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Die Erfindung betrifft einen Druckkopf für einen 3D-Drucker, der zum Drucken von Metallen geeignet ist und ein Verfahren zum Betreiben und/oder zur Inbetriebnahme eines Druckkopfes.
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Stand der Technik
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Ein 3D-Drucker für ein thermoplastisches Material erhält eine feste Phase dieses Materials als Ausgangsmaterial, erzeugt daraus eine flüssige Phase und bringt diese flüssige Phase selektiv an den Stellen, die zu dem zu erzeugenden Objekt gehören, auf. Ein solcher 3D-Drucker umfasst einen Druckkopf, in den das Ausgangsmaterial geschmolzen wird. Weiterhin sind Mittel zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Druckkopf und der Arbeitsfläche, auf der das Objekt entstehen soll, vorgesehen. Dabei können entweder nur der Druckkopf, nur die Arbeitsfläche oder aber sowohl der Druckkopf als auch die Arbeitsfläche bewegt werden.
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Der Druckkopf hat einen ersten Betriebszustand, in dem flüssiges Material aus ihm austritt, und einen zweiten Betriebszustand, in dem kein flüssiges Material aus ihm austritt. Der zweite Betriebszustand wird beispielsweise dann eingenommen, wenn eine andere Position auf der Arbeitsfläche angefahren werden und auf dem Weg dorthin kein Material deponiert werden soll. Zwischen den beiden Betriebszuständen des Druckkopfes kann beispielsweise umgeschaltet werden, indem der Vortrieb des festen Ausgangsmaterials ein- bzw. ausgeschaltet wird.
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Gegenüber thermoplastischen Kunststoffen haben Metalle einen wesentlich höheren Schmelzpunkt und zugleich im flüssigen Zustand eine wesentlich geringere Viskosität.
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3D-Metalldrucker, insbesondere Drop-on-Demand-Drucker, wie beispielsweise in der Offenlegungsschrift
DE 10 2016 224 047 A1 offenbart, sind für Industrieanwendungen interessant, müssen jedoch unter anderem folgenden Anforderungen gerecht werden:
- • Gewährleistung eines dauerhaften Betriebs,
- • Reproduzierbarkeit der Tropfen, bzw. des Aufbaus des Bauteils,
- • Energieeffizienz bezüglich der Erschmelzung und der Bauteilerstellung,
- • Einhalten von geringen Nebenzeiten z.B. zur Inbetriebnahme und beim Abschalten und
- • Austausch von Verschleißteilen.
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Problematisch kann es werden, wenn ein Kolben des Druckkopfes während des Erstarrens und des Wiederaufschmelzens in der Schmelze, bzw. im Bereich einer Düse des Druckkopfes verbleibt. Dadurch kann es passieren, dass sich die Schmelze an Stellen zwischen dem Kolben und dem Druckkopf ausdehnt, die dafür sorgen, dass ungleiche Spannungen an den Druckkopfkomponenten auftreten, wodurch diese ggf. beschädigt, oder im schlimmsten Falle zerstört werden könnten.
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Die Aufgabe ist einen Druckkopf zur Verfügung zu stellen, der einer Beschädigung durch das Schmelzen und Erstarren der Schmelze standhält.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe wird durch den erfindungsgemäßen Druckkopf mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und dem Verfahren zum Betreiben und/oder zur Inbetriebnahme des Druckkopfs erfüllt.
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Der erfindungsgemäße Druckkopf für einen 3D-Drucker, insbesondere Metalldrucker, umfasst ein Gehäuse, eine Vorrichtung zur Zuführung eines Metalls, einen Kolben, ein Reservoir mit einer Austrittsöffnung und eine Aktorvorrichtung zur Verschiebung des Kolbens, wobei das Reservoir einen Schmelzbereich und einen Verdrängerraum für eine flüssige Phase des Metalls aufweist, wobei der Schmelzbereich an einer inerten Atmosphäre angrenzt und mit dem Verdrängerraum derart verbunden ist, dass durch die Verschiebung des Kolbens die flüssige Phase des Metalls zum Durchtritt durch die Austrittsöffnung anregbar ist. Ferner ist das Gehäuse mehrteilig ausgebildet, wobei es zumindest einen Kühlflansch, eine Isolierplatte und das Reservoir umfasst. Erfindungsgemäß weist der Druckkopf eine Verschiebevorrichtung zum Ein- und Ausfahren des Kolbens in oder aus dem Reservoir auf, wobei die Verschiebevorrichtung eine Arretiervorrichtung umfasst.
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In einer Weiterbildung weist die Arretiervorrichtung eine Aktivierungsvorrichtung mit einer Verriegelung auf.
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In einer Weiterbildung ist die Aktivierungsvorrichtung pneumatisch ausgeführt.
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Die Verschiebevorrichtung ist in vorteilhafter Weise in den Druckkopf installiert und erfüllt die Funktion einer Kolbenaushebefunktion. Erst wenn das Druckmaterial aufgeschmolzen ist, wird der Stempel in das flüssige Metall eingefahren. Nach Beendung des Druckprozesses wird der Stempel aus dem Reservoir, bzw. dem Tiegel ausgefahren. Erst danach darf das Material erstarren.
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Durch die pneumatische Aktivierungsvorrichtung, die bevorzugt als Klemm-/ Lösevorrichtung ausgeführt ist, ist es in vorteilhafter Weise möglich den Aktor, bzw. das Aktormodul auf einer definierten Position vor Druckbeginn zu positionieren und nach dem Drucken diese Position wieder zu lösen und den Aktor für den Rückzug frei zu geben.
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Die pneumatische Klemm-/ Lösevorrichtung überträgt dabei in vorteilhafter Weise dauerhaft eine Klemmkraft, welche das Gehäuse des Aktors auch während eines Hubvorganges des Aktorstempels auf einer Position fixiert.
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Die benötigte Klemmenergie, in Form eines pneumatischen Druckes, ist in vorteilhafter Weise durch geeignete Ventilblöcke regel-/steuerbar.
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Der Schmelzbereich grenzt in vorteilhafter Weise an eine inerte Atmosphäre an. Dadurch wird sichergestellt, dass der Druck auf der Schmelze nahezu konstant ist, so dass dieser keine Auswirkung auf die Druckqualität hat. Ferner sorgt die inerte Atmosphäre dafür, dass keine ungewünschte chemische Reaktion im Reservoir stattfindet. Beispielsweise kann die inerte Atmosphäre aus Stickstoff oder einem anderen Inertgas gebildet sein.
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Das Reservoir weist in vorteilhafter Weise den Schmelzbereich zum Schmelzen des Metalls, wobei dieser an der inerten Atmosphäre angrenzt und zusätzlich den Verdrängerraum auf. Dadurch ist es möglich den Schmelzvorgang räumlich von dem Verdränger-, bzw. Druckvorgang zu trennen, wodurch die Reproduzierbarkeit der Tropfen, bzw. eines Bauteils verbessert wird. Dabei ist in vorteilhafter Weise die im Verdrängerraum vorhandene flüssige Phase des Metalls durch die Verschiebung des Kolbens zum Durchtritt durch die Austrittsöffnung anregbar. Der Kolben liegt dabei vorteilhaft direkt auf der Schmelze auf, wodurch die Genauigkeit des Druckens weiter zunimmt, da die Schmelze nahezu inkompressibel ist. Die Schmelze, bzw. flüssige Phase des Metalls gelangt entweder über Schweredruck oder über eine Kombination des Schweredrucks und des Atmosphärendrucks des Inertgases vom Schmelzbereich in den Verdrängerraum. Die Austrittsöffnung entspricht einer Düse und ist je nach Aufbau des Reservoirs austauschbar.
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Das Gehäuse ist in vorteilhafter Weise mehrteilig ausgebildet, wodurch ein geeignetes Temperaturmanagement und durch den Einsatz von verschiedenen Materialien ein dauerhafter Betrieb gewährleistet ist. Durch die mehrteilige Ausführung ist zudem ein modularer Aufbau gegeben, der einen bedarfsgerechten Austausch der Komponenten erlaubt. Zusätzlich ist der Druckkopf durch das mehrteilige Gehäuse derart ausgeführt, dass die unterschiedlichen Funktionen auch durch unterschiedliche Bauteile ausgeführt sind.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 Ein Beispiel eines Druckkopfes nach Stand der Technik und
- 2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Druckkopfes.
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Ausführungsbeispiele
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1 zeigt ein Beispiel eines bekannten Druckkopfes 1 für einen 3D-Drucker, insbesondere Metalldrucker.
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Der Druckkopf 1 umfasst ein Gehäuse 3, eine Vorrichtung 28 zur Zuführung eines Metalls 14 in fester Phase, einen Kolben 5, ein Reservoir 7, 27 mit einer Austrittsöffnung 10 und eine Aktorvorrichtung 12 zur Verschiebung des Kolbens. Das Reservoir 7, 27 weist einen Schmelzbereich 20 und einen Verdrängerraum 21 für eine flüssige Phase 8 des Metalls 14 auf, wobei der Schmelzbereich 20 an einer inerten Atmosphäre 22 angrenzt und mit dem Verdrängerraum 21 derart verbunden ist, dass durch die Verschiebung des Kolbens 5 die flüssige Phase 8 des Metalls 14 zum Durchtritt durch die Austrittsöffnung 10 anregbar ist. Die flüssige Phase 8 des Metalls 14 wird auch als Schmelze 8 bezeichnet und die inerte Atmosphäre 22 ist durch Einleitung eines Inertgases 22 in das Reservoir 7, 27 gebildet. Die Einleitung des Inertgases 22 findet bevorzugt über einen kalten Bereich des Druckkopfes 1 in das Reservoir 7, 27 statt.
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Das Gehäuse 3 ist mehrteilig ausgebildet, wobei es zumindest einen Kühlflansch 25, eine Isolierplatte 26 und das Reservoir 7, 27 umfasst.
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Der Kolben 5 ist mehrteilig ausgebildet, wobei er zumindest eine Kolbenstange 17 aus einem metallischen Werkstoff und einen Stempel 18 aus Keramik umfasst. Die Kolbenstange 17 ragt ausgehend von der Aktorvorrichtung 12 durch den Kühlflansch 25 und der Isolierplatte 26 bis in das Reservoir 7, 27 hinein, wo sie in den Stempel 18 übergeht.
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Der Kühlflansch 25 weist eine Ausnehmung 30 zur Aufnahme der Aktorvorrichtung 12, die als piezoelektrischer Aktor 12 ausgebildet ist, auf. Der piezoelektrische Aktor 12 ist während des Betriebs in der Ausnehmung 30 derart fixiert, dass er bei Anliegen einer Spannung einen Arbeitshub auf den Kolben 5, speziell auf die Kolbenstange 17 des Kolbens, ausübt. Die Kolbenstange 17 überträgt den Arbeitshub auf den Stempel 18, so dass dieser die flüssige Phase 8 des Metalls 14 zum Durchtritt durch die Austrittsöffnung 10 anregt. Der Kolben 5 ist ohne Aktuierung des Aktors 12 durch eine Feder 13 in eine Ausgangsstellung rückstellbar, wobei die Feder 13 in der Ausnehmung 30 des Kühlflanschs 25 zwischen einem Absatz 24 und dem Aktor 12 angeordnet ist. Die Feder 13 ist als Tellerfeder ausgebildet.
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Ferner weist der Kühlflansch 25 Kühlkanäle 31 zur Kühlung auf. Die Kühlkanäle 31 sind zwischen dem Kühlflansch 25 und der Isolierplatte 26 angeordnet und werden mit einem Kühlmedium durchspült. Dies dient als Kühlung gegenüber der Erwärmung durch die Schmelze 8 und zum Kühlen des Aktors 12 im Betrieb. Der Kühlflansch 25 ist aus einem metallischen Werkstoff gebildet.
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Die an dem Kühlflansch 25 auf Seiten der Kühlkanäle 31 anliegende Isolierplatte 26 ist aus einem wärmeisolierenden Material gebildet und derart ausgebildet, dass sie einen Wärmeübergang vom Reservoir 7, 27 zum Kühlflansch 25 vermindert.
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Die Vorrichtung 28 zur Zuführung des Metalls 14 mündet in das Reservoir 7, 27 und ist in dem Kühlflansch 25 und der Isolierplatte 26 angeordnet. Die Vorrichtung 28 ragt durch den Kühlflansch 25 und der Isolierplatte 26 hindurch und das Metall 14, bzw. das zu druckende Material 14 ist von außen durch die Vorrichtung 28 zuführbar. Bevorzugt können vordosierte Materialstücke, bzw. Pellets verwendet werden. Am Übergang der Isolierplatte 26 zum Reservoir 7, 27 befindet sich eine Öffnung 29 durch die das Material 14 in das Reservoir 7, 27 gelangt. Die Öffnung 29 ist durch eine Vorrichtung 32 verschließbar, so dass diese bevorzugt nur bei Zuführung des Materials 14 geöffnet ist, wodurch die Strahlungsenergie vom Reservoir 7, 27 auf die Vorrichtung 28 zur Zuführung des Metalls 14 reduziert wird.
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Das Reservoir 7, 27 ist als Schmelztiegel 27 ausgebildet, wobei außerhalb des Schmelztiegels 27 ein Induktor 33 und innerhalb des Schmelztiegels ein Sensor 34, insbesondere ein Temperatursensor, angeordnet sind. Zwischen dem Schmelztiegel 27 und dem Induktor 33, bzw. der Induktor Spule 33 kann sich optional noch ein nicht dargestellter Isolator befinden.
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Das Metall 14 gelangt in einer festen Phase 14 in den Schmelzbereich 20 des Schmelztiegels und wird durch den Induktor 33 erhitzt, bis es in eine flüssige Phase 8 übergeht. Bei Erreichen einer gewünschten Prozesstemperatur der Schmelze 8, die durch den Temperatursensor 34 ermittelt wird, kann der Druckkopf 1 den Betrieb aufnehmen. Die flüssige Phase 8, bzw. die Schmelze 8 gelangt durch Schweredruck der Schmelze 8 oder durch eine Kombination aus Schweredruck und Atmosphärendruck des Inertgases 22 am Stempel 18 vorbei in den Verdrängerraum 21. Der Stempel 18 des Kolbens 5 ist mit einer Druckseite 19 in der Schmelze 8, bzw. von Schmelze 8 umgeben und an der Verbindungsseite zur Kolbenstange 17 in der inerten Atmosphäre 22, bzw. von der inerten Atmosphäre 22 umgeben. Die Kolbenstange 17 kommt prozessbedingt nicht mit der Schmelze 8 in Berührung.
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Die Keramik des Stempels 18 ist vorteilhafterweise sehr gut temperaturleitend, um die durch den Induktor 33 erzeugte Wärme gut in den Verdrängerraum 21 übertragen zu können.
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Bei Aktuierung des piezoelektrischen Aktors 12 übt die Druckseite 19 des Stempels 18 einen Druck auf die Schmelze 8 im Verdrängerraum 21 in Richtung der Austrittsöffnung 10 aus und sorgt für einen Ausstoß eines Tropfens 15 durch die Austrittsöffnung 10 des Reservoirs 7, 27, bzw. des Verdrängerraums 21. Die Austrittsöffnung 10 ist für den Ausstoß von Tropfen 15 der flüssigen Phase 8 des Metalls 14 ausgebildet, wobei die Austrittsöffnung 10 die Form einer Düse 10 aufweist und fest mit dem Schmelztiegel 27 verbunden sein kann, oder wie in dem Ausführungsbeispiel gezeigt, einen wechselbaren Einsatz 11 aufweist, der den Einsatz von unterschiedlichen Düsengeometrien erlaubt. Dieser wechselbare Einsatz 11 wird auch als Hülse 11, bzw. Führungshülse 11 des Kolbens bezeichnet.
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2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Druckkopfes 1, wobei der Druckkopf 1 eine Verschiebevorrichtung 40 zum Ein- und Ausfahren des Kolbens 5 in oder aus dem Reservoir 7, 27 aufweist und die Verschiebevorrichtung 40 druckgesteuert ausgeführt ist.
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Die Verschiebevorrichtung 40 weist eine Aktivierungsvorrichtung 51 mit einer Verriegelung 52, sowie einen Stift 43 und eine Druckluftanbindung 45 auf. Der Aktor 12 ist zwischen einem Kolbenmodul 44 und dem Kolben 5, bzw. der Kolbenstange 17 angeordnet.
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Ferner umfasst die Verschiebevorrichtung 40 eine Arretiervorrichtung 50, wobei die Arretiervorrichtung 50 eine Aktivierungsvorrichtung 51 mit einer Verriegelung 52 umfasst. Die Aktivierungsvorrichtung 51 ist bevorzugt pneumatisch ausgeführt.
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Im Betrieb werden Tröpfchen 15 durch den Aktor 12, welcher einen Überdruck im Verdrängerraum 21, bzw. Kompressionsraum 21 erzeugt, durch die Austrittsöffnung 10, bzw. Düse 10 gedrückt. Hierbei muss eine hohe Oberflächenspannung des flüssigen Metalls 8, bzw. der Metallschmelze 8 überwunden werden. Die Verdrängung der Metallschmelze 8 in Richtung des Reservoirs 27, bzw. des Schmelztiegels ist als Verlust zu werten, so dass eine Auslegung eines Ringspaltes zwischen dem Stempel 18 und der Hülse 11 so erfolgen muss, dass der Anteil der durch den Ringspalt verdrängten Schmelze 8 am Gesamtwert des durch einen Aktorhub verdrängten Volumens minimal ist. Bleibt der Kolben 5 während des Erstarrens und des Aufschmelzens in diesem engen Ringspalt, dehnt sich das Material 8 im Bereich an denen der Spalt groß ist stark und in Bereichen an denen der Spalt eng ist geringer aus. Dadurch entstehen ungleiche Spannungen, welche zum Bruch führen können. Aus diesem Grund ist es förderlich den Kolben 5, bzw. den Stempel 18 nach beendigen des Druckvorgangs aus der Schmelze 8 zu befördern.
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Damit der Aktor 12, bzw. das Aktormodul nachdem das Metall 8 wieder erschmelzt ist und vor Beginn des Druckvorgangs, wieder an seine definierte Position platziert und fixiert werden kann, ist eine geeignete Klemm-/ Lösevorrichtung 50, wie in 2 gezeigt, notwendig.
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Während des Druckvorganges überträgt die Aktivierungsvorrichtung 51, die als pneumatischer Zylinder ausgeführt ist, eine Kraft auf die Verriegelung 52, die als Fixierstift ausgeführt ist, welche ein Gehäuse des Aktormoduls 12 positioniert und fixiert. Diese Kraft muss ausreichend groß sein, dass sich das Aktormodul 12 im Betrieb, selbst bei hohen Aktuierungskräften, nicht bewegt und den vorgegeben Hub des Kolbens 5 nicht abdämpft. Nach Beendigung des Druckvorgangs wird der pneumatische Zylinder 52 zurückgezogen und gibt das Aktormodul 12 frei für den Rückzug aus der Metallschmelze 8.
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Wenn der Stempel 18 aus dem Reservoir 7, 27 gezogen werden soll, um die beschriebenen Vorteile des Leerfahrens und Ausfahrens vor der Erstarrung der Schmelze 8 zu ermöglichen, wird der Kolben 5 hochgefahren. Dazu wird die Verriegelung 52 gelöst bzw. zurückgefahren. Anschließend wird der Stempel 18 durch das Erzeugen eines Überdrucks durch die Druckluftanbindung 45 an einer Stelle unter dem Aktor 12 nach oben gedrückt. Der Weg des Kolbens 5 wird durch den Stift 43 begrenzt, der in einer Nut 46 des Kolbenmoduls 44 verfahren werden kann. So wird verhindert, dass der Kolben 5 aus dem Gehäuse 3 herausbewegt wird und dadurch wird die richtige Position für die Verrieglung 52 sichergestellt. Das Einfahren des Kolbenmoduls 44 erfolgt in umgekehrter Reihenfolge. Der Stift 43, bzw. Fixierstift wird zurückgezogen. Danach wir das Kolbenmodul 44 wieder eingefahren, wobei dies auf verschiedenen Arten geschehen kann, beispielsweise von Hand, durch Schwerkraft oder durch eine Feder an der oberen Position des Kolbenmoduls 44. In dieser Ausführung wird das Einfahren durch Erzeugung eines Unterdrucks unter dem Aktor 12 erreicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016224047 A1 [0005]
