. Diese Paare der Ecken sind jeweils über Paare zugeordneter Rahmenstreben mit einer zugeordneten Ecke des Deckelelements verbunden. Vorzugsweise befindet sich die zugeordnete Ecke des Deckelelements mittig oberhalb des zugeordneten Paars der benachbarten Ecken der Bodenplatte, wobei diese Ecke aber nach innen in Richtung einer zentralen Hochachse gegenüber dem Paar der der benachbarten Ecken der Bodenplatte versetzt angeordnet ist. Bei derartiger Ausgestaltung können die Paare der Rahmenstreben (vorzugsweise mit den ersten Teilschenkeln derselben) jeweils ein Fenster der Gyroskopie-Trägerstruktur begrenzen. Ein derartiges Fenster kann ausschließlich als Aussparung zwecks Gewichtsminimierung dienen. Möglich ist auch, dass durch ein derartiges Fenster das Innere der Gyroskopie-Trägerstruktur zugänglich ist, auch wenn die gyroskopischen Messeinheiten in den Aufnahmen angeordnet sind, oder sich durch das Fenster weitere Bauelemente erstrecken. In diesem Fall begrenzen benachbarte Rahmenstreben unterschiedlicher Paare der Rahmenstreben (vorzugsweise mit den zweiten Teilschenkeln derselben) jeweils eine Aufnahme (vorzugsweise ein Aufnahmefenster) für eine gyroskopische Messeinheit. Hierbei kann sich die gyroskopische Messeinheit zumindest teilweise durch die Aufnahme hindurch erstrecken, womit sich eine besonders kompakte inertiale Raumflugkörper-Messeinheit ergeben kann. Möglich ist auch, dass die gyroskopische Messeinheit mit einem Absatz an den benachbarten Rahmenstreben unterschiedlicher Paare der Rahmenstreben abgestützt ist.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung widmet sich der Gestaltung von Befestigungsausnehmungen (insbesondere Bohrungen oder Gewindebohrungen, welche durchgehend oder als Sacklochausnehmungen ausgebildet sein können) der Gyroskopie-Trägerstruktur. Für einen Vorschlag der Erfindung sind im Bereich mindestens einer Befestigungsausnehmung der Gyroskopie-Trägerstruktur Rippen oder Verstärkungen vorhanden, die auf besonders einfache Weise mittels des Laserschmelzverfahrens oder des Lasersinterverfahrens ausgebildet werden können und andererseits zu einer Erhöhung der Steifigkeit und/oder Festigkeit im Bereich der Befestigungsausnehmungen, im Bereich welcher eine Einleitung von Kräften erfolgen kann, führen können.
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Erfolgt eine fräsende Herstellung der Gyroskopie-Trägerstruktur mittels eines Fräsers, muss ein Fräsen einer einem Innenraum der Gyroskopie-Trägerstruktur zugewandten Innenseite der Gyroskopie-Trägerstruktur mit einem Fräser erfolgen, welcher von der anderen Seite der Gyroskopie-Trägerstruktur durch diese hindurchgeführt ist. Dies erfordert, dass eine Flächennormale zu der zu fräsenden Innenseite der Gyroskopie-Trägerstruktur nicht durch einen Materialbereich der Gyroskopie-Trägerstruktur verlaufen darf, da ansonsten der Fräser diese Innenseite nicht erreichen könnte. Dies stellt eine gravierende Einschränkung der Gestaltungsmöglichkeiten für die Geometrie der Gyroskopie-Trägerstruktur dar. Für einen besonderen Vorschlag der Erfindung kann eine Innenseite der Gyroskopie-Trägerstruktur, welche einem Innenraum der Gyroskopie-Trägerstruktur zugewandt ist, eine Hinterschneidung, Vertiefung, Ecke oder Tasche bilden. Hierbei ist die Hinterschneidung, Vertiefung, Ecke oder Tasche mit einer Innenfläche gebildet. Erfindungsgemäß kann erstmals ermöglicht werden, dass eine Flächennormale durch diese Innenfläche durch einen Materialbereich der Gyroskopie-Trägerstruktur verläuft, welche auf der der Hinterschneidung, Vertiefung, Ecke oder Tasche gegenüberliegenden Seite der Gyroskopie-Trägerstruktur angeordnet ist.
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Eine weitere Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist gegeben durch eine (insbesondere inertiale) Raumflugkörper-Messeinheit, in welcher eine Gyroskopie-Trägerstruktur eingesetzt ist, wie diese zuvor beschrieben ist. In den von der Gyroskopie-Trägerstruktur gebildeten Aufnahmen sind dann gyroskopische Messeinheiten gehalten.
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Eine weitere Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe stellt ein Raumflugkörper, insbesondere ein Satellit, dar, in welchem eine derartige Raumflugkörper-Messeinheit eingesetzt ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
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Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs „mindestens“ bedarf. Wenn also beispielsweise von einer Befestigungsausnehmung oder einer Strebe die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass
- - genau eine Befestigungsausnehmung oder genau eine Strebe,
- - zwei Befestigungsausnehmungen oder Streben oder
- - mehr Befestigungsausnehmungen oder Streben
vorhanden sind. Diese Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, aus denen das jeweilige Erzeugnis besteht.
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Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
- 1 zeigt eine Gyroskopie-Trägerstruktur mit daran gehaltenen gyroskopischen Messeinheiten in einer Seitenansicht.
- 2 zeigt eine erfindungsgemäße Gyroskopie-Trägerstruktur in einer räumlichen Ansicht schräg von oben.
- 3 zeigt die Gyroskopie-Trägerstruktur gemäß 2 in einer teilgeschnittenen Seitenansicht.
- 4 zeigt die Gyroskopie-Trägerstruktur gemäß 2 und 3 in einer anderen teilgeschnittenen Seitenansicht.
- 5 zeigt die Gyroskopie-Trägerstruktur gemäß 2 bis 4 in einer teilgeschnittenen Draufsicht.
- 6 zeigt die Gyroskopie-Trägerstruktur gemäß 2 bis 5 in einer Ansicht von unten.
- 7 zeigt die Gyroskopie-Trägerstruktur gemäß 2 bis 6 in einer teilgeschnittenen Ansicht von unten.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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In der vorliegenden Figurenbeschreibung werden gleiche oder entsprechende Bauelemente oder Gestaltungsmerkmale teilweise mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet, wobei diese dann über ergänzende Buchstaben a, b, c, ... voneinander unterschieden sein können. In diesem Fall kann auch auf sämtliche mit demselben Bezugszeichen gekennzeichneten Bauelemente oder Gestaltungsmerkmale ohne Verwendung des ergänzenden Buchstabens Bezug genommen sein.
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1 zeigt eine Gyroskopie-Trägerstruktur 1, an der vier gyroskopische Messeinheiten 2a, 2b, 2c, 2d sowie weitere elektronische Bauelemente (hier nicht dargestellt) sowie Kabel 3 und Anschlüsse 4 gehalten. In 1 sind das Kabel 3 und ein Anschluss 4 lediglich schematisch dargestellt, wobei es sich bei dem Kabel 3 auch um ein Flachbandkabel handeln kann und der Anschluss 4 an der Gyroskopie-Trägerstruktur 1 (beispielsweise durch Anschrauben) befestigt sein kann.
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Die 2 bis 7 zeigen eine erfindungsgemäße Gyroskopie-Trägerstruktur 1, welche integral oder monolithisch ausgebildet ist und schichtweise in einem Laserschmelzverfahren oder Lasersinterverfahren aus einem Metall, insbesondere Aluminium, hergestellt ist.
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Die Gyroskopie-Trägerstruktur 1 verfügt über eine Bodenplatte 5. Über die Bodenplatte 5 kann die Gyroskopie-Trägerstruktur 1 an einem Raumflugkörper, insbesondere einem Satelliten, befestigt werden. Von der Bodenplatte 5 erstreckt sich ein Aufbau 6 der Gyroskopie-Trägerstruktur nach oben. Der Aufbau 6 ist rahmenartig, strebenartig oder fach- oder tragwerkartig ausgebildet. Der Aufbau 6 begrenzt gemeinsam mit der Bodenplatte 5 einen Innenraum 7, der über Ausnehmungen der Bodenplatte 5 und des Aufbaus 6, insbesondere Aufnahmen 8 sowie Fenster 9, in unterschiedliche Raumrichtungen nach außen offen ist.
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Die Außenkontur der Bodenplatte 5 entspricht einem vorzugsweise gleichseitigen Sechseck mit sechs Ecken 10a bis 10f. Der Aufbau 6 weist ein parallel zur Bodenplatte 5 orientiertes, eine Fläche aufspannendes Deckelelement 11 auf. Die Außenkontur des Deckelelements 11 entspricht einem gleichseitigen Dreieck mit drei Ecken 12a, 12b, 12c. Benachbarte Ecken 10a, 10b (bzw. 10c, 10d oder 10e, 10f) bilden jeweils Paare 13a (bzw. 13b oder 13c) der Ecken 10. Eine Ecke 12a (bzw. 12b oder 12c) des Deckelelements 11 ist jeweils mittig über einem zugeordneten Paar 13a (bzw. 13b oder 13c) von benachbarten Ecken der Bodenplatte 5 angeordnet, wobei allerdings die jeweilige Ecke 12 des Deckelelements 11 gegenüber den Ecken 10 des zugeordneten Paars 13 nach innen in Richtung einer Hochachse 14, die vertikal zur Bodenplatte 5 orientiert ist, versetzt angeordnet ist. Die Paare 13 der Ecken 10 der Bodenplatte sind jeweils über Paare 15 von Rahmenstreben 16 mit der zugeordneten Ecke 12 des Deckelelements 11 verbunden. Die Rahmenstreben 16 erstrecken sich unter einem spitzen Winkel 42 gegenüber der Hochachse 14 von der Bodenplatte 5 nach oben. Hingegen sind in dem Deckelelement 11 die Ecken 12 über Rahmenstreben 17 miteinander verbunden.
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Die Rahmenstreben 17 des Deckelelements 11 begrenzen ein dreieckiges Fenster 18. Die Rahmenstreben 16a, 16b (bzw. 16c, 16d oder 16e, 16f) eines Paares 15a (bzw. 15b oder 15c) begrenzen ein seitliches dreieckiges Fenster 9a (bzw. 9b oder 9c). Hingegen begrenzen benachbarte Rahmenstreben 16b, 16c (bzw. 16d, 16e oder 16f, 16a) benachbarter Paare 15a, 15b (bzw. 15b, 15c oder 15c, 15a) eine Aufnahme 8a (bzw. 8b oder 8c), welche auch eine Aufnahmeöffnung sein kann (im Folgenden „Aufnahme“). Die Rahmenstreben 16, 17 verfügen jeweils über einen abgewinkelten Querschnitt, welcher in grober Näherung als L-förmig bezeichnet werden kann. Hierbei sind die beiden Teilschenkel 19, 20 des L-förmigen Querschnitts vorzugsweise gleich lang ausgebildet und diese bilden einen stumpfen Winkel 21, welcher hier 120° beträgt (vgl. 5). Ein Winkel 22 zwischen den zweiten Seitenschenkeln 20 eines Paares 15 der Rahmenstreben 16 beträgt 60°. Auch ein Winkel 23 zwischen den ersten Seitenschenkeln 19 von Rahmenstreben 16 benachbarter Paare 15 beträgt 60°.
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Die Aufnahmen 8 verfügen über ein oberes Teilfenster 24 sowie ein unteres Teilfenster 25, die über einen Übergangsbereich 26, in welchem die Aufnahme 8 verjüngt ist, miteinander verbunden sind. Das obere Teilfenster 24 ist hierbei rechteckig oder quadratisch ausgebildet mit Abschrägungen der Ecken und im Bereich der Abschrägungen angeordneten Befestigungsausnehmung 27 (insbesondere Bohrungen oder Gewindebohrungen, welche durchgehend oder als Sacklochausnehmungen ausgebildet sein können). In das obere Teilfenster 24 kann eine gyroskopische Messeinheit 2 eingesetzt werden, welche sich somit teilweise durch das obere Teilfenster 24 der Aufnahme 8 hindurch in den Innenraum 7 erstreckt. Mit einem umlaufenden Bund oder einem Absatz 43 kommt die gyroskopische Messeinheit 2 zur Anlage an die Gyroskopie-Trägerstruktur 1 und kann mit dieser im Bereich der Befestigungsausnehmung 27, die vorzugsweise mit einem Gewinde ausgestattet ist, verbunden werden. Hingegen kann das untere Teilfenster 25 genutzt werden, um ein von der gyroskopischen Messeinheit 2 ausgehendes Kabel 3 von außen durch die Gyroskopie-Trägerstruktur 1 in den Innenraum 7 zu überführen. Wie insbesondere in 4 zu erkennen ist, sind die Befestigungsausnehmungen 27 mit Verstärkungen 28 (bspw. eine Verdickung oder ein Verbundbereich mit einem Zusatzmaterial) ausgestattet, welche vorzugsweise die Befestigungsausnehmung 27 über einen Teilumfang oder über den gesamten Umfang umgeben. Alternativ oder zusätzlich erstrecken sich im Umgebungsbereich der Befestigungsausnehmung 27 Rippen 29, welche hier strahlenförmig von der Befestigungsausnehmung 27 ausgehen. Möglich ist auch, dass die Rippen 29 wabenförmig ausgebildet sind. Hierbei können sich die Rippen 29 mit ihrer Längserstreckung entlang eines Teilschenkels 19, 20 (hier des zweiten Teilschenkels 20) erstrecken und in dem der Befestigungsausnehmung 27 abgewandten Endbereich in den anderen Teilschenkel 20, 19 (hier den ersten Teilschenkel 19) übergehen. Möglich ist, dass (wie für das Ausführungsbeispiel in den Figuren dargestellt) die Aufnahmen 8 nicht unmittelbar an die Bodenplatte 5 angrenzen. Vielmehr erstreckt sich entlang des Randes der Bodenplatte 5 zwischen den Ecken eine Horizontalstrebe 30, deren oberer Rand die Aufnahme 8 begrenzt, welche in dem unteren Rand in die Bodenplatte 5 übergeht und welche in den Endbereichen in die zugeordneten Rahmenstreben 16 übergeht.
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Auch die Rahmenstreben 17 des Deckelelements 11 sind mit einem abgewinkelten Querschnitt mit zwei unter einem stumpfen Winkel abgewinkelten Teilschenkeln 31, 32 ausgebildet. Hierbei sind die ersten Teilschenkel 31 parallel zur Bodenplatte 5 orientiert und bilden ein dreieckiges Rahmenelement, während die zweiten Teilschenkel 32 in ihren Endbereichen in die zugeordneten Rahmenstreben 16 übergehen und mit ihren untenliegenden Rändern die Aufnahmen 8 begrenzen. Die Teilschenkel 32 bilden vorzugsweise einen Winkel 42 mit der Hochachse 14 aus. In dem Übergangsbereich 26 der Aufnahmen 8 besitzen die Rahmenstreben 16 Erweiterungen 33, im Bereich welcher Befestigungsausnehmungen 27 angeordnet sind und die Aufnahme 8 verjüngt ist.
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Wie insbesondere in den 3 und 4 zu erkennen ist, ist die Bodenplatte 5 nicht massiv ausgebildet. Vielmehr weist diese im Bereich des Randes Materialbereiche 34 auf, welche eine größere Höhe aufweisen als andere Teilbereiche der Bodenplatte 5, hier ein plattenförmiger Grundkörper 44 der Bodenplatte 5. In diesen Materialbereichen 34 befinden sich von unten in die Bodenplatte 5 eingebrachte Befestigungsausnehmungen 35 (insbesondere Bohrungen oder Gewindebohrungen, welche durchgehend oder als Sacklochausnehmungen ausgebildet sein können), welche hier als Gewinde-Sachlochbohrungen ausgebildet sind. Über die Befestigungsausnehmungen 35 kann die Gyroskopie-Trägerstruktur 1 mit einem benachbarten Bauelement, insbesondere einem Raumflugkörper oder einem Satellit, verbunden oder verschraubt werden.
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Zwischen den Materialbereichen 34 erstrecken sich Stege 36 von dem plattenförmigen Grundkörper 44 entlang der Bodenplatte 5, im Bereich welcher die Dicke der Bodenplatte der Dicke der Materialbereiche 34 entspricht und welche eine Versteifung der Bodenplatte 5 gewährleisten. Hierbei umgeben die Stege 36 (vorzugsweise in Umfangsrichtung geschlossen) Aufnahmeräume oder Durchtrittsausnehmungen 37 und eine Aufnahme 8d, welche von der Bodenplatte 5 ausgebildet ist und entsprechend den Aufnahmen 8a bis 8c, die von den Rahmenstreben 16 begrenzt werden, geformt ist und entsprechende Befestigungsausnehmungen 27 aufweist. Insbesondere in 6 zu erkennende Aufnahmeräume oder Durchtrittsausnehmungen 37 der Bodenplatte 5, die von den Stegen 16 umgeben sind, können der Aufnahme und/oder Hindurchführung von Leitungen, elektrischen Bauelementen u. Ä. dienen. Möglich ist auch, dass an der Bodenplatte 5 und/oder in einer Ausnehmung derselben auch eine elektronische Steuereinheit angeordnet und/oder gehalten ist. Die außenliegenden Stirnseiten der Materialbereiche 34 und der Stege 36 bilden Raumflugkörper-Kontaktflächen 38, im Bereich welcher die Gyroskopie-Trägerstruktur 1 an einem Raumflugkörper abgestützt ist und eine Abfuhr von Wärme von der Gyroskopie-Trägerstruktur zu dem Raumflugkörper erfolgen kann.
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Die Gyroskopie-Trägerstruktur 1 verfügt über drei Seitenflächen, die die Aufnahmen 8 ausbilden und begrenzt sind durch benachbarte Rahmenstreben 16 sowie eine Rahmenstrebe 17 und eine Horizontalstrebe 30. Diese drei Seitenflächen bilden gemeinsam mit der Bodenplatte 5 in grober Näherung einen Tetraeder. Die seitlichen Kanten des Tetraeders sind aber abgeflacht, wobei im Bereich der Abflachungen die ersten Teilschenkel 19 der seitlichen Rahmenstreben 16 angeordnet sind und die Fenster 9a, 9b, 9c gebildet sind. Des Weiteren ist die Spitze des Tetraeders abgeflacht, wobei die Abflachung von dem Deckelelement 11 gebildet ist und im Bereich der Abflachung das Fenster 18 gebildet ist.
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Vorzugsweise ist die Gyroskopie-Trägerstruktur 1 in einem Laserschmelzverfahren oder Lasersinterverfahren aus Aluminium hergestellt. Die Funktionsflächen, insbesondere die Aufnahmen 8 mit den Anlageflächen für die Bunde oder Absätze 43 der gyroskopischen Messeinheiten 2, können nach dem Laserschmelzen oder Lasersintern spanend nachbearbeitet sein, um die Maßhaltigkeit zu gewährleisten. Die gyroskopischen Messeinheiten 2, elektrische Verbindungselemente (Power, Data, Bonding Stud) oder Kabel 3 können vollständig in die Gyroskopie-Trägerstruktur 1 integriert sein.
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Vorzugsweise verfügt die erfindungsgemäße Gyroskopie-Trägerstruktur 1 über Hinterschneidungen 39 , welche auch auf einer Innenseite der Gyroskopie-Trägerstruktur 1, also auf der dem Innenraum 7 zugewandten Seite, angeordnet sein können. Dies wird beispielsweise ermöglicht, indem die schichtweise Herstellung der Gyroskopie-Trägerstruktur 1 mit einem schichtweisen Aufbau derselben von der Bodenplatte 5 bis zu dem Deckelelement 11 erfolgt und unter Umständen in dem Innenraum 7 eine Stützstruktur während des Laserschmelzverfahrens verwendet wird, welche nach dem Aushärten der Gyroskopie-Trägerstruktur 1 beseitigt und/oder zerstört werden kann.
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Bei einem derartigen schichtweisen Aufbau der Gyroskopie-Trägerstruktur 1 kann im Rahmen der Erfindung eine Variation der Wandstärke der Gyroskopie-Trägerstruktur 1 erfolgen, was beispielsweise auch für die Wandstärke der Rahmenstreben 16 über den Verlauf der Längserstreckung derselben der Fall sein kann. Auf diese Weise kann bspw. eine noch exaktere Anpassung an den Spannungsverlauf und die Beanspruchungen der Gyroskopie-Trägerstruktur 1 oder einer Rahmenstrebe 16 erfolgen.
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Da während der Herstellung der Gyroskopie-Trägerstruktur 1 keine mechanischen Kräfte auf diese einwirken, wie dies für ein Fräsverfahren der Fall ist, kann die Gyroskopie-Trägerstruktur 1 auch dünnwandiger hergestellt werden. Möglich ist die Herstellung von Hinterschneidungen 39, Hohlräumen und auch kleinvolumigen Taschen. Dies erhöht das Verhältnis von funktionsgerechter zu fertigungsgerechter Konstruktion und schöpft somit das Leichtbaupotenzial effektiv aus. Eine etwaige Leistungselektronik kann im Inneren der Gyroskopie-Trägerstruktur 1 oder auch in Hohlräumen oder Taschen derselben angeordnet werden.
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Die Gyroskopie-Trägerstruktur 1 ist als einteilige und integrale Struktur oder monolithische Struktur ausgebildet.
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Eine mögliche Ausgestaltung und ein hiermit verbundener Vorteil der Fertigung der Gyroskopie-Trägerstruktur 1 in einem Laserschmelzverfahren wird anhand der 3 und 4 erläutert:
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Im Bereich einer Ecke 10d treffen die Teilschenkel 19d, 20d der Rahmenstrebe 16d sowie die Horizontalstrebe 30 nicht vertikal aufeinander. Vielmehr bildet der Teilschenkel 19d mit dem Teilschenkel 20d und der Horizontalstrebe 30 einen stumpfen Winkel, während sowohl der Teilschenkel 19d als auch der Teilschenkel 20d mit der Horizontalstrebe 30 über einen spitzen Winkel in die Bodenplatte 5 übergehen. Eine Fertigung der Innenkontur im Bereich dieser Ecke mit einem Fräser ist angesichts dieser Form bereits nicht möglich. Erschwerend kommt hinzu, dass ein Fräser zur Herstellung der Innenkontur der Ecke 10d durch die Gyroskopie-Trägerstruktur 1 von der gegenüberliegenden Seite bis zu der Ecke 10d hindurchgeführt werden müsste, was bereits eine große Länge des Fräsers erfordern würde, welche problematisch sein kann.
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Eine Hindurchführung zu der Ecke 10d durch die Gyroskopie-Trägerstruktur 1 ist aber nicht möglich, da auf der der Ecke 10d gegenüberliegenden Seite die Gyroskopie-Trägerstruktur 1 durch die Horizontalstrebe 30 und hier angeordnete Rahmenstreben 16 geschlossen ist. Erst der erfindungsgemäße Einsatz eines Laserschmelzverfahrens ermöglicht die erfindungsgemäße konstruktive Ausgestaltung der Gyroskopie-Trägerstruktur 1.
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Möglich ist, dass Befestigungsausnehmungen 35 unmittelbar von einem Grundmaterial der Gyroskopie-Trägerstruktur 1 ausgebildet werden. Möglich ist aber auch, dass in die Gyroskopie-Trägerstruktur 1 Einsätze oder sogenannte Inserts oder auch sogenannte Helicoils (Marke, welche von dem Unternehmen Wilhelm Böllhoff GmbH & Co. KG verwendet wird) eingesetzt werden, welche eine Befestigung oder auch ein Einschrauben von Schrauben ermöglichen mit einer Kraftübertragung der Kräfte von der Schraube über den Einsatz an das Grundmaterial der Gyroskopie-Trägerstruktur 1.
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Findet im Inneren der Gyroskopie-Trägerstruktur 1 während der Herstellung mittels des Laserschmelzverfahrens eine Stützstruktur Einsatz, kann diese, ggf. nach einer Zerstörung derselben, über die Aufnahmen 8 und/oder Fenster 9, 18 aus dem Innenraum 7 entfernt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gyroskopie-Trägerstruktur
- 2
- gyroskopische Messeinheit
- 3
- Kabel
- 4
- Anschluss
- 5
- Bodenplatte
- 6
- Aufbau
- 7
- Innenraum
- 8
- Aufnahme
- 9
- Fenster
- 10
- Ecke der Bodenplatte
- 11
- Deckelelement
- 12
- Ecke des Deckelelements
- 13
- Paar von zwei Ecken der Bodenplatte
- 14
- Hochachse
- 15
- Paar der Rahmenstreben
- 16
- seitliche Rahmenstrebe
- 17
- Rahmenstreben des Deckelelements
- 18
- Fenster
- 19
- erster Teilschenkel der seitlichen Rahmenstrebe
- 20
- zweiter Teilschenkel der seitlichen Rahmenstrebe
- 21
- Winkel
- 22
- Winkel
- 23
- Winkel
- 24
- oberes Teilfenster
- 25
- unteres Teilfenster
- 26
- Übergangsbereich
- 27
- Befestigungsausnehmung
- 28
- Verstärkung
- 29
- Rippe
- 30
- Horizontalstrebe
- 31
- erster Teilschenkel der Rahmenstrebe des Deckelelements
- 32
- zweiter Teilschenkel der Rahmenstrebe des Deckelelements
- 33
- Erweiterung
- 34
- Materialbereich
- 35
- Befestigungsausnehmung
- 36
- Stege
- 37
- Aufnahmeraum, Durchtrittsausnehmung
- 38
- Raumflugkörper-Kontaktfläche
- 39
- Hinterschneidung
- 40
- Innenfläche
- 41
- Flächennormale
- 42
- Winkel
- 43
- Bund, Absatz
- 44
- Grundkörper
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2014/160695 A1 [0006]
- US 7455740 B2 [0006]
- EP 2851146 A1 [0006]
- EP 3147069 A1 [0006]
- WO 2017/060600 A1 [0006]
- US 7984547 B2 [0006]
- EP 2218530 A1 [0006]
- DE 102009051551 A1 [0006]
- WO 2006/008463 A1 [0006]
- DE 112004001311 T5 [0006]
- DE 10353060 A1 [0006]
- DE 10205070 A1 [0006]
- WO 2009/024258 A1 [0006]
- DE 102014214016 A1 [0006]
- DE 19903436 A1 [0006]
- US 9452840 B2 [0006]
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- WO 2012/097794 A1 [0006]
- WO 2010/023059 A3 [0006]
- DE 102011018526 A1 [0006]
