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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Düse sowie ein Verfahren zum additiven Ausbilden eines Abschnitts. Darüber hinaus wird eine Bearbeitungsmaschine bereitgestellt. Mittels der Düse oder des Verfahrens können Bauteile erstellt oder Werkstücke durch Materialauftrag ergänzt/erweitert werden. Bei derartigen Bauteilen oder Werkstücken kann es sich rein beispielhaft um Möbelteile oder Elemente für die Möbel- und Bauelementeindustrie handeln.
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Stand der Technik
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Im Stand der Technik sind bereits verschiedene additive Verfahren bekannt, mit denen ein schichtweiser Auftrag eines Materials ermöglicht wird.
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In der
DE 10 2014 224 176 A1 wird beispielsweise eine Vorrichtung zur Ausbildung von Volumenkörpern durch additiven Materialauftrag beschrieben. Insbesondere weist die Vorrichtung einen Träger, auf dem der Volumenköper ausgebildet wird, eine Auftragungseinheit, zum Aufbau des Volumenkörpers auf dem Träger durch additiven Auftrag von Material, und einen Werkzeugträger mit einer Werkzeugaufnahme auf, in der die Auftragungseinheit aufgenommen ist. Der Werkzeugträger ist dabei derart ausgestaltet, dass die in der Werkzeugaufnahme aufgenommene Auftragungseinheit durch Verfahren der Werkzeugaufnahme bezogen auf den Träger in fünf Richtungen ausgerichtet werden kann. Zwischen einem Extruder und der Düse der Auftragungseinheit kann dabei ein flexibler Schlauch angeordnet sein, durch den das Material vom Extruder zugeführt wird.
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Der schichtweise Aufbau eines Bauteils hat jedoch verfahrensbedingt zur Folge, dass die Qualität, und insbesondere die Festigkeit, des Bauteils von der Güte des Verbindungsbereichs zwischen den einzelnen Schichten abhängt.
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Gegenstand der Erfindung
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Die Erfindung zielt darauf ab, eine Düse bereitzustellen, mit der die Qualität des hergestellten Abschnitts verbessert werden kann. Ferner wird ein Verfahren mit einer entsprechenden Zielrichtung gefordert.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass ein mit der Düse hergestelltes Bauteil oder ein an einem Werkstück ausgebildeter Bereich eine höhere Festigkeit aufweist, da die Güte der Verbindung zwischen zwei Schichten verbessert werden kann. Insbesondere können die einzelnen Schichten während des Herstellungsverfahrens besser miteinander verbunden werden, sodass das hergestellte Produkt eine höhere Festigkeit aufweist. Ferner ist es möglich, auskragende Abschnitte oder Überhänge herzustellen, die ebenfalls eine vergleichsweise hohe Festigkeit aufweisen. Somit wird auch das Einsatzspektrum einer für ein additives Verfahren geeigneten Düse erweitert.
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Die Erfindung stellt eine Düse zum Ausbringen eines Materials zum additiven Ausbilden eines Abschnitts bereit. Die Düse weist auf: einen Förderkanal und einen ersten Öffnungsabschnitt zum Ausgeben eines im Förderkanal geförderten Materials, wobei im Bereich des ersten Öffnungsabschnitts ein Formgebungsabschnitt, insbesondere ein Vorsprung, vorgesehen ist.
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Durch den Formgebungsabschnitt ist es möglich, das aus der Düse ausgebrachte Material zumindest abschnittsweise mit einer bestimmten Form zu versehen. Da die Düse zum additiven Ausbilden eines Abschnitts vorgesehen ist, kann insbesondere eine Form ausgebildet werden, um einzelne Schichten besser miteinander in Eingriff zu bringen. Der Formgebungsabschnitt kann eingerichtet sein, eine Aussparung in das ausgebrachte Material einzubringen.
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Dabei kann es gemäß einer Ausführungsform vorgesehen sein, dass der Vorsprung derart ausgebildet ist, dass die Aussparung, im Querschnitt betrachtet, eine Hinterschneidung aufweist.
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Der Formgebungsabschnitt kann derart an der Düse vorgesehen sein, dass der Formgebungsabschnitt im Betrieb der Düse an einem in vertikaler Richtung oberen Bereich des Öffnungsabschnitts vorgesehen ist. Diese Ausgestaltung ist vorteilhaft, wenn eine Schicht auf eine andere Schicht aufgetragen wird, so dass ein Abschnitt in vertikaler Richtung aufgebaut wird. Allerdings ist es auch möglich, die Düse zu kippen, so dass bei einer solchen Anordnung der Formgebungsabschnitt entsprechend mit geschwenkt wird.
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Es ist bevorzugt, dass der Formgebungsabschnitt, insbesondere der Vorsprung, im Förderkanal vorgesehen ist. Somit wird der Förderkanal im Bereich des Formgebungsabschnitts ggf. verjüngt oder die Form des Förderkanals geändert.
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Der Formgebungsabschnitt kann im Querschnitt eine Form eines Teilkreises, einer teilweise rechteckigen Gestalt, einer teilweise ovalen Gestalt oder eines Schwalbenschanz-Profils aufweisen. Gemäß einer weiter bevorzugten Variante kann es vorgesehen sein, dass der Mittelpunkt des Teilkreises eines solchen Teilkreises im Querschnitt betrachtet innerhalb einer Kontur des Öffnungsabschnitts liegt.
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Es ist bevorzugt, dass der Öffnungsabschnitt, abgesehen des Formgebungsabschnitts, kreisförmig, rechteckig oder oval ausgebildet ist. Somit kann ein vorteilhafter schichtweiser Aufbau sichergestellt werden.
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Die Düse kann gemäß einer weiteren Ausführungsform mindestens einen zweiten Öffnungsabschnitt aufweisen, der eingerichtet ist, ein Füllmaterial in einem zum ersten Öffnungsabschnitt beabstandeten Bereich auszubringen. Beispielsweise kann das Füllmaterial genutzt werden, um eine Verbindung zwischen einzelnen Schichten zu verbessern, so dass auf diese Weise die Qualität des derart erstellten Abschnitts gesteigert wird.
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Bei dem aus dem zweiten Öffnungsabschnitt ausgebrachten Füllmaterial kann es sich um das gleiche Material handeln wie das aus dem ersten Öffnungsabschnitt ausgebrachte Material. In diesem Fall steht der zweite Öffnungsabschnitt fluidmäßig mit dem Förderkanal in Verbindung. Alternativ steht der zweite Öffnungsabschnitt fluidmäßig mit einem weiteren Förderkanal in Verbindung, so dass beispielsweise ein Füllmaterial ausgebracht werden kann, das sich hinsichtlich bestimmter Materialeigenschaften von demjenigen des aus dem ersten Öffnungsabschnitt ausgebrachten Materials unterscheidet.
In einer Ausführungsform ist es vorgesehen, dass der zweite Öffnungsabschnitt derart an der Düse vorgesehen ist, dass der zweite Öffnungsabschnitt im Betrieb der Düse an einem in vertikaler Richtung nach unten weisenden Bereich der Düse ausgebildet ist. Beim Betrieb der Düse wird durch diese ein Abschnitt schichtweise erstellt. Allerdings ist es auch möglich, die Düse zu kippen.
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Es ist bevorzugt, dass der Förderkanal in einem Rohrelement ausgebildet ist. Dabei ist es ferner bevorzugt, dass am Rohrelement ein Krümmungsabschnitt vorgesehen ist, wobei weiter bevorzugt ist, dass der Krümmungsabschnitt im Wesentlichen 90° gebogen ist. Somit kann das durch den ersten Öffnungsabschnitt (und ggf. zweiten Öffnungsabschnitt) auszubringende Material in vorteilhafter Weise zugeführt und an der entsprechenden Stelle zielgerichtet ausgebracht werden.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Bearbeitungsmaschine mit einer Bewegungseinheit, an der eine Düse gemäß einem der vorangegangenen Aspekte und ein Fördermechanismus zum Zuführen eines Materials zur Düse vorgesehen sind. Somit kann die Bearbeitungsgeschwindigkeit deutlich gesteigert werden. Die Bewegungseinheit ist beispielsweise ein Roboterarm oder ein Mehrachskopf, die eine hohe Flexibilität ermöglichen.
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Darüber hinaus wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum additiven Ausbilden eines Abschnitts bereitgestellt. Im Rahmen des Verfahrens kommt eine Düse mit einem ersten Öffnungsabschnitt zum Ausgeben eines Materials zum Einsatz, insbesondere eine Düse gemäß einem der vorangegangenen Aspekte. Auch kann die zuvor genannte Bearbeitungsmaschine zum Einsatz kommen.
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Das Verfahren umfasst die Schritte: Ausbilden einer ersten Schicht, wobei die erste Schicht eine sich entlang der ersten Schicht erstreckende, erste Aussparung aufweist, und Ausbilden einer zweiten Schicht, wobei vor oder während des Aufbringens der zweiten Schicht auf die erste Schicht die erste Aussparung zumindest teilweise mit einem Füllmaterial gefüllt wird. Auf diese Weise ist es möglich, die Verbindung der zweiten Schicht zur ersten Schicht zu verbessern und somit die Qualität des erstellten Abschnitts zu steigern.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Füllmaterial das gleiche Material ist wie ein Material zum Ausbilden der zweiten Schicht, so dass ein kostengünstiges Verfahren bereitgestellt wird. Alternativ ist es vorgesehen, dass sich das Füllmaterial vom Material der zweiten Schicht unterscheidet. In diesem Fall können dem Füllmaterial bestimmte Eigenschaften zugewiesen werden, die dazu beitragen, die Verbindung der zweiten Schicht zur ersten Schicht weiter zu verbessern.
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Das Füllmaterial kann beim Aufbringen der zweiten Schicht in einem nicht ausgehärteten Zustand vorliegen, so dass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Füllmaterial und zweiter Schicht bereitgestellt wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist es vorgesehen, dass das Füllmaterial und das Material zum Ausbilden der zweiten Schicht in einem Arbeitsgang durch die Düse ausgebracht werden. Dies erhöht die Arbeitsgeschwindigkeit deutlich. Es ist bevorzugt, dass sich die Temperaturen des Füllmaterials und des Materials zum Ausbilden der zweiten Schicht beim Austritt aus der Düse unterscheiden.
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An der zweiten Schicht kann eine sich in Richtung der zweiten Schicht erstreckende Aussparung ausgebildet werden, so dass an der zweiten Schicht in ähnlicher Weise eine dritte Schicht aufgebracht werden kann.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine Darstellung einer Ausführungsform einer Düse gemäß der Erfindung.
- 2 ist eine schematische Querschnittsansicht eines mit der Düse gemäß 1 hergestellten Bauteils.
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Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Anhand der Figuren wird eine Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Obwohl die nachfolgend beschriebene Ausgestaltung rein beispielhaft, und nicht einschränkend, ist, können Einzelmerkmale oder eine Merkmalskombination auch zur Charakterisierung der Erfindung herangezogen werden. In diesem Zusammenhang können auch Modifikationen bestimmter Einzelmerkmale jeweils mit anderen Merkmalen der Ausführungsform kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung auszubilden.
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In 1 wird eine Ausführungsform einer Düse 10 dargestellt, die beispielsweise ein von einem Extruder bereitgestelltes Material aufnehmen und ausbringen kann. Die Düse 10 und/oder der Extruder können an einer (nicht dargestellten) Bewegungseinheit, wie einem Roboterarm, einem 4-Achskopf, einem 5-Achskopf, einem 6-Achskopf oder einem anderen Mechanismus zur Bewegung der Düse und/oder des Extruders angebracht sein. Gemäß eines Beispiels wird die Düse 10 mit einem Extruder in einer CNC-Maschine eingesetzt.
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Die Düse 10 umfasst ein Rohrelement 15, in dessen Innerem ein Förderkanal 11 ausgebildet ist. Das Rohrelement 15 ist in einem Krümmungsabschnitt 15a derart gekrümmt, dass das Rohrelement 15 und somit der Förderkanal 11 um im Wesentlichen 90° gebogen ist. Gemäß weiteren Modifikationen der Düse 10 sind jedoch auch andere Krümmungsradien denkbar.
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Das Rohrelement 15 weist einen ersten Öffnungsabschnitt 12 auf, der an einer Stirnseite des Rohrelements 15 vorgesehen ist. Der Förderkanal 11 endet dabei im Bereich des ersten Öffnungsabschnitts 12. Innerhalb des Förderkanals 11 ist im Bereich des ersten Öffnungsabschnitts 12 als ein Formgebungsabschnitt ein Vorsprung 13 vorgesehen, der den Förderkanal 11 im Bereich des ersten Öffnungsabschnitts 12 verjüngt. Wird ein durch den Förderkanal 11 gefördertes pastöses Material aus dem ersten Öffnungsabschnitt 12 ausgebracht, so weist dieses aus der Düse ausgebrachte Material eine durch den Vorsprung 13 definierte Form auf. Insbesondere wird in der ausgebrachten Schicht eine sich in Richtung der Schicht erstreckende Aussparung ausgebildet, die beispielsweise wie in der vorliegenden Ausführungsform im Querschnitt eine teilkreisförmige Form aufweist.
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Es ist bevorzugt, dass die Aussparung, im Querschnitt betrachtet, eine Hinterschneidung ausbildet, so dass bei nachträglichem Einbringen eines pastösen Materials in die Aussparung eine Ankopplung an die Schicht zumindest formschlüssig, bevorzugt aus einer Kombination aus Kraft-, Stoff- und/oder Formschluss, erfolgt.
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Das Rohrelement 15 weist einen zweiten Öffnungsabschnitt 14 auf, der im Bereich der Wandung des Rohrelements 15 vorgesehen ist. Bei Einsatz der Düse 10 weist der zweite Öffnungsabschnitt 14 zu einer in vertikaler Richtung unteren Seite der Düse 10. Alternativ oder zusätzlich zur Anordnung des zweiten Öffnungsabschnitts 14 an einer in vertikaler Richtung unteren Seite der Düse 10 kann auch ein Öffnungsabschnitt an einem seitlichen Abschnitt der Düse (Öffnungsrichtung zumindest teilweise in horizontaler Richtung) vorgesehen sein. Auch können mehrere zweite Öffnungsabschnitte 14 vorgesehen sein.
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In der hier beschriebenen Ausführungsform steht der zweite Öffnungsabschnitt 14 fluidmäßig in Verbindung mit dem Förderkanal 11. Dies führt dazu, dass beim Ausbringen eines pastösen Materials aus der Düse 10 dieses Material sowohl durch den ersten Öffnungsabschnitt 13 als auch den zweiten Öffnungsabschnitt 14 gelangt.
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Der zweite Öffnungsabschnitt ist derart dimensioniert, dass die durch den zweiten Öffnungsabschnitt 14 ausgebrachte Menge des pastösen Materials im Wesentlichen derjenigen Menge entspricht, um die der Austrag des Materials durch den ersten Öffnungsabschnitt 12 aufgrund des Vorsprungs 13 verringert wird. Dies führt dazu, dass das durch den zweiten Öffnungsabschnitt 14 ausgebrachte Material als Füllmaterial für eine Aussparung einer bereits aufgetragenen Schicht dient.
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Im Betrieb der Düse 10 wird die Düse 10 derart geführt, dass der erste Öffnungsabschnitt entgegen der Bewegungsrichtung weist, wohingegen der zweite Öffnungsabschnitt in vertikaler Richtung zumindest teilweise nach unten weist. Der zweite Öffnungsabschnitt 14 bringt dabei in Bewegungsrichtung betrachtet zuerst das Material aus, und nachfolgend kommt das durch den ersten Öffnungsabschnitt 12 ausgebrachte Material mit dem durch den zweiten Öffnungsabschnitt 14 ausgebrachte Material in Kontakt.
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Somit wird beim Herstellen einer zweiten Schicht S2 auf einer ersten Schicht S1 zunächst eine sich entlang der Schicht S1 erstreckende Aussparung S1-1 zumindest teilweise gefüllt, und nachfolgend anhand des durch den ersten Öffnungsabschnitt 12 ausgebrachten Materials die zweite Schicht S2 ausgebildet. Die zweite Schicht S2 wiederum weist eine zweite Aussparung S2-2 auf, die in vertikaler Richtung an einem oberen Abschnitt der zweiten Schicht S2 vorgesehen ist.
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Nachfolgend wird eine dritte Schicht S3 an der zweiten Schicht S2 ausgebildet, wobei wiederum vor dem Aufbringen der dritten Schicht S3 an der sich in der zweiten Schicht S2 erstreckenden Aussparung S2-2 ein Füllmaterial S3-1 eingebracht wird. Nachfolgend wird die dritte Schicht S3 ausgebildet und kommt dabei mit dem Füllmaterial in Kontakt.
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Auf diese Weise kann eine hochwertige Verbindung zwischen zwei Schichten erzeugt werden, da durch das Füllmaterial in der Aussparung eine schwalbenschwanzartige Verbindung ausgebildet wird. Darüber hinaus ist es von Vorteil, dass die aufzubringende Schicht mit dem bereits in einer Aussparung der vorangegangenen Schicht eingebrachten Material in Kontakt kommt, das in einem noch nicht ausgehärteten Zustand vorliegt.
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Gemäß einer Modifikation der beschriebenen Ausführungsform ist es vorgesehen, dass durch den zweiten Öffnungsabschnitt 14 ein anderes Material ausgebracht wird, als durch den ersten Öffnungsabschnitt 12. Somit weist die Düse gemäß dieser Modifikation zwei Förderkanäle auf. Das durch den zweiten Öffnungsabschnitt ausgebrachte Material kann die gleichen Materialeigenschaften aufweisen, wie das durch den ersten Öffnungsabschnitt 12 ausgebrachte Material. Allerdings ist es bevorzugt, dass das durch den zweiten Öffnungsabschnitt 14 ausgebrachte Material andere Materialeigenschaften aufweist, als das durch den ersten Öffnungsabschnitt 12 ausgebrachte Material.
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Gemäß einer weiteren Modifikation ist im Bereich des zweiten Öffnungsabschnitts 14 eine zusätzliche Heizeinrichtung oder Heißluftquelle vorgesehen, so dass das vom zweiten Öffnungsabschnitt 14 ausgebrachte Material („Füllmaterial“) mit einer höheren Temperatur ausgebracht wird, als das vom ersten Öffnungsabschnitt 12 ausgebrachte Material.
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Gemäß einer Modifikation können anstelle eines Vorsprungs 13 als Formgebungsabschnitte mehrere Vorsprünge vorgesehen sein, um das aus der Düse austretende Material entsprechend zu formen.
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Gemäß einer weiteren Modifikation der Ausführungsform ist der Vorsprung 13 aus dem Bereich des Öffnungsabschnitts 12 entfernbar, beispielsweise wegklappbar. Somit ist es möglich, eine Schicht ohne Aussparung herzustellen.
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Ferner kann der Vorsprung 13 nach dem Entfernen durch einen anderen Vorsprung oder Formungsabschnitt ersetzt werden, so dass die Flexibilität in der Fertigung weiter gesteigert werden kann.
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Obwohl im Ausführungsbeispiel sowie in einer Modifikation ein bzw. zwei Förderkanäle beschriebenen werden, kann die Düse mehr als zwei Förderkanäle aufweisen. Auf diese Weise können weitere Komponenten zugeführt werden.
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Im Rahmen der Ausführungsform wird mit der Düse 10 eine pastöse Masse gefördert. Alternativ kann es sich auch um ein Material handeln, das vor, während oder nach dem Austritt durch den Öffnungsabschnitt aufgeschäumt ist oder wird, oder seine Dichte verändert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014224176 A1 [0003]
