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Die Erfindung betrifft eine Pulverauftragsvorrichtung für Binder-Jetting-Verfahren sowie eine Binder-Jetting-Vorrichtung.
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Der Einsatz von 3D-Druck-Verfahren, auch bekannt als additive Fertigung oder generative Fertigung, wie zum Beispiel das Binder-Jetting, ist in heutigen industriellen Fertigungsbetrieben zunehmend eine Alternative zu herkömmlichen Fertigungsprozessen. Im Fokus der Vorgehensweise beim 3D-Druck steht ein Aufbau aus einem Material oder mehreren Materialien, welche dann Schicht für Schicht aufgetragen werden, um letztendlich einen dreidimensionalen Gegenstand, beispielsweise ein Werkstück, zu erzeugen. Eine computergesteuerte Prozessführung basierend auf CAD-Daten, welche die Maße und Formen umfassen, ist dabei häufig anzutreffen. Als typische Materialien oder Werkstoffe für diese Fertigungsverfahren können verschiedene Metalle, Keramiken, Kunstharze und Kunststoffe eingesetzt werden. Die Werkstoffe werden in Pulverform bereitgestellt. In einer Variante des 3D-Drucks werden zunächst Gegenstände vorgefertigt, welche als Grünlinge oder Grünteile bezeichnet werden. In diesem 3D-Druckverfahren, dem so genannten Binder-Jetting, wird mittels eines Pulverbettverfahrens ein so genanntes Grünteil unter Verwendung eines Binders hergestellt. Dieses Grünteil wird anschließend in einem Sinterprozess mithilfe einer dafür vorgesehenen Temperatur verdichtet beziehungsweise gesintert. Ein besonderes Qualitätsmerkmal besteht darin, dass das Bauteil nach diesem Prozessschritt eine möglichst geringe Restporosität im fertigen (gesinterten) Bauteil aufweist. Dabei wird es als vorteilhaft angesehen, wenn bereits im Grünteil beziehungsweise allgemein im Pulverbett eine möglichst hohe Partikelpackung beziehungsweise Partikelschüttdichte erreicht wird. Generell erzeugen feinere Partikel eine höhere Partikelschüttdichte. Deshalb ist es gewünscht, möglichst kleine Pulverpartikel zu verarbeiten, um eine möglichst dichte Partikelpackung und in Folge dessen eine möglichst hohe Bauteildichte zu erhalten. Der Einsatz von Partikeln mit einer kleineren Größe als 10 µm scheitert dabei heutzutage noch daran, dass diese Partikel ein schlechtes Fließverhalten aufweisen und deshalb nur schlecht oder gar nicht mit einem konventionellen Rakelsystem, bestehend aus Klinge, Schneide oder Walze, aufgetragen werden können. Für den sich an den Binder-Jetting-Verfahrensschritt anschließenden Sinterprozess ist es von Vorteil, dass das Pulver im Bauteil (Grünteil) eine möglichst große Oberfläche aufweist. Eine große Oberfläche sorgt dabei für eine erhöhte Sinteraktivität. Eine höhere Sinteraktivität wiederum führt dazu, dass die Sintertemperatur und die entsprechende Sinterzeit verringert werden kann. Feinere Pulver erzeugen eine größere Oberfläche und damit eine verbesserte Sinteraktivität. Wie bereits erwähnt ist jedoch der Einsatz von feineren Pulvern derzeit mit konventionellen Rakelsystemen aufgrund der schlechten Fließfähigkeit begrenzt. Weiter werden bisher im Binder-Jetting aufgrund der guten Fließeigenschaften nur gasverdüste, sphärische Pulverpartikel eingesetzt. Dies hat den Hintergrund, dass mit einem konventionellen Rakelsystem nur mit sphärischen Partikeln eine gleichmäßige Pulverschicht erzeugt werden kann. Die Gasverdüsung ist jedoch sehr kostspielig. Eine andere Verdüsungsart ist das Wasserverdüsen. Dieses bietet gegenüber dem Gasverdüsen den Vorteil, dass es einen günstigeren Preis aufweist. Allerdings sind die mittels Wasserverdüsen hergestellte Partikelformen unförmig beziehungsweise spratzig. Deshalb fließen diese sehr schlecht und können im Binder-Jetting bisher nicht mit einem konventionellen Rakelsystem eingesetzt werden. Aus dem Stand der Technik werden nachfolgend Beispiele vorgestellt, welche sich weitestgehend mit der vorgestellten Thematik beschäftigen.
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So ist aus der Druckschrift
US 2016/0158843 A1 ein Verfahren zum Erreichen von metallischen Binder-Jet-Druckartikeln mit Volldichte als bekannt zu entnehmen. Insbesondere wird ein Verfahren zur Herstellung von metallischen Gegenständen mit voller Dichte, die im Strahlverfahren mit einem Bindemittel bedruckt werden, offenbart. Ein metallischer 3D-Druckgegenstand wird im Binder-Jet-Druckverfahren hergestellt und in einem von Stabilisierungspulver umgebenen Behälter für heißisostatische Pressen (HIP) positioniert. Ein Vakuum wird in das Innere des HIP-Behälters eingeführt. Ein Bindemittel, das zum Verbinden von Pulverartikeln in dem bedruckten Artikel verwendet wird, wird durch Erhitzen des HIP-Behälters zum Zersetzen des Bindemittels und Entfernen von Zersetzungsprodukten durch Anlegen eines Vakuums an den HIP-Behälter entfernt. Der HIP-Behälter wird mit einem Vakuum darin versiegelt und unter Hitze und Druck verdichtet, um alle Porosität in dem bedruckten Gegenstand zu entfernen. Der bedruckte Gegenstand wird danach aus dem HIP-Behälter entnommen und zu einer endgültigen Form fertiggestellt.
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Aus der Druckschrift
WO 2018/059833 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Manipulieren von Partikeln als bekannt zu entnehmen. Die Vorrichtung weist ein Sieb auf, das als Träger für eine von Partikeln gebildete Struktur dient, die selektiv auf einem ersten Substrat abscheidbar ist. Das Gerät kann in ein 3D-Drucksystem eingebunden werden.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Pulverauftragsvorrichtung für Binder-Jetting-Verfahren bereitzustellen, mit welcher ein definierter und zuverlässiger Auftrag unabhängig von einer Ausgangsqualität des Pulvers gewährleistbar ist.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Pulverauftragsvorrichtung für Binder-Jetting-Verfahren bereitgestellt wird. Solch eine Pulverauftragsvorrichtung umfasst dabei zumindest einen Pulvervorratsbehälter und ein zylinderförmiges und mittels einer Antriebseinheit um eine Längsachse drehbares Grundkörpergerüst mit wenigstens einer auf der Außenseite reversibel angeordneten Siebvorrichtung. An einem Innenvolumen, welches von jeweiligen Seitenflächen des Grundkörpergerüsts und mittels der Siebvorrichtung begrenzt ist, ist dabei mittels einer Unterdruckvorrichtung ein Unterdruck anlegbar, so dass austretendes Pulver aus dem Pulvervorratsbehälter auf einer Außenseite der Siebvorrichtung aufnehmbar ist. Aufgenommenes Pulver ist mittels einer Luftdruckvorrichtung von zumindest einem Teilbereich der Außenseite der Siebvorrichtung benutzerdefiniert lösbar, so dass gelöstes Pulver einem Pulverbett definiert zuführbar ist. Auf diese Weise kann eine Pulverauftragsvorrichtung für Binder-Jetting-Verfahren bereitgestellt werden, mit welcher ein definierter und zuverlässiger Auftrag unabhängig von einer Ausgangsqualität des Pulvers gewährleistbar ist. Aufgrund der besonderen Anordnung der vorgestellten Pulverauftragsvorrichtung ist eine Fließfähigkeit des Pulvers keine prozessrelevante Eigenschaft mehr. Für die vorgestellte Pulverauftragsvorrichtung sind kleinere Pulverpartikel sogar von Vorteil bei der Verarbeitung. Somit können nicht fließfähige beziehungsweise schlecht fließfähige Pulver aufgrund der vorgestellten Pulverauftragsvorrichtung trotz ihrer besonderen Qualität beziehungsweise ihren besonderen Eigenschaften dennoch in jeglichen Binder-Jetting-Verfahren eingesetzt werden. Es können somit auch kleinere Partikelgrößen verwendet werden, um eine möglichst hohe Schüttdichte im Pulverbett zu erzeugen, woraus wiederum eine hohe Bauteildichte resultiert. Des Weiteren kann somit eine Sinteraktivität erhöht werden, wodurch eine Sinterzeit und eine Temperatur reduziert werden kann. Mit anderen Worten können somit schlecht fließfähige Pulver im Binder-Jetting verwendet werden. Es kann somit eine Erhöhung einer Schüttdichte im Pulverbett erreicht werden. Auch kann somit eine Erhöhung der Sinteraktivität aufgrund der Möglichkeit, feinere Pulver einzusetzen, bewirkt werden. Somit kann eine Erhöhung der Bauteilqualität erreicht werden, wobei eine höhere Bauteildichte von > 98 % erreichbar ist. Zudem kann somit eine Verringerung von Energieaufwendungen durch eine Verringerung der Sintertemperatur erreicht werden. Somit lässt sich auch eine Kostenreduktion durch eine Verringerung der Sinterzeit erreichen. Auch die Verwendung von nicht fließenden beziehungsweise schlecht fließenden Pulvern mündet in einer Kostenreduktion. Es kann somit mittels der vorgestellten Pulverauftragsvorrichtung erreicht werden, dass ein Pulverauftrag im Binder-Jetting auch mit nicht fließenden feinen und/oder spratzigen (beispielsweise wasserverdüsten) Partikeln möglich ist. Zudem ist es aufgrund der vorgestellten Pulverauftragsvorrichtung möglich, konventionelle Rakelsysteme auch bei feinerem Ausgangsmaterial einzusetzen, ohne dass dabei die Qualität des Herstellungsprozesses oder des hergestellten Gegenstandes sich gravierend verringert.
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In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Binder-Jetting-Vorrichtung zur Fertigung von 3D-gedruckten Objekten bereitgestellt wird, welche zumindest eine Pulverauftragsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 9 umfasst. Die zuvor genannten Vorteile gelten, soweit übertragbar, auch für die vorgestellte Binder-Jetting-Vorrichtung.
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Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
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So ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Luftdruckvorrichtung mittels einer Steuereinheit steuerbar vorgesehen ist, so dass in Abhängigkeit einer sich einstellenden negativen Druckdifferenz in Bezug auf einen aktuellen Umgebungsdruck und/oder einer sich aufgrund von Teilbereichen der Siebvorrichtung bereits gelösten Pulvermengen einstellenden Druckdifferenz ein definierter Luftdruck gezielt auf zumindest einen Teilbereich der Außenseite der Siebvorrichtung lenkbar ist, so dass eine definierte Menge von aufgenommenem Pulver von der Außenseite der Siebvorrichtung lösbar ist. Somit kann eine besonders feine und benutzerdefinierte Bereitstellung von Pulver in das Pulverbett gewährleistet werden, wobei dies unabhängig von einer Ausgangsqualität und eines Zustandes des Pulvers gewährleistbar ist. Pulver, welches aufgrund des anliegenden Unterdrucks auch in mehreren Lagen übereinander anliegen kann, verändert kontinuierlich die anfangs eingestellte Druckdifferenz. Ebenfalls verändern Teilbereiche der Siebvorrichtung, von welchen bereits mittels Luftdruckvorrichtung Pulver gelöst wurde, die anfangs eingestellte Druckdifferenz. Auf diese Umstände kann die Steuereinheit entsprechend reagieren. Die Steuereinheit kann mittels dafür ausgelegter Sensorelemente koppelbar vorgesehen sein, so dass gemessene, sich einstellende aktuelle Umstände sich entsprechend für die Steuerung der Luftdruckvorrichtung nutzen lassen.
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Auch ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der Pulvervorratsbehälter relativ zu dem Grundkörpergerüst anordenbar ist, so dass ein zum definierten Auslassen des Pulvers vorgesehener Öffnungsbereich des Pulvervorratsbehälters im Wesentlichen über zumindest einem Teilbereich der Siebvorrichtung vorgesehen ist oder wobei der Pulvervorratsbehälter relativ zu dem Grundkörpergerüst anordenbar ist, so dass ein zum definierten Auslassen des Pulvers vorgesehener Öffnungsbereich des Pulvervorratsbehälters im Wesentlichen seitlich von zumindest einem Teilbereich der Siebvorrichtung vorgesehen ist. Eine Anordnung von oben ist deswegen vorteilhaft, da somit das Schwerkraftprinzip beim Auslassen entsprechend unterstützend eingesetzt werden kann. Eine Anordnung von der Seite ist deswegen vorteilhaft, da somit ein größerer Teilbereich der Außenseite der Siebvorrichtung gleichzeitig mit Pulver versorgbar ist. Dies resultiert somit in einer größeren und gleichmäßigeren Aufnahme von Pulver auf den zumindest einen Teilbereich der Außenseite, woraus entsprechend auch eine gleichmäßigere Bereitstellung von Pulver für das Pulverbett resultiert.
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Zudem ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass Sieblöcher der Siebvorrichtung eine Größe von einheitlich 10 µm oder von einheitlich 5 µm oder in einem Intervall zwischen 5 bis 10 µm vorgesehen sind. Die zuvor genannten Vorteile sind somit noch besser umsetzbar.
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Ferner ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Antriebseinheit stufenlos elektrisch betreibbar vorgesehen ist. Somit kann eine besonders definierte Aufnahme von Pulver gewährleistet werden, wobei aufgrund der stufenlosen Vorgehensweise insbesondere dynamisch sich einstellenden und nicht vorhersehbaren Zuständen besser begegnet werden kann. Somit kann ein zuverlässiger Herstellungsprozess mittels der vorgestellten Pulverauftragsvorrichtung begünstigt werden.
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Auch ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass eine Außengeometrie der jeweiligen Seitenflächen des Grundkörpergerüsts im Wesentlichen rund oder sechseckig oder achteckig vorgesehen ist. Die Auswahl der Außengeometrie kann je nach Einsatzzweck ausgewählt werden. Dabei ist insbesondere die reversible Anordnung der Siebvorrichtung hilfreich. So kann für eine runde Ausführungsform lediglich eine entsprechend dafür gerollte Siebvorrichtung ausreichen. Bei einer beispielsweise sechseckigen Form können mehrere Siebvorrichtungen vorgesehen sein, wobei je dabei sich einstellender Fläche etwa jeweils eine Siebvorrichtung vorgesehen ist. Auch können bei mehreren eingesetzten Siebvorrichtungen jeweils unterschiedlich ausgeprägte Siebvorrichtungen, etwa bezogen auf eine Sieblochgröße, vorgesehen werden.
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Zudem ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der zumindest eine Teilbereich der Außenseite der Siebvorrichtung einen aktuell nach unten in Richtung des Pulverbetts ausgerichteter Teilbereich ist, welcher maximal ein Drittel der Gesamtfläche der Außenseite der Siebvorrichtung umfasst, insbesondere maximal ein Achtel der Gesamtfläche der Außenseite der Siebvorrichtung umfasst. Je nach Anwendungszweck und dafür vorgesehenem Binder-Jetting-Verfahren ist somit eine besonders gut einstellbare Pulverauftragsvorrichtung bereitstellbar, so dass solch eine Vorrichtung besonders zuverlässig und unabhängig von einer Ausgangsqualität des Pulvers betreibbar ist.
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Auch ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das aus dem Pulvervorratsbehälter austretende Pulver in wasserverdüster Form vorliegt und/oder das aus dem Pulvervorratsbehälter austretende Pulver eine Größe von einheitlich 10 µm oder von einheitlich 5 µm oder in einem Intervall zwischen 5 bis 10 µm oder von maximal 100 µm aufweist. Die zuvor genannten Vorteile sind somit noch besser umsetzbar.
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Schlussendlich ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass eine Walzvorrichtung vorgesehen ist, welche ausgelegt ist, gelöstes und dem Pulverbett definiert zugeführtes Pulver in wenigstens einem Teilbereich des Pulverbetts zu verfestigen, und wobei die Luftdruckvorrichtung entweder zumindest teilweise in dem Innenvolumen mit wenigstens einer auf zumindest einen Teilbereich einer Innenwandseite der Siebvorrichtung ausgerichteten Luftdruckdüse angeordnet ist, so dass von zumindest einem Teilbereich der Außenseite der Siebvorrichtung benutzerdefiniert Pulver lösbar und einem Pulverbett definiert zuführbar ist, oder wobei die Luftdruckvorrichtung seitlich von dem Grundkörpergerüst mit wenigstens einer auf zumindest einen Teilbereich der Außenseite der Siebvorrichtung ausgerichteten Luftdruckdüse angeordnet ist, so dass von zumindest einem Teilbereich der Außenseite der Siebvorrichtung benutzerdefiniert Pulver lösbar und einem Pulverbett definiert zuführbar ist. Somit kann noch besser unabhängig von einer Ausgangsqualität des Pulvers ein zuverlässiger Produktionsprozess eines entsprechenden Binder-Jetting-Verfahrens mittels der vorgestellten Pulverauftragsvorrichtung vorteilhaft unterstützt werden. Eine im Innenvolumen angeordnete Luftdruckvorrichtung führt somit zu einer besonders kompakten und somit flexibel einsetzbaren Pulverauftragsvorrichtung. Eine seitlich angeordnete Luftdruckvorrichtung trägt dazu bei, dass die vorgestellte Luftdruckvorrichtung besonders leicht gewartet werden kann.
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Die vorgestellte Pulverauftragsvorrichtung kann bei der Herstellung von jedweden Binder-Jetting-Produkten eingesetzt werden. Insbesondere ist dabei ein Einsatz bei Kleinserien sowie bei Prozessen mit einer hohen Individualisierung vorstellbar. Zudem ist die vorgestellte Pulverauftragsvorrichtung insbesondere für einen hochindividuellen Einsatzbereich gedacht. Neben einem Einsatz innerhalb der Fahrzeugindustrie für entsprechende Baugruppen und Bauteile ist eine Anwendung in der Medizintechnik, insbesondere im Bereich der Implantate, vorstellbar. Auch ein Einsatz in der Luftfahrtindustrie ist vorstellbar.
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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 schematische Darstellung einer Pulverauftragsvorrichtung für Binder-Jetting-Verfahren;
- 2 eine schematische Darstellung einer Binder-Jetting-Vorrichtung zur Fertigung von 3D-gedruckten Objekten.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Pulverauftragsvorrichtung 10 für Binder-Jetting-Verfahren. Dabei ist die Pulverauftragsvorrichtung 10 mit einem Pulvervorratsbehälter 12 und einem zylinderförmigen und mittels einer Antriebseinheit 14 um eine Längsachse drehbaren Grundkörpergerüst 16 mit einer auf der Außenseite reversibel angeordneten Siebvorrichtung 18 dargestellt. An einem Innenvolumen 20, welches von jeweiligen Seitenflächen 22, 24 des Grundkörpergerüsts 16 und mittels der Siebvorrichtung 18 begrenzt ist, ist mittels einer Unterdruckvorrichtung 26 ein Unterdruck anlegbar, so dass austretendes Pulver 28 aus dem Pulvervorratsbehälter 12 auf einer Außenseite der Siebvorrichtung 18 aufnehmbar ist, wobei aufgenommenes Pulver 28 mittels einer Luftdruckvorrichtung 30 von zumindest einem Teilbereich der Außenseite der Siebvorrichtung 18 benutzerdefiniert lösbar ist, so dass gelöstes Pulver 28 einem Pulverbett 32 definiert zuführbar ist.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Binder-Jetting-Vorrichtung 34 zur Fertigung von 3D-gedruckten Objekten, wobei diese Binder-Jetting-Vorrichtung 34 mit einer Pulverauftragsvorrichtung 10 gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 dargestellt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Pulverauftragsvorrichtung
- 12
- Pulvervorratsbehälter
- 14
- Antriebseinheit
- 16
- Grundkörpergerüst
- 18
- Siebvorrichtung
- 20
- Innenvolumen
- 22
- erste Seitenfläche
- 24
- zweite Seitenfläche
- 26
- Unterdruckvorrichtung
- 28
- Pulver
- 30
- Luftdruckvorrichtung
- 32
- Pulverbett
- 34
- Binder-Jetting-Vorrichtung
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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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- US 2016/0158843 A1 [0003]
- WO 2018/059833 A1 [0004]
