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Die Erfindung betrifft eine Werkzeugvorrichtung für die Herstellung von Kunststoffbauteilen mit elektrisch leitfähigen Additiven sowie ein Verfahren zur Herstellung von Kunststoffbauteilen mittels dieser Werkzeugvorrichtung.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits Verfahren sowie Vorrichtungen bekannt, um bei der Herstellung von Kunststoffbauteilen magnetische Bestandteile des Ausgangsmaterials mittels Magnetkraft im Herstellungsprozess zu beeinflussen.
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So offenbart die
DE 10 2015 114 179 ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils mit definierter Faserausrichtung. Dabei wird ein Kunststoff-Faser-Gemisch mit Hilfe von Wärme und Druck in eine Kavität eines Formwerkzeugs eingebracht. In dem Formwerkzeug befinden sich Spulen, welche das eingebrachte Gemisch mit einem Magnetfeld beaufschlagen können. Gleichzeitig wird erwähnt, dass die Spulen für die induktive Erwärmung des Formwerkzeuges verwendet werden. Die Spulen sind dafür unmittelbar in dem induktiv erwärmbaren Material des Werkzeugs vorgesehen. Ziel des Verfahrens ist es, die Armierungsfasern in dem Kunststoff-Faser-Gemisch nahezu parallel auszurichten, um somit letztendlich ein faserverstärktes Bauteil hervorzubringen. Die Feldlinien der Spulen verlaufen dabei größtenteils parallel zu der Kavität. Für das gewünschte Resultat sind solche kleinen Ungenauigkeiten nicht ausschlaggebend und somit werden auch für eine diesbezügliche Verbesserung keine weiteren technischen Ansätze offenbart.
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In
EP 1 648 680 wird ein Verfahren zum Ausbilden eines Formteils mittels Mehrfachspritzguss offenbart. Dabei weisen die verschiedenen zu verarbeitenden Materialien magnetische Partikel auf, welche im Verlauf des Verfahrens mittels mehrerer Magnetfelder auszurichten sind, um letztendlich einen gewünschten visuellen Effekt in dem herzustellenden Formteil zu erhalten. Auch hier sind die Magneten unmittelbar in dem Material des Formwerkzeugs platziert. Die Wirkung des mittels der Magneten angelegten Magnetfeldes übt dabei unterschiedliche Effekte auf die Partikel aus. Zum einen soll aufgrund des Magnetfeldes ein gewisser Transport der Partikel innerhalb des noch nicht ausgehärtetem Formteils bewirkt werden. Zum anderen sollen die Partikel dabei auch innerhalb des Materials re-orientiert werden, um einen einheitlichen visuellen Effekt des Formteils zu bewirken. Schlussendlich soll zumindest ein Teil des Formteils ein 2D- beziehungsweise 3D- strukturiertes Abbild hervorbringen.
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Die
DE 10 2014 118 086 offenbart ein Verfahren zur Vorbehandlung von Fasern, ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffteils sowie ein faserverstärktes Kunststoffteil sowie eine Schlichte zum Vorbehandeln von Fasern für einen faserverstärkten Kunststoff. Auch hier sind magnetische Partikel auf verschiedene Weise in dem Kunststoff vorhanden, welche während des Herstellungsprozesses beeinflusst werden, um eine Orientierung von Fasern in einer Faser-Polymermatrix-Masse zu erreichen. Dabei steht die auf diese Weise erhaltene Verstärkung des Bauteils im Vordergrund. Die Ausrichtung geschieht dabei aufgrund einer zuvor vollzogenen Magnetisierung des Formwerkzeugs. Alternativ kann auch eine Magnetfelderzeugungsvorrichtung vorgesehen sein, welche ein Magnetfeld mit dem gleichen Effekt im Formwerkzeug erzeugt. Die genaue Verortung der Magnetfelderzeugungsvorrichtung wird dabei nicht offenbart. Aus den Figuren ist lediglich zu erkennen, dass das Formwerkzeug im weitesten Sinne von einem Magnetfeld überlagert ist.
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Für die zuvor genannten Zwecke in den vorgestellten Dokumenten des Stands der Technik wurde aufgezeigt, inwiefern eine grobe Wechselwirkung zwischen angelegtem Magnetfeld und magnetischen Partikeln in einem Ausgangsmaterial für ein Kunststoffbauteil zu gewünschten Effekten führen kann. Für die Zukunft, insbesondere wenn derartige Partikel noch weiterführende Aufgaben erfüllen sollen, wie beispielsweise eine elektrische Leitfunktion aufweisen sollen, ist eine noch genauere, feinere Beeinflussung während des Herstellungsvorgangs wünschenswert.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Werkzeugvorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem es möglich ist, kostengünstig eine gezielte und sehr präzise Ausrichtung von elektrisch leitfähigen Additiven in einem Kunststoffbauteil hervorzubringen.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist eine Werkzeugvorrichtung für die Herstellung von Kunststoffbauteilen mit elektrisch leitfähigen Additiven vorgesehen. Diese Werkzeugvorrichtung umfasst einen Werkzeugkörper mit wenigstens einem Angusskanal, wenigstens ein Kunststoffeinsatzelement, wenigstens eine Kavität, welche mit dem wenigstens einem Angusskanal verbunden ist, und wenigstens ein Magnetelement, welches ausgelegt ist, ein Magnetfeld zumindest teilweise in der Kavität bereitzustellen. Dabei ist ferner vorgesehen, dass das wenigstens eine Kunststoffeinsatzelement zwischen Werkzeugkörper und der wenigstens einen Kavität angeordnet ist und dass das wenigstens eine Kunststoffeinsatzelement das wenigstens eine Magnetelement vollständig umschließt. Auf diese Weise ist es möglich, unmittelbar ein Magnetfeld innerhalb der Kavität bereitzustellen, so dass ein in dieser Kavität zu fertigendes Kunststoffbauteil mit elektrisch leitfähigen Additiven sehr präzise mittels des Magnetfeldes, welches von dem Magnetelement bereitgestellt wird, beeinflusst werden kann. Insbesondere ist es somit möglich, eine anisotrope Ausrichtung der elektrisch leitfähigen Zusätze beziehungsweise Additive in dem Kunststoffbauteil beziehungsweise in der Polymermatrix dieses Bauteils mit den entsprechenden Additiven zu erzielen. Somit ist also eine werkstofftechnische Umsetzung mit einem extrinsisch leitfähigen Kunststoff möglich, wobei eine erforderliche von außen herbeigeführte Ausrichtung der leitfähigen Komponenten in der Kunststoff-Matrix durchführbar ist. Mit Hilfe der vorgestellten Werkzeugvorrichtung beziehungsweise dem vorgestellten Werkzeugkonzept kann ein Fertigungsverfahren vollzogen werden, welches für eine kostengünstige Großserienproduktion geeignet ist. Mit anderen Worten ist ein Fertigungsverfahren mit einer solchen Werkzeugvorrichtung in seiner Gesamtheit für die Großproduktion geeignet. Dabei kann der Werkzeugkörper beispielsweise aus Metall sein. Es ist also möglich, mit Hilfe der vorgestellten Werkzeugvorrichtung eine Ausrichtung von elektrisch leitfähigen Additiven beziehungsweise Füllstoffen in einem magnetischen Feld im industriellen Maßstab zu ermöglichen. Beispielsweise können mit der Werkzeugvorrichtung 3D-Touch-Schalter produziert werden, welche den Einsatz von einem polymeren Werkstoff mit einer anisotropen Leitfähigkeit benötigen. Beispielsweise kann es sich dabei um einen 3D-Multitouch-Schalter für ein Multifunktionslenkrad in einem PKW oder einem LKW handeln. Dabei wird die anisotrope elektrische Leitfähigkeit zur materialstärkenunabhängigen Signalübermittlung zwischen Finger und kapazitiven Touch-Sensor benötigt. Generell lässt sich die vorgestellte Erfindung für jede beliebige Herstellung von weiteren Touch-Anwendungen nutzen, die eine dreidimensional geformte Oberfläche erhalten. Insbesondere im HMI-Bereich eröffnet die Erfindung somit ganz neue Möglichkeiten hinsichtlich der intuitiven, dreidimensionalen Gestaltung von Touch-Oberflächen, die eine zunehmende Verwendung beispielsweise im Automobil erleben. Somit kann die Erfindung also für jegliche weitere Anwendung genutzt werden, welche eine anisotrope elektrische Leitfähigkeit voraussetzt. Die Erfindung ist zudem geeignet, die Perkolationsgrenze von elektrisch leitfähigen Produkten, beispielsweise von Spritzgussprodukten, zu senken.
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Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
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In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das wenigstens eine Magnetelement ein Elektromagnet oder ein Permanentmagnet ist. Diese beiden Formen eines Magnetelements lassen sich besonders einfach und kostengünstig in das wenigstens eine Kunststoffeinsatzelement einfügen.
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Auch ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Werkzeugvorrichtung ferner Anschlusselemente umfasst, welche dazu ausgelegt sind, das wenigstens eine Magnetelement in Form des Elektromagneten mit einer Spannungsquelle zu verbinden. Somit wird gewährleistet, dass der Elektromagnet entsprechend den Gestaltungswünschen des zu fertigenden Kunststoffbauteils mit elektrisch leitfähigen Additiven zuverlässig bedient werden kann. Die Spannungsquelle kann dabei entweder eine Gleichspannungsquelle oder eine Wechselspannungsquelle sein.
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Ferner ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der Werkzeugkörper mehrteilig ausgebildet ist und wenigstens eine Werkzeugkörpertrennebene aufweist, welche die wenigstens eine Kavität in wenigstens zwei Teilbereiche aufteilt, wobei auf die jeweiligen Teilbereiche der Kavität sich unmittelbar jeweilige Kunststoffeinsatzelemente anschließen, wobei die jeweiligen Kunststoffeinsatzelemente jeweils gegenpolige Bestandteile des wenigstens einen Magnetelementes umfassen. Somit kann eine noch präzisere Ausrichtung der elektrisch leitfähigen Zusätze vollzogen werden. Dabei kann der Werkzeugkörper, wie oben bereits erwähnt, beispielsweise aus Metall sein, wobei allerdings jeweils auf beiden Werkzeugseiten Kunststoffeinsätze vorgesehen sind, welche die Kavität umschließen.
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In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das wenigstens eine Kunststoffeinsatzelement zumindest teilweise folgende druckfeste Materialien umfasst: Thermoplast, Duroplast. Diese Materialien haben sich als besonders geeignet herausgestellt, um die gewünschte Vorrichtung herzustellen. Insbesondere sind dabei druckfeste Thermoplaste beziehungsweise Duroplaste vorgesehen, welche den Temperaturen und Drücken von dem zu verarbeitenden Ausgangsmaterialien, zum Beispiel eines polymeren Werkstoffes mit elektrisch leitfähigen Zusätzen, welche in dieser Polymermatrix enthalten sind, standhalten können, so dass eine sichere Betriebsführung gewährleistet ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das wenigstens eine Magnetelement in unmittelbarer Nähe zu der Kavität angeordnet ist. Somit wird sichergestellt, dass ein in dieser Kavität zu fertigendes Kunststoffbauteil mit elektrisch leitfähigen Additiven noch präziser mittels des Magnetfeldes beeinflusst werden kann.
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Es ist ebenfalls in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Werkzeugvorrichtung als Spritzgusswerkzeug einsetzbar ist. Der Einsatz in einem Spritzgussverfahren ermöglicht es, die Produktionskosten gering zu halten. Dabei kann der Werkzeugkörper beziehungsweise ein Grundkörper beispielsweise aus Metall sein.
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Auch ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Werkzeugvorrichtung für den Einsatz als Reaction Injection Molding einsetzbar ist. Mit Hilfe des Einsatzes von Reaction Injection Molding können ebenfalls die Kosten gering gehalten werden. Dies ermöglicht beispielsweise auch den Einsatz von Polyurethan oder Flüssigsilikon als Werkstoff beziehungsweise als Ausgangsmaterial.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Werkzeugvorrichtung ferner wenigstens ein Heizelement umfasst, welches dazu ausgelegt ist, eine variotherme Prozessführung zu ermöglichen. Somit kann das Ausgangsmaterial falls nötig aufgrund einer sich einstellenden Werkzeugtemperierung entsprechend besser während des Fertigungsprozesses bereitgestellt werden.
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Schlussendlich ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass ein Verfahren zur Herstellung von Kunststoffbauteilen mittels der Werkzeugvorrichtung von den Ansprüchen 1 bis 9 bereitgestellt wird, welches die folgenden Schritte umfasst: Einbringen eines mit zumindest teilweise elektrisch leitfähigem Füllstoff versetzten Kunststoffs in zumindest eine Kavität der Werkzeugvorrichtung; Erwärmen der zumindest einen Kavität mittels des wenigstens einem Heizelements; Einschalten eines Magnetelements in Form eines Elektromagneten zur Erzeugung eines magnetischen Feldes in der wenigstens einen Kavität; Abkühlen der Werkzeugvorrichtung; Umpolung des magnetischen Feldes, so dass das zu fertigende Kunststoffbauteil entmagnetisiert wird; Entformung des Kunststoffbauteils aus der Werkzeugvorrichtung. Mit Hilfe des vorgestellten Verfahrens kann ein Fertigungsverfahren vollzogen werden, welches für eine kostengünstige Großserienproduktion geeignet ist. Mit anderen Worten ist ein Fertigungsverfahren mit einer solchen Werkzeugvorrichtung in seiner Gesamtheit für die Großproduktion geeignet. Es ist also möglich, mit Hilfe der vorgestellten Werkzeugvorrichtung eine Ausrichtung von elektrisch leitfähigen Additiven beziehungsweise Füllstoffen in einem magnetischen Feld im industriellen Maßstab zu ermöglichen. Es ist also mittels des vorgestellten Verfahrens möglich, unmittelbar ein Magnetfeld innerhalb der Kavität bereitzustellen, so dass ein in dieser Kavität zu fertigendes Kunststoffbauteil mit elektrisch leitfähigen Additiven sehr präzise mittels des Magnetfeldes, welches von dem Magnetelement bereitgestellt wird, beeinflusst werden kann. Insbesondere ist es somit möglich, eine anisotrope Ausrichtung der elektrisch leitfähigen Zusätze beziehungsweise Additive in dem Kunststoffbauteil beziehungsweise in der Polymermatrix dieses Bauteils mit den entsprechenden Additiven zu erzielen. Somit ist also eine werkstofftechnische Umsetzung mit einem extrinsisch leitfähigen Kunststoff möglich, wobei eine erforderliche von außen herbeigeführte Ausrichtung der leitfähigen Komponenten in der Kunststoff-Matrix durchführbar ist. Beispielsweise können mit dem vorgestellten Verfahren 3D-Touch-Schalter produziert werden, welche den Einsatz von einem polymeren Werkstoff mit einer anisotropen Leitfähigkeit benötigen. Dabei beginnt der Herstellungsprozess beispielsweise mit dem Einspritzen des mit den elektrisch leitfähigen Füllstoffen versehenen Kunststoffs. Anschließend wird beispielsweise die Kavität auf einer möglichst hohen Temperatur gehalten und das magnetische Feld wird eingeschaltet. Durch magnetische Wechselwirkung kommt es zur Ausrichtung der Additive entlang des Feldes und eine anisotrope Leitfähigkeit wird erreicht. Danach wird beispielsweise das Werkzeug heruntergekühlt, wobei der Kunststoff erstarrt. Im Falle des Einsatzes mit einem Elektromagneten kann das magnetische Feld umgepolt werden und die leitfähigen Zusätze werden abmagnetisiert, so dass das Formteil nicht mehr magnetisch ist. Anschließend kann das Formteil entformt werden.
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Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Schnittansicht durch eine Werkzeugvorrichtung mit Permanentmagnet;
- 2 eine Schnittansicht durch eine Werkzeugvorrichtung mit einem Elektromagnet.
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1 zeigt eine Werkzeugvorrichtung 10 gemäß der vorgestellten Erfindung in einem ersten Ausführungsbeispiel. Es wird die Werkzeugvorrichtung 10 mit einem Werkzeugkörper 12 gezeigt, wobei der Werkzeugkörper 12 in diesem Beispiel zweiteilig ist. Der Werkzeugkörper 12 kann beispielsweise aus Metall sein. In der Mitte dieser beiden Teile des Werkzeugkörpers 12 ist eine Werkzeugkörpertrennebene 14 zu erkennen. Mittig innerhalb der Werkzeugvorrichtung 10 ist des Weiteren eine Kavität 16 zu erkennen. Diese Kavität 16 wird von einem Kunststoffeinsatzelement 18 umgeben. Dieses Kunststoffeinsatzelement 18 ist in diesem Beispiel ebenfalls zweiteilig ausgebildet und wird äußerlich von den jeweiligen Teilen des Werkzeugkörpers 12 umgeben. Mit anderen Worten ist das Kunststoffeinsatzelement 18 mittig in den Werkzeugkörper 12 derart eingepasst, so dass das Kunststoffeinsatzelement 18 ebenfalls von der Werkzeugkörpertrennebene 14 in zwei separate Teile getrennt wird. Mittig umgeben diese beiden Teile des Kunststoffeinsatzelementes 18 die Kavität 16. Die Werkzeugkörpertrennebene 14 verläuft dabei durch diese Kavität 16. Bezogen auf die Bildebene ist rechts in dem einen Teil des Werkzeugkörpers 12 ein Angusskanal 20 zu erkennen. Dieser Angusskanal 20 verbindet die Kavität 16 mit einem außerhalb der Werkzeugvorrichtung 10 liegenden Bereich, so dass über diesen Angusskanal 20 das nicht gezeigte Ausgangsmaterial, beispielsweise in Form eines Kunststoffmaterials mit elektrisch leitfähigen Additiven eingebracht werden kann. Die hier gezeigte horizontale Lage des Angusskanals 20 ist nur beispielhaft. Ebenso wäre eine andere Anordnung des Angusskanals 20 vorstellbar. Auch muss dieser Angusskanal 20 nicht zwangsläufig einen geraden Verlauf aufweisen. Denkbar wäre auch ein leicht bogenförmiger Verlauf oder generell ein anderer Verlauf, solange das nicht gezeigte Ausgangsmaterial zuverlässig in die Kavität 16 eingebracht werden kann. Umschlossen von den jeweiligen Teilen des Kunststoffeinsatzelementes 18 ist ein Magnetelement in Form eines Permanentmagneten 22 zu erkennen. Das Kunststoffeinsatzelement 18 kann auch als Kunststoffeinsatz für die Isolierung des Magnetelementes in Form eines Permanentmagneten 22 angesehen beziehungsweise bezeichnet werden. Das Magnetelement in Form eines Permanentmagneten 22 ist ebenfalls zweiteilig ausgebildet, wobei die jeweiligen Teile jeweils separat vollständig von den jeweiligen Teilen des Kunststoffeinsatzelementes 18 umschlossen sind. Die beiden Teile des Magnetelementes in Form eines Permanentmagneten 22 stellen jeweils einen anderen magnetischen Pol dar. Die Position dieser Teile des Magnetelementes in Form eines Permanentmagneten 22 ist hier nur als beispielhaft zu verstehen. Je nach Anwendungsfall kann eine unmittelbare Nähe zur Kavität 16 vorgesehen sein. Die Wanddicke der in diesem Fall noch trennenden Außenwand des Kunststoffeinsatzelements 18 ist dabei nicht sonderlich beschränkt und kann einen beliebig dünnen Wert aufweisen, solange eine isolierende Wirkung in ausreichendem Maße noch gewährleistet ist.
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Die 2 zeigt einen fast identischen Aufbau zu der Werkzeugvorrichtung 10 aus der 1, wobei der Unterschied darin besteht, dass das in 1 offenbarte Magnetelement in Form eines Permanentmagneten 22 in diesem Fall ein Elektromagnet 24 ist. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Elektromagnet 24 zwei sich gegenüberliegende Metallplatten, welche ebenfalls in die jeweiligen Teile des Kunststoffeinsatzelementes 18 eingearbeitet sind, so dass sie zum Zwecke der Isolierung von dem Kunststoffeinsatz vollständig umgeben sind. Auch in diesem Ausführungsbeispiel stellen die beiden Teile des Elektromagneten 24 jeweils einen anderen magnetischen Pol dar. Ferner sind in 2 Anschlusselemente 26 zu erkennen, welche den Elektromagneten 24 beziehungsweise die jeweiligen Metallplatten von diesem Elektromagneten 24 mit einer Spannungsquelle 28 verbinden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Werkzeugvorrichtung
- 12
- Werkzeugkörper
- 14
- Werkzeugkörpertrennebene
- 16
- Kavität
- 18
- Kunststoffeinsatzelement
- 20
- Angusskanal
- 22
- Permanentmagnet
- 24
- Elektromagnet
- 26
- Anschlusselemente
- 28
- Spannungsquelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015114179 [0003]
- EP 1648680 [0004]
- DE 102014118086 [0005]
