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EINLEITUNG
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Während eines Verbrennungszyklus eines Verbrennungsmotors (ICE) werden Luft/Kraftstoffgemische Zylindern innerhalb eines Motorblocks des ICE bereitgestellt. Die Luft/Kraftstoffgemische werden komprimiert und/oder gezündet und verbrannt, um über Kolben, die innerhalb der Zylinder liegen, ein Abtriebsdrehmoment bereitzustellen. Während sich die Kolben innerhalb der Zylinder bewegen können Reibung zwischen Kolben und Zylinder und das Vorhandensein von Kraftstoff die Zylinderoberflächen verschleißen und beeinträchtigen. Zusätzlich können der Verbrennungsdruck und die Seitenbelastung des Kolbens weitere beachtliche Spannungen auf die Zylinderbohrungen ausüben.
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Aluminium-Motorblöcke können Vorteile wie eine verbesserte Kraftstoffeinsparung aufgrund des geringeren Gewichts von Aluminiummotoren und eine bessere Motorleistung und -zuverlässigkeit aufgrund einer verringerten Bohrungsverzerrung und einer verbesserten Wärmeübertragung durch Aluminiumzylinderbohrungen bereitstellen. Aluminium-Bohrungsmotoren ermöglichen außerdem einen engeren Abstand zwischen Kolben und Zylinderbohrung, was zu einer Verringerung der Motorgeräusche und des Ölverbrauchs führt. Gussaluminium-Motorblöcke können jedoch eine geringe Verschleißfestigkeit gegen Hubkolben und zugehörige Komponenten aufweisen.
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KURZDARSTELLUNG
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Gemäß einem Aspekt einer exemplarischen Ausführungsform wird ein Verfahren zum Herstellen einer Motorblockanordnung bereitgestellt. Das Verfahren kann das Gießen eines Motorblocks um eine oder mehrere zylindrische Aluminium-Zylinderlaufbuchsen beinhalten, wobei jede Aluminium-Zylinderlaufbuchse eine zylindrische Innenfläche und eine Außenfläche aufweist, und die Außenfläche jeder der Aluminium-Zylinderlaufbuchsen an den Motorblock angrenzend ist und eine Zylinderbohrung definiert, und das Aufbringen einer eisenhaltigen Auskleidung auf die Innenfläche jeder der Aluminium-Zylinderlaufbuchsen durch thermisches Spritzen. Das Verfahren kann ferner das Flächenvorbereiten der Innenfläche jeder der Aluminium-Zylinderlaufbuchsen vor dem Aufbringen der eisenhaltigen Auskleidung auf eine Innenseite jeder der Aluminium-Zylinderlaufbuchsen beinhalten. Das Verfahren kann ferner nach dem Aufbringen einer eisenhaltigen Auskleidung auf eine Innenseite von jeder der Aluminium-Zylinderlaufbuchsen das Bearbeiten einer Innenfläche der eisenhaltigen Auskleidung beinhalten. Jede der Aluminium-Zylinderlaufbuchsen kann eine Aluminiumlegierung mit niedrigem Siliziumgehalt enthalten. Jede der Aluminium-Zylinderlaufbuchsen kann eine Aluminiumlegierung der 6000er-Serie des internationalen Legierungsbezeichnungssystems beinhalten. Jede der Aluminium-Zylinderlaufbuchsen kann eine Aluminiumlegierung des internationalen Aluminiumlegierungsbezeichnungssystems 6005, eine Aluminiumlegierung 6061 oder eine Aluminiumlegierung 6063 beinhalten. Jeder der Aluminium-Zylinderlaufbuchsen kann extrudiert werden. Der Motorblock kann eine Aluminiumlegierung mit hohem Siliziumgehalt beinhalten. Der Motorblock kann eine Aluminiumlegierung der Serie 4000 des internationalen Legierungsbezeichnungssystems oder eine Aluminiumlegierung des American National Standards Institute 300 beinhalten. Die eisenhaltige Auskleidung kann unter Verwendung von rotierenden Einzeldraht-, Doppeldrahtbogen-, atmosphärische Plasmaspritz- oder Hochgeschwindigkeits-Oxyfuelthermische Spritzverfahren aufgebracht werden.
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Gemäß einem Aspekt einer exemplarischen Ausführungsform wird eine Motorblockanordnung bereitgestellt. Die Motorblockanordnung kann einen Motorblock aus Aluminiumguss beinhalten, der eine oder mehrere Zylinderbohrungen aufweist, wobei jede der Zylinderbohrungen eine Bohrungsoberfläche definiert, eine oder mehrere Aluminium-Zylinderlaufbuchsen, die in der einen oder den mehreren Zylinderbohrungen angeordnet sind, sodass eine Außenfläche jeder Aluminium-Zylinderlaufbuchse angrenzend an eine Bohrungsoberfläche jeder Zylinderbohrung angeordnet ist, und eine eisenhaltige Auskleidung, die auf eine Innenfläche jeder der einen oder mehreren Aluminium-Zylinderlaufbuchsen durch thermisches Spritzen aufgebracht wird. Jeder der ein oder mehreren Aluminiumzylinder wird während des Gießens des Aluminiummotorblocks an Ort und Stelle gegossen. Jede der einen oder mehreren eisenhaltigen Auskleidungen kann eine Dicke von weniger als etwa 175 Mikrometer aufweisen. Jede der Aluminium-Zylinderlaufbuchsen kann eine Aluminiumlegierung mit niedrigem Siliziumgehalt enthalten. Jede der Aluminium-Zylinderlaufbuchsen kann eine Aluminiumlegierung der 6000er-Serie des internationalen Legierungsbezeichnungssystems beinhalten. Jede der Aluminium-Zylinderlaufbuchsen kann eine Aluminiumlegierung des internationalen Aluminiumlegierungsbezeichnungssystems 6005, eine Aluminiumlegierung 6061 oder eine Aluminiumlegierung 6063 beinhalten. Jede der einen oder mehreren Aluminium-Zylinderlaufbuchsen kann extrudiert werden. Der Motorblock kann eine Aluminiumlegierung mit hohem Siliziumgehalt beinhalten. Eine Innenfläche von jeder der einen oder mehreren eisenhaltigen Auskleidungen kann maschinell bearbeitet werden, nachdem sie auf eine Innenseite jeder der entsprechenden einen oder mehreren Aluminium-Zylinderlaufbuchsen aufgebracht wurde.
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Gemäß einem Aspekt einer exemplarischen Ausführungsform wird ein Verfahren zum Herstellen einer Motorblockanordnung bereitgestellt. Das Verfahren kann das Gießen eines Motorblocks um eine oder mehrere extrudierte zylindrische Aluminium-Zylinderlaufbuchsen beinhalten, wobei jede Aluminium-Zylinderlaufbuchse eine zylindrische Innenfläche und eine Außenfläche aufweist, und die Außenfläche jeder der Aluminium-Zylinderlaufbuchsen an den Motorblock angrenzend ist und eine Zylinderbohrung definiert, die anschließende Flächenvorbereitung der Innenfläche jeder der Aluminium-Zylinderlaufbuchsen, anschließendes Aufbringen einer eisenhaltigen Auskleidung auf die Innenfläche jeder der Aluminium-Zylinderlaufbuchsen durch thermisches Spritzen und nachfolgendes maschinelles Bearbeiten einer Innenfläche der eisenhaltigen Auskleidung. Jede der einen oder mehreren eisenhaltigen Auskleidungen kann eine Dicke von weniger als etwa 175 Mikrometer aufweisen.
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Weitere Zwecke, Vorteile und neuartige Merkmale der Ausführungsformbeispiele ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den beigefügten Zeichnungen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine Seitenansicht einer Motorblockanordnung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen;
- 2 veranschaulicht eine Querschnittsseitenansicht einer Motorblockanordnung in der Nähe einer Zylinderbohrung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen; und
- 3 veranschaulicht ein Verfahren zum Herstellen einer Motorblockanordnung gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind hierin beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgerecht; einige Merkmale können größer oder kleiner dargestellt sein, um die Einzelheiten bestimmter Komponenten zu veranschaulichen. Folglich sind die hierin offenbarten aufbau- und funktionsspezifischen Details nicht als einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um den Fachleuten die verschiedenen Arten und Weisen der Nutzung der vorliegenden Erfindung zu vermitteln. Wie der Fachleute verstehen, können verschiedene Merkmale, die mit Bezug auf beliebige der Figuren dargestellt und beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben sind. Die dargestellten Kombinationen von Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung übereinstimmen, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen und Implementierungen erwünscht sein.
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Unter jetziger Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Ansichten gleiche Elemente bezeichnen, veranschaulicht 1 eine Draufsicht auf eine Mehrzylinder-Motorblockanordnung 1. Die Motorblockanordnung 1 enthält einen gegossenen Motorblock 10 mit einer Vielzahl von zylindrischen Öffnungen, die Zylinderwände 12 bilden, die eine entsprechende Vielzahl von Zylinderbohrungen 13 definieren. Wie gezeigt, beinhaltet die Vielzahl von Zylinderbohrungen 13 vier der Zylinderbohrungen 13, die in Reihe angeordnet sind, jedoch sind unterschiedliche Anzahlen und Konfigurationen von Zylinderbohrungen innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung vorgesehen. Der Motorblock 10 umfasst Aluminium. Eine zylinderförmige Aluminium-Zylinderlaufbuchse 11 ist in jeder der Zylinderbohrungen 13 angeordnet. Eine Außenfläche der Aluminium-Zylinderlaufbuchse 11 grenzt an die Zylinderwand 12 der entsprechenden Zylinderbohrung 13 an. Die Aluminium-Zylinderlaufbuchse 11 ist insofern zylindrisch, als ihre Innenfläche 14 einen zylindrischen Hohlraum definiert, und obwohl die Außenfläche der Aluminium-Zylinderlaufbuchse 11 als im Allgemeinen zylindrisch dargestellt ist, sind andere Konfigurationen praktikabel und liegen innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung. Die Aluminium-Zylinderlaufbuchse 11 umfasst Aluminium. Weiter sind in 1 optionale Merkmale der Motorblockanordnung 1 veranschaulicht. Zum Beispiel können die äußeren Motorblockwände 16 umlaufend zu Außenflächen der Vielzahl der Zylinderwände 12 mit einem dazwischen ausgebildeten Kanal 20 ausgebildet sein. Der Kanal 20 kann einen leeren Bereich für einen Wassermantel bereitstellen, um zum Beispiel einen oberen Abschnitt der äußeren Umfangsflächen der Zylinderwände 12 zu umfassen. 2 veranschaulicht eine Querschnittsseitenansicht der Motorblockanordnung 1 nahe einer Zylinderbohrung 13. Die Motorblockanordnung 1 umfasst ferner eine eisenhaltige Auskleidung 15, wie zum Beispiel einen thermisch gespritzten Stahl, der auf die Innenfläche 14 der Aluminium-Zylinderlaufbuchse 11 aufgebracht ist. Die Eisenauskleidung 15 beinhaltet eine Außenfläche, die an die Innenfläche der Aluminium-Zylinderlaufbuchsen 11 angrenzt, und eine Innenfläche, die einen zylindrischen Hohlraum definiert.
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3 veranschaulicht ein Verfahren 100 zum Herstellen einer Motorblockanordnung 1. Das Verfahren 100 wird für Zwecke der Klarheit unter Bezugnahme auf die 1-2 beschrieben, jedoch soll das Verfahren 100 dadurch nicht eingeschränkt werden. Das Verfahren 100 umfasst das Gießen 110 eines Motorblocks 10 um eine oder mehrere Aluminium-Zylinderlaufbuchsen 11 und das Aufbringen 130 einer eisenhaltigen Auskleidung 15 auf die Innenfläche 14 jeder Aluminium-Zylinderlaufbuchse 11 durch thermisches Spritzen. Das Verfahren 100 kann optional die Flächenvorbereitung 120 der Innenfläche 14 einer oder mehrerer Aluminium-Zylinderlaufbuchsen 11 vor dem Aufbringen 130 der eisenhaltigen Auskleidung 15 darauf beinhalten. Das Vorbereiten 120 der Innenfläche 14 von einer oder mehreren Aluminium-Zylinderlaufbuchsen 11 kann in einigen Ausführungsformen nach dem Gießen 110 des Motorblocks 10 um die eine oder mehreren Aluminium-Zylinderlaufbuchsen 11 erfolgen. Die Flächenvorbereitung 120 der Innenfläche 14 von einer oder mehreren Aluminium-Zylinderlaufbuchsen 11 kann das Aufrauen der Innenfläche 14 der einen oder mehreren Aluminium-Zylinderlaufbuchsen 11 beinhalten oder auf andere Weise unregelmäßige Strukturen wie Rippen oder Schwalbenschwänze erzeugen, um die Haftung des eisenhaltigen Auskleidung 15 daran zu verbessern. Das Verfahren 100 kann optional ferner nach dem Aufbringen 130 der eisenhaltigen Auskleidung 15 auf die Innenfläche 14 von einer oder mehreren Aluminium-Zylinderlaufbuchsen 11 das maschinelle Bearbeiten 140 der Innenfläche der eisenhaltigen Auskleidung 15 beinhalten. Die Innenfläche der eisenhaltigen Auskleidung 15 kann nach den gewünschten Spezifikationen bearbeitet werden, um beispielsweise die Hin- und Herbewegung eines Kolbens in der Zylinderbohrung 13 aufzunehmen.
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Der Motorblock
10 umfasst ein Aluminiumgussmaterial, wie beispielsweise reines Aluminium oder eine Aluminiumlegierung. Wie hierin verwendet, wird angenommen, dass ein „reines“ Material geringe Mengen an Verunreinigungen enthält, wie sie von der Industrie toleriert werden. Im Allgemeinen enthalten Aluminiumlegierungen unter anderem eines oder mehrere von Silizium, Magnesium, Mangan, Eisen und Kupfer. Die bestimmte Aluminiumlegierungszusammensetzung kann von dem Herstellungsverfahren des Motorblocks
10 abhängen. Der Motorblock
10 kann mit Sandguss oder Druckguss hergestellt sein. Das Sandgießen beinhaltet im Allgemeinen das Erzeugen eines Hohlraums in der Form eines gewünschten Gegenstandes in einem Sandkörper. Der Hohlraum wird anschließend mit geschmolzenem flüssigem Metall gefüllt, das abkühlen und erstarren kann. Das Gießen beinhaltet im Allgemeinen das Einpressen von geschmolzenem Metall in eine Pressform. Gegossene Aluminium-Motorblöcke
10 können einen hohen Siliziumgehalt aufweisen, wie etwa 5 % Silizium bis etwa 25 % Silizium. Geeignete Aluminiumlegierungen werden in der gemeinsamen
US-Patent-Nr.: 6,921,512 erörtert, deren Offenbarung hierin in ihrer Gesamtheit aufgenommen wird. Aluminiumlegierungen mit hohem Siliziumgehalt können beispielsweise eine Aluminiumlegierung des internationalen Legierungsbestimmungssystems (International Alloy Designation Systems, IADS) 4000 und eine Aluminiumlegierung des American National Standards Institute (ANSI)
300 beinhalten. In einem Beispiel können geeignete Legierungen mit hohem Siliziumgehalt IADS
4032- und 4047-Legierungen beinhalten. Ein Beispiel einer zum Sandgießen geeigneten Legierung mit hohem Siliziumgehalt ist die Legierung ANSI
319. Ein Beispiel einer zum Gießen geeigneten Hochsiliziumlegierung ist die ANSI 380-Legierung.
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Die Aluminium-Zylinderlaufbuchsen 11 umfassen ein extrudiertes Aluminiummaterial, beispielsweise eine Aluminiumlegierung. Im Allgemeinen enthalten Aluminiumlegierungen unter anderem eines oder mehrere von Silizium, Magnesium, Mangan, Eisen und Kupfer. Extrudierte Aluminium-Zylinderlaufbuchsen 11 können einen niedrigeren Siliziumgehalt als die Aluminiumlegierungen des Motorblocks 10 umfassen, beispielsweise weniger als etwa 2 %. Zum Beispiel können extrudierte Aluminium-Zylinderlaufbuchsen 11 etwa 0,01% bis etwa 2% Silizium umfassen. Extrudierte Aluminium-Zylinderlaufbuchsen 11 verwenden Aluminiummaterialien, die eine hohe Festigkeit und Steifigkeit aufweisen. Zu geeigneten Aluminiumlegierungen gehören beispielsweise Aluminiumlegierungen der IADS 6000-Serie. In einem Beispiel können geeignete Legierungen mit hohem Siliziumgehalt die Legierungen IADS 6005, 6061 und 6063 beinhalten. Die Aluminiumlegierungen, die zur Herstellung der einen oder mehreren Aluminium-Zylinderlaufbuchsen verwendet werden, sind relativ stärker als die Aluminiumlegierungen, die zur Herstellung des Motorblocks 10 verwendet werden. Dementsprechend versteifen die eine oder die mehreren Aluminium-Zylinderlaufbuchsen 11 und verbessern allgemein die mechanischen Eigenschaften des Motorblocks 10. Das starke und steife Material der Aluminium-Zylinderlaufbuchse 11 verringert die Bohrungsverzerrung, den Ölverbrauch und das Durchbrennen der Motorblockanordnung 1. Darüber hinaus verringern die oben beschriebenen Materialien die Bohrungsbrückenrezession. Aufgrund ihrer Aluminiumlegierungszusammensetzungen zeigen der Motorblock 10 und die Aluminium-Zylinderlaufbuchse 11 ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten, wodurch beispielsweise die Bohrungsverzerrung minimiert wird. Das Gießen 110 kann ein Positionieren der einen oder mehreren Aluminium-Zylinderlaufbuchsen 11 in einer Gießform vor dem Einbringen der geschmolzenen Aluminiumlegierung, die den Motorblock 10 bilden wird, beinhalten.
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Jede der einen oder mehreren eisenhaltigen Auskleidungen 15 kann eine Stahllegierung umfassen. Geeignete Stahllegierungszusammensetzungen können unter anderem einen niedrigen bis mittleren Kohlenstoff und gegebenenfalls Magnesium, Chrom und Molybdän enthalten. Die Stahllegierung muss für das Abscheidungsverfahren geeignet sein, das verwendet wird, um die eine oder die mehreren eisenhaltigen Auskleidungen 15 aufzubringen 130. Die eine oder die mehreren eisenhaltigen Auskleidungen 15 können unter Verwendung verschiedener thermischer Sprühverfahren 130 aufgebracht werden, einschließlich unter anderem rotierendem Einzeldraht (RSW), Doppelsieblichtbogen (TWA), atmosphärischem Plasmaspray (APS) und Hochgeschwindigkeits-Oxyfuel (HVOF). Die eine oder die mehreren eisenhaltigen Auskleidungen 15 werden optional bearbeitet 140, um eine gewünschte innere Kontur und Wandstärke zu erhalten. In einigen Ausführungsformen sind die eine oder die mehreren eisenhaltigen Auskleidungen 15 dünn und weisen Dicken von bis zu etwa 200 Mikron oder bis zu etwa 175 Mikron auf. In einigen Ausführungsformen umfassen die eine oder die mehreren eisenhaltigen Auskleidungen 15 Dicken von etwa 100 Mikrometer bis etwa 200 Mikrometer. In einer spezifischen Ausführungsform umfassen die eine oder die mehreren eisenhaltigen Auskleidungen 15 Dicken von etwa 150 Mikrometern. Die dünnen eisenhaltigen Auskleidungen 15 weisen aufgrund ihrer physikalischen Abmessungen eine geringe Wärmeausdehnung auf und zeigen unter extremen Betriebsbedingungen eine hohe Haftung an ihren jeweiligen Aluminium-Zylinderlaufbuchsen 11. Die eine oder die mehreren eisenhaltigen Auskleidungen 15 stellen ferner eine verbesserte Verschleißbeständigkeit relativ zu der Aluminium-Zylinderlaufbuchse 11 bereit, beispielsweise gegen eine Hin- und Herbewegung der Kolben.
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Das Verfahren 100 ermöglicht vorteilhafterweise, dass vorher existierender Formen oder Werkzeuge verwendet werden, um neue und/oder verschiedene Motorblockanordnungen 1 zu gießen. Zum Beispiel kann eine existierende Form oder ein Werkzeug, die/das zum Gießen eines trägerlosen Aluminiummotorblocks oder eines Aluminiumblocks mit einer thermisch gespritzten eisenhaltigen Auskleidung ausgelegt ist, für die Implementierung des Verfahrens 100 verwendet werden, wodurch das Erfordernis einer teuren und zeitaufwendigen Konstruktion und Umrüstung neuer Werkzeuge oder Formen entfällt. Formen und Werkzeuge müssen sorgfältig entworfen werden, um die physikalischen Eigenschaften eines gegossenen Teils (z. B. eines Motorblocks), wie zum Beispiel Porosität, zu kontrollieren. Das Verfahren 100 unterstützt jedoch sowohl das Steuern (d. h. Minimieren) der Porosität eines Blocks während des Gießens als auch das Aufnehmen von Motorblöcken 10 mit höherer Porosität aufgrund der verbesserten mechanischen Eigenschaften (z. B. Festigkeit, Steifheit) der extrudierten Aluminium-Zylinderlaufbuchsen 11. Ferner müssen die Gießbedingungen des Motorblocks 1 nicht optimiert werden, um Zylinderbohrungsflächeneigenschaften bereitzustellen, die die Anwendung einer thermisch gespritzten eisenhaltigen Auskleidung darauf ermöglichen, da die erforderlichen Flächeneigenschaften nur an der/den Innenfläche(en) 14 der einen oder mehreren Aluminium-Zylinderlaufbuchsen 11 erreicht werden müssen.
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Während oben exemplarische Ausführungsformen beschrieben wurden, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen beschreiben, die von den Ansprüchen umfasst sind. Vielmehr dienen die in der Spezifikation verwendeten Worte der Beschreibung und nicht der Beschränkung und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die nicht explizit beschrieben oder veranschaulicht werden. Während verschiedene Ausführungsformen beschrieben worden sein könnten, um Vorteile zu bieten oder gegenüber anderen Ausführungsformen oder Implementierungen des Standes der Technik in Bezug auf eine oder mehrere gewünschte Merkmale bevorzugt zu sein, werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass ein oder mehrere oder Eigenschaften beeinträchtigt werden können, um gewünschte Gesamtsystemattribute zu erreichen, die von der spezifischen Anwendung und Implementierung abhängen. Diese Attribute können Kosten, Festigkeit, Haltbarkeit, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Aussehen, Verpackung, Größe, Gebrauchstauglichkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Leichtigkeit der Montage usw. beinhalten, sind aber nicht darauf beschränkt. Daher sind Ausführungsformen, die nach dem Stand der Technik, in Bezug auf eine oder mehrere Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Implementierungen beschrieben sind, nicht außerhalb des Schutzumfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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