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Es wird ein Druckbolzen einer Presse angegeben, der zur Übertragung einer Kraft auf eine Werkzeugkomponente der Presse ausgebildet ist. Bei der Presse kann es sich beispielsweise um eine Umformpresse handeln. Weiterhin wird eine Presse mit zumindest einem derartigen Druckbolzen angegeben.
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Für die Herstellung von Blechteilen für Fahrzeugkarosserien mittels Kaltumformen werden Produktionsprozesse bestehend aus mehreren Operationen betrieben. Bei der ersten formgebenden Operation handelt es sich üblicherweise um die Ziehstufe. Das für die Ziehstufe verwendete Umformwerkzeug besteht üblicherweise aus Matrize, Stempel und Blechhalter. Zusätzliche Komponenten wie Oberkasten und Unterkasten oder Schieber, Einsätze etc. können ebenfalls im Umformwerkzeug enthalten sein. Sind im Umformwerkzeug Kästen enthalten, so ist üblicherweise der Oberkasten mit der Matrize und der Unterkasten mit dem Stempel fest verbunden. Auf der Unterseite des Blechhalters befinden sich Unterluftbolzen die mit dem Blechhalter fest verbunden sind.
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Das Umformwerkzeug wird in einer dafür vorgesehenen Umformpresse betrieben. Hierbei wird die Matrize bzw. der Oberkasten am Stößel befestigt. Stempel bzw. Unterkasten werden an der Tischplatte befestigt. Der Blechhalter steht mit den Unterluftbolzen auf den Pressenpinolen, welche wiederum auf dem Druckkasten stehen. Der Druckkasten steht auf Hydraulikzylindern und ist mit ihnen fest verbunden. Die Anzahl an Hydraulikzylindern kann je nach Presse variieren. Das umzuformende Blech liegt am Blechhalter auf. Zwischen Blechhalter und Matrize können sich ein oder mehrere Ziehhilfen befinden, um den Spalt zwischen den beiden Werkzeugkomponenten zu beeinflussen. Der Stößel bewegt sich während des Umformvorganges vertikal nach unten und verdrängt hierbei das Gesamtsystem bestehend aus Blechhalter, Pressenpinolen und Druckkasten. Die Hydraulikzylinder üben hierbei eine Gegenkraft aus, welche über den Druckkasten in die Pressenpinolen und Unterluftbolzen in den Blechhalter geleitet wird. Dieses Verfahren wird in der Druckschrift
DE 199 543 10 A1 beschrieben.
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Bei dieser Operation hängen Eigenschaften und Qualität der umgeformten Bauteile ganz wesentlich vom Materialfluss des Blechs ab, welcher im Kontaktbereich zwischen Matrize und Blechhalter stattfindet. Der Materialfluss wird hierbei maßgeblich von der Druckverteilung zwischen Blech und Blechhalter beeinflusst.
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Die Druckverteilung zwischen Blech und Blechhalter wird im weiter oben beschrieben Prozess durch die Krafteinleitung der Hydraulikzylinder in den Blechhalter sowie durch die Distanzierung mittels Ziehhilfen erzeugt. Es ist erstrebenswert die Druckverteilung zwischen Blechhalter und Blech nicht nur vor sondern auch während des Umformprozesses einzustellen, um ein optimales Umformergebnis zu erzielen.
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Eine Möglichkeit besteht darin, die Druckverteilung über die Hydraulikzylinder zu beeinflussen. Ein Verfahren, welches die Manipulation der Hydraulikzylinder zur Variation der Druckverteilung zwischen Blech und Blechhalter teilweise nutzt, wird in der Druckschrift
DE 199 543 10 A1 beschrieben. Dabei wird eine Variation der Druckverteilung zwischen Blech und Blechhalter während des Umformvorgangs zusätzlich über Piezoaktoren ermöglicht. Auf eine Messung der Ist-Kraft wird in der Druckschrift
DE 199 543 10 A1 verzichtet.
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Weiterhin ist in der Druckschrift
DE 102014004521 A1 eine Pressenvorrichtung beschrieben, bei der ein Kraftübertragungselement als elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch ansteuerbarer Aktor ausgebildet ist.
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Die Druckschrift
KR 20080011609 A beschreibt ein Verfahren zur Erhöhung der Lebensdauer einer Umformpresse und zur Reduzierung der im Umformprozess erzeugten Schwingungen. Hierzu werden magnetrheologische Unterluftbolzen verwendet und piezoelektrische Sensoren in den Ziehhilfen. Die piezoelektrischen Sensoren messen in den Ziehhilfen die Umformkräfte und geben ein Steuersignal an die magnetrheologischen Unterluftbolzen wieder.
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Nachteilig bei der in der Druckschrift
KR 20080011609 A beschriebenen Umformpresse ist, dass die Umformkräfte in den Ziehhilfen und somit nur im Kraftnebenschluss gemessen werden.
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Es ist eine zu lösende Aufgabe zumindest einiger Ausführungsformen, einen Druckbolzen einer Presse anzugeben, mittels dessen die Umformkräfte direkt im Kraftfluss gemessen werden können. Weiterhin soll eine Messung der Umformkräfte auch bei Werkzeugen ohne Ziehhilfen ermöglicht werden. Eine weitere Aufgabe ist es, eine Presse mit zumindest einem derartigen Druckbolzen anzugeben.
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Diese Aufgaben werden durch Gegenstände gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Gegenstandes gehen weiterhin aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen hervor.
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Der hier beschriebene Druckbolzen weist gemäß zumindest einer Ausführungsform einen Bolzenkörper und einen Bolzenkörper angeordnetes bzw. im Bolzenkörper integriertes Sensorelement zur Messung einer über den Druckbolzen übertragbaren Kraft auf. Weiterhin weist der Druckbolzen eine im Bolzenkörper angeordnete bzw. im Bolzenkörper integrierte Aktoreinheit auf. Die Aktoreinheit weist einen funktionalen Körper aus einem adaptiven Material auf. Das Sensorelement und/oder die Aktoreinheit können beispielsweise in einer Aussparung des Bolzenkörpers angeordnet sein.
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Vorzugsweise ist der Druckbolzen zur Übertragung einer Kraft auf eine Werkzeugkomponente einer Presse, beispielsweise zur Übertragung einer Kraft auf einen Blechhalter einer Umformpresse, ausgebildet. Die Kraftübertragung kann dabei direkt auf die Werkzeugkomponente oder indirekt über weitere Elemente auf die Werkzeugkomponente erfolgen. Beispielsweise kann der Druckbolzen zwischen einem Druckkasten einer Presse und einem Blechhalter der Presse angeordnet sein.
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Das adaptive Material des funktionalen Körpers ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass seine rheologischen Eigenschaften und/oder seine Länge und/oder sein Volumen in Abhängigkeit eines elektrischen und/oder magnetischen Felds gezielt veränderbar sind. Beispielsweise können die viskoelastischen und oder dynamisch-mechanischen Eigenschaften des adaptiven Materials gezielt variiert werden. Insbesondere ist eine reversible Verformung, wie zum Beispiel eine Ausdehnung und/oder eine reversible Verhärtung oder Versteifung des adaptiven Materials möglich.
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Das Sensorelement ist vorzugsweise zur Messung einer über den Druckbolzen bzw. den Bolzenkörper des Druckbolzens übertragenen bzw. übertragbaren Kraft ausgebildet. Insbesondere kann es sich bei dem Sensorelement um einen Kraftsensor handeln. Beispielsweise kann das Sensorelement einen oder mehrere Dehnmessstreifen aufweisen. Das Sensorelement kann z.B. eine Wheatstone-Messbrücke, die eine Mehrzahl von Dehnmessstreifen umfasst, aufweisen.
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Der Druckbolzen kann z.B. als so genannter Unterluftbolzen bzw. Zwischenluftbolzen bzw. Zwischenbolzen ausgebildet sein. Der Unterluftbolzen kontaktiert vorzugsweise direkt den Blechhalter bzw. ist direkt mit dem Blechhalter verbunden. Beispielsweise kann der Unterluftbolzen mit dem Blechhalter verschraubt sein oder einteilig mit dem Blechhalter ausgebildet sein. Insbesondere kann der Unterluftbolzen zwischen einem weiteren Druckbolzen der Presse, wie z.B. einer Pressenpinole, und dem Blechhalter angeordnet sein.
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Weiterhin kann der Druckbolzen als Pressenpinole ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Druckbolzen zwischen den Druckkasten einer Presse und einem weiteren Druckbolzen, wie z.B. einem Unterluftbolzen, angeordnet sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform handelt es sich bei dem adaptiven Material um eine Flüssigkeit. Beispielsweise kann das adaptive Material eine magnetorheologische Flüssigkeit oder eine elektrorheologische Flüssigkeit sein. Das adaptive Material kann insbesondere derart ausgebildet sein, dass eine reversible Versteifung der Flüssigkeit gezielt hervorgerufen werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das adaptive Material ein Elastomer. Bei dem Elastomer kann sich z.B. um ein magnetorheologisches Elastomer oder um ein dielektrisches Elastomer handeln. Beispielsweise kann eine gezielte reversible Verformung, wie z.B. Ausdehnung, und/oder Verhärtung des adaptiven Materials erfolgen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Aktoreinheit Mittel zum Ausbilden eines elektrischen und/oder magnetischen Felds auf. Beispielsweise kann die Aktoreinheit eine Spule, wie z.B. eine Kupferspule, aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann die Aktoreinheit z.B. Kondensatorplatten aufweisen. Durch das erzeugen des elektrischen und/oder magnetischen Felds können die rheologischen Eigenschaften und/oder die Länge und/oder das Volumen des funktionalen Körpers bzw. des adaptiven Materials gezielt verändert werden.
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Weiterhin kann die Aktoreinheit einen bewegbaren Kolben aufweisen. Vorzugsweise kann der Kolben der Aktoreinheit mittels des funktionalen Körpers bewegt werden. Der Kolben kann z.B. durch ein Ausdehnen bzw. eine Volumenänderung des adaptiven Materials relativ zum Rest des Bolzenkörpers bewegt werden. Dadurch kann der Druckbolzen hinsichtlich seiner Länge variabel ausgebildet sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind das Sensorelement und die Aktoreinheit über einen Regelkreis miteinander verbunden. Die Signale des Sensorelements können beispielsweise mit einer Führungsgröße abgeglichen werden, und eine mögliche Wertabweichung kann von einem Regler, welcher die Aktoreinheit steuert, berücksichtigt werden. In Abhängigkeit der Signale des Reglers können z.B. die Mittel zum Erzeugen des elektrischen und/oder magnetischen Felds derart variiert werden, dass eine gezielte Veränderung des adaptiven Materials des funktionalen Körpers erfolgen kann. Die vom Druckbolzen übertragene Kraft kann wiederum vom Sensorelement gemessen werden und ein Abgleich mit der Führungsgröße erfolgen.
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Des Weiteren wird eine Presse mit zumindest einem hier beschriebenen Druckbolzen angegeben. Der Druckbolzen der Presse kann ein oder mehrere Merkmale der bisher beschriebenen Ausführungsformen aufweisen.
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Beispielsweise kann die Presse als Umformpresse ausgebildet sein. Weiterhin weist die Presse zumindest einen hier beschriebenen Druckbolzen mit einem Sensorelement und einer Aktoreinheit auf, welcher beispielsweise als Unterluftbolzen oder als Pressenpinole ausgebildet sein kann. Besonders bevorzugt ist eine Mehrzahl der Druckbolzen des Pressenwerkzeugs und/oder eine Mehrzahl der Druckbolzen des Pressentischs wie ein hier beschriebener Druckbolzen mit einem Sensorelement und einer Aktoreinheit ausgebildet sein. Mittels des Sensorelements bzw. mittels der Sensorelemente kann vorzugsweise eine Onlinemessung während eines Pressvorgangs erfolgen.
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Die hier beschriebene Presse weist eine Vielzahl von Vorteilen auf. Beispielsweise ist eine Variation der Druckverteilung zwischen Blech und Blechhalter während des Umformvorgangs sehr gut möglich. Weiterhin ist ein deutlich höherer Weg als mit Piezoaktoren möglich.
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Das beschriebene Konzept ist zudem robust gegen schnell auftretende Kraftspitzen in Presse und Werkzeug. Weiterhin liegen das Sensorelement und die Aktoreinheit so nah wie möglich aneinander und befinden sich im selben Bauteil, und das Sensorelement und die Aktoreinheit liegen direkt im Kraftfluss.
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Zusätzlich sind meist deutlich mehr Druckbolzen als Ziehhilfen in Umformwerkzeug vorhanden, und die technische Lösung kann auch bei Werkzeugen ohne Ziehhilfen eingesetzt werden.
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Eine Zu- und Abführung von hydraulischen oder pneumatischen Medien sind vorteilhafterweise nicht notwendig. Des Weiteren ist ein geringes Bauvolumen von Sensorelement und Aktoreinheit möglich. Aufgrund des geringen Bauvolumens von Sensorelement und Aktoreinheit kann der Druckbolzen beispielsweise dieselben Dimensionen wie herkömmliche Unterluftbolzen oder Pressenpinolen aufweisen.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen des hier beschriebenen Druckbolzens bzw. der hier beschriebenen Presse ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den 1 bis 4 beschriebenen Ausführungsformen. Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht einer Presse gemäß einem Ausführungsbeispiel,
- 2 eine schematische Ansicht eines Druckbolzens gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 3 eine schematische Ansicht eines Druckbolzens gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, und
- 4 eine schematische Ansicht eines Regelkreises einer Presse mit zumindest einem hier beschriebenen Druckbolzen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
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In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Bestandteile 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.
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Die 1 zeigt eine schematische Ansicht einer hier beschriebenen Presse 100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Presse 100 ist als Umformpresse zur Umformung einer Platine 14 ausgebildet und weist einen Stößel 1, eine Tischplatte 2, einen dazwischen angeordneten Oberkasten 4 und Unterkasten 5, einen Druckkasten 3 und eine Vielzahl von Hydraulikzylindern 6 auf. Weiterhin weist die Presse 100 eine Vielzahl von Pressenpinolen 7 auf, welche dazu ausgebildet sind die Kraft von den Hydraulikzylindern 6 auf Druckbolzen 8, die als Unterluftbolzen ausgebildet sind, zu übertragen. Vorzugsweise ist zumindest einer der Druckbolzen 7, 8 wären hier beschriebener Druckbolzen, der weiter im Detail in den 2 und 3 beschrieben ist, ausgebildet. Weitere Elemente der Presse 100 sind die Matrize 11, der Stempel 12, der Blechhalter 13 sowie die Distanzplatte auf der Unterseite 9 und die Distanzplatte auf der Oberseite 10. Die Arbeitsrichtung des Stößels während eines Umformprozesses ist mit den Bezugszeichen 15 gekennzeichnet.
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In der 2 ist eine schematische Ansicht eines Druckbolzens gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Bei dem Druckbolzen kann es sich z.B. um einen Unterluftbolzen 8 oder um eine Pressenpinole 7 einer Presse 100 handeln. Der Druckbolzen weist ein Bolzenkörpers 16 und einem Bolzenkörper 16 angeordnetes Sensorelement 19 zur Messung einer über den Druckbolzen übertragbaren Kraft auf. Das Sensorelement 19 weist im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl von Dehnmessstreifen auf, welche zu einer Wheatstone-Messbrücke 25 verschaltet sind.
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Weiterhin weist der Druckbolzen eine im Bolzenkörper 16 angeordnete Aktoreinheit 17 auf, die einen funktionalen Körper 18 aus einem adaptiven Material aufweist, sowie eine Spule 27 zur Erzeugung eines magnetischen Felds und eine Kolben 26. Vorzugsweise ist das adaptive Material derart ausgebildet, dass seine rheologischen Eigenschaften und/oder seine Länge und/oder sein Volumen in Abhängigkeit des magnetischen Felds, welches durch die Spule 27 erzeugt werden kann, gezielt veränderbar sind.
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Das adaptive Material kann z.B. als magnetorheologische Flüssigkeit oder als magnetorheologisches Elastomer ausgebildet sein. Durch das mittels der Spule 27 erzeugte magnetische Feld kann sich das adaptive Material ausdehnen, wodurch der Kolben 26 relativ zum Rest des Bolzenkörpers bewegt werden kann.
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Die 3 zeigt eine schematische Ansicht eines Druckbolzens 7, 8 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß der 2 weist die Aktoreinheit 17 zwei Kondensatorplatten 28 auf, zwischen welchen der funktionale Körper 18 angeordnet ist und welche zum Erzeugen eines elektrischen Feldes ausgebildet sind. Durch das mittels der Kondensatorplatten 28 erzeugte elektrische Feld kann das adaptive Material des funktionalen Körpers 18 derart verändert werden, dass sich der Kolben 26 relativ zum Rest des Bolzenkörpers bewegt.
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In der 4 ist eine schematische Darstellung eines Regelkreises 24 gezeigt, über welchen das Sensorelement 19 und die Aktoreinheit 17 des Druckbolzens 7, 8 verbunden sein können.
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Durch Abgleich einer Führungsgröße 20 mit den Werten des Sensorelements 19 kann eine Wertabweichung 21 ermittelt werden. In Abhängigkeit der Wertabweichung 21 können entsprechende Signale an den Regler 22 des Regelkreises 24 geben werden, welcher dann wiederum Signale an die Aktoreinheit 17 gibt, sodass eine gezielte Einstellung der Aktoreinheit erfolgen kann. Insbesondere können die Mittel 27, 28 zum Erzeugen des elektrischen und/oder magnetischen Felds derart variiert werden, dass der funktionale Körper 18 bzw. das adaptive Material des funktionalen Körpers 18 gezielt verändert wird, wodurch der Kolben 26 relativ zum Bolzenkörper 16 eingestellt werden kann.
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Die übertragenen Kraft 23 kann dann wiederum von dem Sensorelement 19 gemessen werden und mit der Führungsgröße 20 abgeglichen werden. Dadurch ist vorteilhafterweise eine Onlinemessung möglich, so dass die Druckverteilung zwischen dem Blechhalter und dem Blech auch während des Umformprozesses einstellbar bzw. steuer- und regelbar ist.
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Die in den gezeigten Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmale können gemäß weiteren Ausführungsbeispielen auch miteinander kombiniert sein. Alternativ oder zusätzlich können die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele weitere Merkmale gemäß den Ausführungsformen der allgemeinen Beschreibung aufweisen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stößel
- 2
- Tischplatte
- 3
- Druckkasten
- 4
- Oberkasten
- 5
- Unterkasten
- 6
- Hydraulikzylinder
- 7
- Pressenpinole
- 8
- Unterluftbolzen
- 9
- Distanzplatte Unterseite
- 10
- Distanzplatte Oberseite
- 11
- Matrize
- 12
- Stempel
- 13
- Blechhalter
- 14
- Platine
- 15
- Arbeitsrichtung des Stößels während des Umformprozesses
- 16
- Bolzenkörper
- 17
- Aktoreinheit
- 18
- funktionaler Körper
- 19
- Sensorelement
- 20
- Führungsgröße
- 21
- Wertabweichung
- 22
- Regler
- 23
- Kraft
- 24
- Regelkreis
- 25
- Wheatstone-Messbrücke
- 26
- Kolben
- 27
- Spule
- 28
- Kondensatorplatten
- 100
- Presse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19954310 A1 [0003, 0006]
- DE 10331939 A1 [0007]
- DE 102006031438 B4 [0007]
- DE 102012018606 A1 [0007]
- DE 10201200221 A1 [0007]
- DE 102012202778 A1 [0007]
- DE 102014221550 A1 [0007]
- DE 102015203226 A1 [0007]
- DE 102014004521 A1 [0008]
- KR 20080011609 A [0009, 0010]
