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Die Erfindung betrifft einen Werkzeughalter, insbesondere einen Fluid- und Stromzufuhraufbau eines Werkzeughalters.
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Gegenwärtig wird bei der hochpräzisen Metallbearbeitung, wie Bohren, Fräsen, Reiben, Bohren, Schneiden von Innen- und Außendurchmessern oder Flachschleifen, häufig eine numerisch gesteuerte Bearbeitungsmaschine (Computer Numerical Control, auch CNC-Bearbeitungsmaschine genannt) verwendet, wobei die Bearbeitung gleichzeitig mit verschiedenen Werkzeugen wie einem Bohrer und einem Fräser vorgenommen wird.
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Die Bearbeitungsmaschine verwendet ein Kühlmittel und / oder eine Schneideflüssigkeit (im Folgenden einfach als Kühlmittel bezeichnet), um zunächst die Effizienz des Maschinenbetriebs zu verbessern, indem das Werkstück und das Schneidwerkzeug gekühlt werden. Das Kühlmittel schmiert auch das Werkstück und das Schneidwerkzeug, um die angesammelte Reibungswärme zu reduzieren. Das Kühlmittel verhindert auch, dass Schmutz auf das Schneidwerkzeug fällt, und spült den Schnittschmutz aus der Bearbeitungsmaschine.
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Im Stand der Technik wird das Kühlmittel mittels manuell positionierter Schläuche und Düsen dem Werkstück zugeführt. Ein solches System kann im Allgemeinen einen Schwanenhalsschlauch oder eine an eine Arbeitsmaschine angrenzende oder mit dieser verbundene Kühlpumpe umfassen. In den letzten Jahren wurden Kühlsysteme so entwickelt, dass einem Schneidwerkzeughalter oder einer Spannzange ein Kühlmittel zuzuführen ist. Das Kühlmittel kann durch eine Spindel der Bearbeitungsmaschine oder durch einen um den Werkzeughalter herum befestigten Kragen zugeführt werden.
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Bei der herkömmlichen Ultraschall-Bearbeitungsmaschine ist eine Überschall-Vibrationseinheit auf einer rotierenden Hauptwelle so montiert, dass die von der Ultraschallwelle erzeugte Hochfrequenz-Vibration über einen Werkzeughalter auf ein Werkzeug übertragen wird, wodurch das Werkzeug sowohl die Hochgeschwindigkeitsrotation als auch die Ultraschall-Hochfrequenzvibration für verschiedene Schleif- und Schneidvorgänge erfüllt, insbesondere für die Präzisionsbearbeitung von harten und spröden Materialien.
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Bei der Bearbeitung mit einer Ultraschall-Bearbeitungsmaschine schwingt die Schneidefläche des Bearbeitungswerkzeugs kontinuierlich mit hoher Frequenz und trennt die Schneidspäne, wodurch die nachteiligen Auswirkungen, die durch die hohe Temperatur und den hohen Druck zwischen den Schneidspänen und der Schneidefläche des Bearbeitungswerkzeugs verursacht werden, erheblich verbessert werden. Darüber hinaus wird eine unebene Oberflächenstruktur verhindert, der Schnittwiderstand und die Bearbeitungsbelastung verringert, die Spanabfuhr effektiv verbessert und die Schnittarbeit auf der bearbeiteten Oberfläche effektiv verbessert.
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Wenn die Ultraschall-Bearbeitungsmaschine in Betrieb ist, wird die Vibration von der Ultraschall-Vibrationseinheit erzeugt und über den Werkzeughalter zur Werkzeugnase übertragen, um eine Ultraschall-Hochfrequenz-Vibrationsbearbeitung an einem Werkstück durchzuführen. Zusätzlich zu der Ultraschall-Hochfrequenzvibration arbeiten die verschiedenen Komponenten der Ultraschall-Bearbeitungsmaschine während des Ultraschall-Bearbeitungsvorgangs in Kontakt miteinander, wodurch unvermeidlich unerwartete Vibrationen erzeugt werden. Diese unerwartete Vibration und die Ultraschall-Hochfrequenzvibration stören sich gegenseitig, was wiederum den Bearbeitungsvorgang beeinflusst und die Produktgenauigkeit negativ beeinflusst.
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Bei länglichen Werkzeughaltern oder bei Kombinationswerkzeughaltern, wie jene, die aus den Patentschriften
US 1 520 528 A ,
US 2 716 030 A und
US 8 821 084 B2 bekannt sind, treten oft Probleme bezüglich der Materialsteifigkeit und der Präzision des Werkzeughalters auf, wenn ein hohes Schlankheitsverhältnis (L/D) angewendet wird, was zu einer schlechten Bearbeitungsqualität oder einer Bearbeitungsunfähigkeit führt. Dies sind die Probleme, die derzeit bei Bearbeitungsmaschinen auftreten. Wenn der oben genannte Werkzeughalter bei einer Ultraschallbearbeitungsmaschine verwendet wird, wird die Situation, in der sich die Ultraschallschwingung und die unerwartete Schwingung gegenseitig stören, schlimmer, da der Übertragungsweg der Ultraschall-Hochfrequenzschwingungsquelle verlängert wird. Der Werkzeughalter wird durch hochfrequente Ultraschallschwingungen beeinflusst, was zu einer gekoppelten Schwingung führt. Außerdem ist es schwierig, die maximale Amplitudenpunktposition verschiedener Vibrationsfrequenzen an der Werkzeugspitzenposition zu steuern, was zu einer unerwünschten Schneidleistung führt, wie zum Beispiel einer schlechten Oberfläche der Werkstückoberfläche und einem unerwünschten Überschreiten der Toleranzen bei bearbeiteten Werkstücken. Ferner kann Verschleiß an Maschinen und Werkzeugen auftreten, wobei im schlimmsten Fall irreparable Schäden verursacht werden.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Fluid- und Stromzufuhraufbau eines Werkzeughalters zu schaffen, bei dem die obengenannten Probleme vermindert oder beseitigt werden.
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Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch einen Fluid- und Stromzufuhraufbau eines Werkzeughalters, der die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Bei dem rfindungsgemäßen Fluid- und Stromzufuhraufbau eines Werkzeughalters ist eine Antriebseinheit am vorderen Ende des Werkzeughalters angeordnet und der Übertragungsweg der Antriebskraft ist effektiv verkürzt, wobei vermieden wird, dass unerwartete Vibrationen des Werkzeughalters durch den zu langen Übertragungsweg erzeugt werden. Gleichzeitig wird das Problem der unzureichenden Steifigkeit gelöst, das durch den herkömmlichen Werkzeughalter mit der hohen Schlankheit nicht lösbar ist. Ferner bleiben die überragende Oberflächengüte und die hohe Bearbeitungspräzision des Werkstücks erhalten. In Verbindung mit dem Bedarf an Energie- und Kühlmittelbeförderung stellt die vorliegende Erfindung ferner ein Fluid- und Stromzufuhraufbau bereit, bei dem die elektrische Energie und das Kühlmittel separat vom hinteren Ende des Werkzeughalters zum vorderen Ende oder zum vorderen Ausgang des Werkzeugs befördert werden, ohne sich gegenseitig zu stören.
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Die vorliegende Erfindung stellt ferner einen Fluid- und Stromzufuhraufbau eines Werkzeughalters bereit, der die Steifigkeit des Werkzeughalters verbessern und Probleme mit hohem Schlankheitsgrad bzw. aufgrund der Verlängerung vermeiden kann, die zu einer Verringerung der Steifigkeit und einer Zunahme von seitlichem Ausweichen führt. Erfindungsgemäß kann das Schlankheitsverhältnis verkürzt werden. Wie in 1 gezeigt ist, wird das Schlankheitsverhältnis (L1/D) des Werkzeughalters (ohne Antriebseinheit) auf das Schlankheitsverhältnis (L/D) des Werkzeughalters (mit Antriebseinheit) reduziert. Zur gleichen Zeit kann die Länge des Werkzeughalters kontinuierlich verlängert werden und das Schlankheitsverhältnis wird auf einem festen Wert von L/D gehalten, wobei diese nicht auf die Länge von L1 beschränkt ist.
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Der erfindungsgemäße Fluid- und Stromzufuhraufbau eines Werkzeughalters ist weiter insbesondere zur Verwendung in einem länglichen Werkzeughalter oder einem Kombinationswerkzeughalter geeignet.
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Gemäß der Erfindung wird ein Fluid- und Stromzufuhraufbau eines Werkzeughalters bereitgestellt, der zur Verwendung mit einer Bearbeitungsmaschine zum Zuführen einer elektrischen Energie und eines Kühlmittels durch eine Spindel dient, wobei der Werkzeughalter aufweist:
- einen Hohlschaft, der in der Spindel aufgenommenen ist, wobei eine elektrische Einrichtung an dem Hohlschaft angeordnet und elektrisch mit der Spindel verbunden ist, um die elektrische Energie zum Werkzeughalter zu leiten;
- eine Werkzeugaufnahme, die mit einer sich axial erstreckenden Werkzeugaufnahmebohrung versehen ist, die einen Teil eines Werkzeugs aufnehmen und befestigen kann;
- eine Antriebseinheit, die in der Werkzeugaufnahme befestigt ist, wobei die Antriebseinheit elektrisch mit der elektrischen Einrichtung verbunden ist, um die elektrische Energie zu empfangen und eine Antriebskraft zu erzeugen, wobei die Antriebskraft über die Werkzeugaufnahmebohrung an das Werkzeug übertragbar ist;
- einen Mitteldurchgang, der durch den Hohlschaft und die Werkzeugaufnahme begrenzt ist; und
- eine wasserdichte Trennwand, durch die der Mitteldurchgang in einen Fluidzufuhrkanal und ein Kabelführungsloch unterteilbar ist, wodurch die elektrische Energie und das Kühlmittel separat voneinander zuführbar sind, ohne sich gegenseitig zu stören.
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Gemäß der Erfindung kann die wasserdichte Trennwand aus einer Vielzahl von Trennrohreinheiten bestehen, die an ihren Enden miteinander verbunden sind.
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Gemäß der Erfindung kann der Hohlschaft mit einer sich axial erstreckenden ersten Kühlmittelöffnung versehen sein, durch die das Kühlmittel aus der Spindel entnehmbar und dem Fluidzufuhrkanal zuführbar ist.
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Gemäß der Erfindung kann die Antriebseinheit aus einer Gruppe von Antriebseinheit ausgewählt sein, die eine Ultraschallschwingungseinheit, eine elektrische Einheit und eine Pneumatikeinheit umfasst.
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Gemäß der Erfindung weist die Werkzeugaufnahme in alternativer Ausgestaltung ferner auf:
- ein Spannfutter, in dem eine Werkzeugaufnahmebohrung ausgebildet ist, wobei das Spannfutter mit einer Mehrzahl von Axialrillen versehen ist, die parallel zueinander verlaufen und an einem Ende offen sind, und wobei eine Vielzahl von elastischen Klauenteilen zwischen den mehreren Axialrillen angeordnet ist; und
- ein Verriegelungselement, das an dem äußeren Abschnitt des Spannfutters angeordnet ist, wobei, wenn das Verriegelungselement verriegelt ist, die elastischen Klauenteile vorgespannt und elastisch verformt sind, um das im Inneren des Spannfutters montierte Werkzeug einzuspannen.
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Gemäß der Erfindung kann die Werkzeugaufnahme mit einer sich axial erstreckenden zweiten Kühlmittelöffnung versehen sein, durch die das Kühlmittel aus dem Fluidzufuhrkanal entnehmbar und dann dem Spannfutter zuführbar ist.
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Gemäß der Erfindung kann ferner mindestens ein Verlängerungshülsenmodul vorgesehen sein, das zwischen dem Hohlschaft und der Werkzeugaufnahme angeordnet ist.
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Gemäß der Erfindung kann das Verlängerungshülsenmodul dergestalt ein Modul-Steckerteil und ein Modul-Buchsenteil aufweisen, dass die Verlängerungshülsenmodule endseitig miteinander verbindbar sind.
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Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Ausgestaltungen anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
- 1 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fluid- und Stromzufuhraufbaus eines Werkzeughalters und
- 2 einen vergrößerten Ausschnitt des erfindungsgemäßen Hohlschafts aus 1.
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Wie aus 1 und 2 ersichtlich ist, wird ein erfindungsgemäßer Fluid- und Stromzufuhraufbau eines Werkzeughalters zur Verwendung mit einer Bearbeitungsmaschine zum Zuführen einer elektrischen Energie und eines Kühlmittels durch eine Spindel gebildet, wobei der Werkzeughalter aufweist: einen Hohlschaft 10, der in der Spindel aufgenommenen ist, wobei eine elektrische Einrichtung 11 an dem Hohlschaft 10 angeordnet und elektrisch mit der Spindel verbunden ist, um die elektrische Energie zur elektrischen Einrichtung 11 zu leiten; eine Werkzeugaufnahme 20, die mit einer sich axial erstreckenden Werkzeugaufnahmebohrung 21 versehen ist, die einen Teil [z. B. einen Werkzeuggriff] eines nicht näher dargestellten Werkzeugs aufnehmen und befestigen kann; eine Antriebseinheit 30, die in der Werkzeugaufnahme 20 befestigt ist, wobei die Antriebseinheit 30 elektrisch mit der elektrischen Einrichtung 11 verbunden ist, um die elektrische Energie zu empfangen und eine Antriebskraft zu erzeugen, wobei die Antriebskraft über die Werkzeugaufnahmebohrung 21 an das Werkzeug übertragbar ist; einen Mitteldurchgang 50, der durch den Hohlschaft 10 und die Werkzeugaufnahme 20 begrenzt ist; und eine wasserdichte Trennwand 51, durch die der Mitteldurchgang 50 in einen Fluidzufuhrkanal 52 und ein Kabelführungsloch 53 unterteilbar ist, wodurch die elektrische Energie und das Kühlmittel separat voneinander zuführbar sind, ohne sich gegenseitig zu stören. Die wie oben beschrieben konfigurierte, vorne montierte Antriebseinheit kann den Übertragungsweg der Antriebskraft effektiv verkürzen.
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Die Antriebseinheit 30 wird aus einer Gruppe von Antriebseinheiten ausgewählt, die eine Ultraschallschwingungseinheit, eine elektrische Einheit und eine Pneumatikeinheit aufweist. Wenn es sich bei der Antriebseinheit 30 um eine pneumatische Einheit handelt, sollte der Fachmann in der Lage sein, die elektrische Einrichtung 11 leicht durch eine pneumatische Struktur zu ersetzen, während das Kabelführungsloch 53 durch ein Gaszufuhrrohr ersetzt wird.
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Der Hohlschaft 10 weist einen Konusabschnitt 15 auf, der so konfiguriert ist, dass er in einer Spindel einer Bearbeitungsmaschine aufgenommen werden kann, so dass der Werkzeughalter und die Spindel miteinander fluchten und axial fest miteinander verbunden sind.
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Der Hohlschaft 10 ist mit einer sich axial erstreckenden ersten Kühlmittelöffnung 16 versehen, durch die das Kühlmittel aus der Spindel entnehmbar und dem Fluidzufuhrkanal 52 zuführbar ist.
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Die Werkzeugaufnahme 20 kann im Wesentlichen ein zylindrisches Bauteil sein und weist ein Spannfutter 22 auf. Die Werkzeugaufnahmebohrung 21 ist im Inneren des Spannfutters 22 ausgebildet. Das Spannfutter 22 ist mit einer Mehrzahl von Axialrillen 23 versehen, die parallel zueinander verlaufen und an einem Ende offen sind. Eine Vielzahl von elastischen Klauenteilen 24 ist zwischen den mehreren Axialrillen 23 angeordnet. Ein Verriegelungselement 25 ist an dem äußeren Abschnitt des Spannfutters 22 angeordnet. Wenn das Verriegelungselement 25 verriegelt ist, werden die elastischen Klauenteile 24 vorgespannt und elastisch verformt, um das im Inneren des Spannfutters 22 montierte Werkzeug einzuspannen. Die oben beschriebene Art zum Einspannen des Werkzeugs durch das Spannfutter 22 ist nicht die einzige Option. Der Fachmann ist in der Lage, andere Methoden zum Einspannen von Werkzeugen zu verwenden.
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Die wasserdichte Trennwand 51 besteht aus einer Vielzahl von Trennrohreinheiten 54, die an ihren Enden miteinander verbunden sind. Das vordere Ende und das hintere Ende der wasserdichten Trennwand 51 stehen in engem Kontakt mit der jeweiligen, unterschiedliche Durchmesser aufweisenden Innenumfangsfläche des Hohlschafts 10 und der Werkzeugaufnahme 20, sodass ein Positionierungseffekt und ein Effekt der Aufrechterhaltung der Wasserdichtigkeit erzielt werden. O-Ringe, Dichtungen oder andere Leckstoppelemente sind an den Verbindungen und den Verbindungen der Trennrohreinheiten 54 vorgesehen, um die wasserdichte Wirkung des Fluidzufuhrkanals 52 und des Kabelführungslochs 53 aufrechtzuerhalten. In ähnlicher Weise kann in einem anderen Zustand wie zur Gaszufuhr das wasserdichte Leckstoppelement zu einem hermetischen Leckstoppelement aufgewertet werden.
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Die wasserdichte Trennwand 51, die aus einer Vielzahl von an ihren Enden miteinander verbundenen Trennrohreinheiten 54 besteht, ist im Innenloch der Trennrohreinheit 54 mit dem Fluidzufuhrkanal 52 versehen, das im Querschnitt kreisförmig ausgebildet ist. Zwischen der Außenwand der Trennrohreinheit 54 und der Innenwand des Mitteldurchgangs 50 ist das Kabelführungsloch 53 vorgesehen, das ebenfalls im Querschnitt kreisförmig ausgebildet ist.
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Die Werkzeugaufnahme 20 ist mit einer sich axial erstreckenden zweiten Kühlmittelöffnung 27 versehen, durch die das Kühlmittel aus dem Fluidzufuhrkanal 52 entnehmbar und dann dem Spannfutter 22 zuführbar ist.
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Die elektrische Einrichtung 11 ist über ein Kabel 13, das durch das Kabelführungsloch 53 verläuft, elektrisch mit der Antriebseinheit 30 verbunden. Zwischen der elektrischen Einrichtung 11 und der Spindel der Bearbeitungsmaschine kann eine kontaktlose leitende Verbindung verwendet werden, beispielsweise eine elektromagnetische Induktion usw. Natürlich kann zwischen der elektrischen Einrichtung 11 und der Spindel der Bearbeitungsmaschine auch eine kontaktleitende Verbindung von zwei Elektroden verwendet werden, wobei die elektrische Energie der Stromquelle der elektrischen Einrichtung 11 zugeführt werden kann, was hier nicht näher beschrieben wird.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist zwischen dem Hohlschaft 10 und der Werkzeugaufnahme 20 ferner mindestens ein Verlängerungshülsenmodul 40 vorgesehen, das ein Modul-Steckerteil 41 und ein Modul-Buchsenteil 42 aufweist. Der Hohlschaft 10 weist einen Steckerteil 14 auf, wobei die Werkzeugaufnahme 20 mit einem entsprechenden Buchsenteil 26 versehen ist. Über das Verlängerungshülsenmodul 40 sind der Hohlschaft 10 und die Werkzeugaufnahme 20 miteinander verbunden. Die Verlängerungshülsenmodule 40 können endseitig miteinander verbunden sein. Abhängig von den Verarbeitungsanforderungen wird die Anzahl der zu verwendenden Verlängerungshülsenmodule 40 gewählt, um die Länge des Werkzeughalters einzustellen.
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Bei dem durch die Erfindung bereitgestellten Fluid- und Stromzufuhraufbau eines Werkzeughalters ist die Antriebseinheit 30 in der Werkzeugaufnahme 20 zum Fixieren des Werkzeugs angeordnet, wodurch der Übertragungsweg der Antriebskraft effektiv verkürzt werden kann. Damit wird verhindert, dass unerwartete Vibrationen des Werkzeughalters durch den zu langen Übertragungsweg erzeugt werden. Gleichzeitig wird das Problem der unzureichenden Steifigkeit gelöst, das durch den herkömmlichen Werkzeughalter mit der hohen Schlankheit nicht lösbar ist. Ferner bleiben die überragende Oberflächengüte und die hohe Bearbeitungspräzision des Werkstücks erhalten. In Verbindung mit dem Bedarf an Energie- und Kühlmittelbeförderung stellt die vorliegende Erfindung ferner ein Fluid- und Stromzufuhraufbau bereit, so dass die elektrische Energie und das Kühlmittel vom hinteren Ende des Werkzeughalters zum vorderen Ende oder zum vorderen Ausgang des Werkzeugs befördert werden, ohne sich gegenseitig zu stören. Insbesondere für längliche Werkzeughalter oder Kombinationswerkzeughalter mit verlängerter Länge ist der erfindungsgemäße Werkzeughalter geeignet.
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Die vorstehende Beschreibung stellt die Ausführungsbeispiele der Erfindung dar und soll nicht die Ansprüche beschränken. Alle gleichwertigen Änderungen und Modifikationen, die sich aus der Beschreibung und den Zeichnungen der Erfindung für einen Fachmann in naheliegender Weise ergeben, sind ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 1520528 A [0008]
- US 2716030 A [0008]
- US 8821084 B2 [0008]
