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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verbinden zweier Materialien miteinander mittels Hartlöten oder Widerstandsschweißen, wobei die Vorrichtung mindestens zwei an Stromleiter angeschlossene Elektroden aufweist, von denen mindestens eine relativ zur anderen beweglich gestaltet ist, mit einem Kraftsteller, der über eine mechanische Federvorrichtung zur Realisierung eines Nachsetzweges mit der mindestens einen, beweglichen Elektrode in Verbindung steht.
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Es hat sich herausgestellt, dass sich bei Widerstandsschweiß-Vorgängen die Elektroden-Anpresskraft ganz entscheidend auf die Schweißqualität auswirkt. Dabei kann der Schweißvorgang in mehrere Abschnitte untergliedert werden:
- Vor Schweißbeginn werden die Schweißkomponenten über die Elektroden mit einer definierten Anpresskraft beaufschlagt. Dabei muss die Anpressgeschwindigkeit innerhalb eines bestimmten Intervalls liegen. Zudem darf die Aufsetzkraft die vorgegebene Anpresskraft nicht überschreiten. Diese Forderungen sind mit herkömmlichen pneumatischen Kraftstellern bereits schwer zu erfüllen.
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In der ersten Phase der Bestromung, die in der Regel kleiner als 5 ms ist, geht der schweißnahe Bereich der Sicke und/oder des Schweißbuckels, oder das zwischengelagerte Lot beim Hartlöten, in einen teigigen/weichen Zustand über. Die Anpresskraft wird dadurch geringer und damit auch die Kontaktfläche. Wegen der quadratisch reziproken Abhängigkeit der Temperatur von der Kontaktfläche ist jedoch eine konstante Anpresskraft für die stabile Fertigungsqualität entscheidend.
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Verkleinerungen der Kontaktfläche führen zu einer verstärkten Wärmeerzeugung, die im schlimmsten Fall in einer Schweißperlenbildung oder einem Schmelzeaustritt mündet. Bekannt sind auch Metallschädigungen, die durch Seigerung, Gefügeumwandlung, Rissbildung oder innere mechanische Spannungen entstehen.
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Beim ‚brazing‘ bzw. Hartlöten ist eine plötzliche Abnahme der Anpresskraft besonders gravierend. Der Hartlotstreifen dient als Engewiderstand im Strompfad. Dessen schnelles Erweichen führt zu einem Nachgeben des Lotmaterials und damit einer Reduzierung der Anpresskraft. Die kleinere Kontaktfläche verstärkt die Wärmeentwicklung. Hier muss die Kraft sofort nachgeregelt werden, was ein Nachsetzen der Elektroden erforderlich macht. Aber auch beim Schweißvorgang sind entsprechende Nachsetzvorgänge notwendig. Da die geschilderten Vorgänge der ersten Stromphase in wenigen Millisekunden ablaufen, können pneumatische Systeme diesen schnellen Kraftänderungen regelmäßig nicht folgen.
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Aus diesem Grunde werden bereits mechanische Federvorrichtungen vorgeschlagen, die Einbrüche in der Anpresskraft verhindern sollen.
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So zeigt zum Beispiel die
DE-AS1 299 975 das Nachsetzen von Elektroden durch das Vorsehen von Tellerfedern. Dabei wird für eine Buckelschweißmaschine eine Vorrichtung vorgeschlagen, die eine gleichmäßige Auflage der Elektrode über das gesamte Schweißgut ermöglicht.
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Da die erzeugte Temperatur während des Schweißens linear von den Materialeigenschaften wie spezifische Wärmekapazität, Dichte und spezifischer elektrischer Widerstand und quadratisch vom Strom und der Größe der Kontaktflächen abhängig ist, wird in der
DE 22 51 658 C3 bereits eine in ihrer Vorspannung einstellbare mechanische Federvorrichtung vorgeschlagen.
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Das Einstellen der Federpakete ist jedoch schwierig und zeitaufwendig, so dass für einen Wechsel der zu schweißenden Materialien eine lange Umrüstzeit notwendig ist, in der die Widerstandsschweiß- bzw. Hartlötmaschine stillsteht.
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Anstelle mechanischer Federvorrichtungen wird in der
DE 89 10 447 U1 ein Druckluftzylinder als zusätzlicher Speicher vorgeschlagen, mittels dessen möglichst gleicher Druck in der Schweißzone aufrechterhalten wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Verbinden zweier Materialien miteinander mittels Hartlöten oder Widerstandsschweißen derart weiterzubilden, dass für jeweils unterschiedlich zu verbindende Materialien und für jeden möglichen Verbindungsvorgang optimierte Federkennlinien für die mechanischen Federvorrichtungen vorgebbar sind und eine schnelle Umstellung beim Wechsel der zu verbindenden Materialien möglich ist.
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Dazu wird vorgeschlagen, dass die mechanische Federvorrichtung eine für einen bestimmten Hartlöt- bzw. Widerstandsschweißvorgang spezifische Federkennlinie aufweist, dass die mechanische Federvorrichtung für weitere bzw. andere bestimmte Hartlöt- bzw. Widerstandsschweißvorgänge gegen mechanische Federvorrichtungen mit den weiteren bzw. anderen Hartlöt- bzw. Widerstandsschweiß- vorgängen spezifisch angepassten Federkennlinien austauschbar ist, dass die Federvorrichtungen über Schnellverbindungen aus der Vorrichtung lösbar und mit der Vorrichtung verbindbar sind, und dass die jeweils unterschiedliche Federkennlinien aufweisenden Federvorrichtungen gleiche Schnellverbindungsmechaniken aufweisen.
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Dadurch wird einerseits erreicht, dass für den jeweils vorgesehenen Verbindungsvorgang mechanische Federvorrichtungen mit optimaler Federkennlinie zum Beispiel durch die Wahl der Schichtungen, der Anzahl der Federn, der Größe der Federn und deren Kennlinie eingestellt werden können. Weiterhin wird erreicht, dass während des Schweißvorgangs/Hartlötvorgangs mit einer für diesen spezifischen Federkennlinie, außerhalb des Schweißvorgangs eine weitere austauschbare mechanische Federvorrichtung für den nächsten geplanten Verbindungsprozess vorbereitet werden kann. Soll der nächste Verbindungsprozess eingeleitet werden, muss lediglich die bisher benutzte mechanische Federvorrichtung aus der Vorrichtung herausgenommen und gegen die bereits vorbereitete für den neuen Verbindungsvorgang optimierte mechanische Federvorrichtung über die für die Vorrichtung standardisierte Schnellverbindung ausgetauscht und in die Vorrichtung eingesetzt werden. Die Schweißkraft für das neue Produkt ist über Software am Kraftsteller problemlos vorgebbar. Damit sind äußerst kurze Rüstzeiten möglich. Die Vorrichtung zum Verbinden zweier Materialien kann damit fast ununterbrochen arbeiten. Dies ruft bei der Mehrfachnutzung einer investitionsintensiven Basisanlage für verschiedene Kleinlose einen wesentlichen Vorteil in den Rüstkosten hervor.
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Bemerkenswert ist, dass die jeweiligen unterschiedlichen Federkennlinien aufweisenden Federvorrichtungen gleiche Höhen, vorzugsweise gleich Außenabmessungen aufweisen.
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Die gleichen Höhen gewährleisten einen schnellen Wechselvorgang ohne zeitaufwändige Einstellung der Vorrichtung auf unterschiedlich große Federvorrichtungen. Gleiche Außenabmessungen der Federvorrichtungen reduzieren die Teilevielfalt, wodurch sich nicht nur Lager- und Kostenvorteile ergeben, sondern sich der Zusammenbau der Federvorrichtungen weniger aufwändig gestaltet.
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Vorteilhaft weist jede mechanische Federvorrichtung mindestens eine Tellerfeder, vorzugsweise mehrere seriell- und/oder parallelwirkende Tellerfedern auf.
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Durch die Wahl der Tellerfedern und deren ggf. Zusammenschaltung lässt sich optimal die Federkennlinie für einen bestimmten Verbindungsvorgang zusammenstellen.
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Nachahmenswert ist, dass eine maximale Komprimierung der Tellerfedern über Anschlagbolzen einstellbar ist und auf einen vorgebbaren, reproduzierbaren Bereich z.B. bei 70 - 80 % des Federwegs eingestellt ist und dass eine Vorspannung über eine Anschlagplatte einstellbar ist und auf einen vorgebbaren, reproduzierbaren Bereich z.B. bei 20 - 30 % des maximalen Federwegs eingestellt ist.
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Durch Anschlagbolzen und Anschlagplatte lässt sich die Federkennlinie, die beispielsweise in einem Bereich einer Wurzel aus drei Kennlinie liegen kann, feinjustieren.
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Bedeutsam ist, dass die Federvorrichtung aus einer mit dem Kraftsteller verbindbaren Oberschale besteht, die nach unten durch die Anschlagplatte abgeschlossen ist und dass in der Oberschale eine mit der beweglichen Elektrode verbindbare Unterschale beweglich angeordnet ist, wobei zwischen Oberschale und Unterschale die mindestens eine Tellerfeder angeordnet ist.
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Durch diese Merkmale ist gewährleistet, dass die mechanische Federvorrichtung schnell und einfach in die Vorrichtung ein- bzw. aus dieser ausgebaut werden kann. Für ein schnelles Umrüsten sollten die Schnellverbindungen zum Kraftsteller und zum Elektrodenhalter für alle Federvorrichtungen einer Vorrichtung bzw. Anlage gleich sein. Andernfalls könnte zur Not auch mit einem Zwischenadapter gearbeitet werden.
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Zweckmäßig ist, dass sich die Unterschale über Kugellager und/oder Gleitlager an der Oberschale oder der Anschlagplatte abstützt. Dadurch ist eine Leichtgängigkeit der mechanischen Federvorrichtung sowie eine möglichst weitgehende Verkantungsfreiheit sichergestellt.
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Alternativ zum Anschlagbolzen kann die Unterschale einen gegen die Oberschale fahrbaren Anschlag aufweisen.
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Nachahmenswert ist, dass die Federkennlinie der mechanischen Federvorrichtung durch Auswahl der Tellerfedern und/oder von Gleit- bzw. Unterlegscheiben zwischen Oberschale und Tellerfedern, Unterschale und Tellerfedern bzw. zwischen den Tellerfedern untereinander einstellbar ist.
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Durch das Vorsehen von Tellerfedern sowie Gleit- bzw. Unterlegscheiben, wobei die Tellerfedern in ihrer Stärke und die Gleit- bzw. Unterlegscheiben in ihrer Dicke variieren können, lässt sich bei vorzugsweise gleicher Außenabmessung die gewünschte Federkennlinie optimal einstellen. Durch die Dicken der Gleitscheiben kann die Gesamtlänge des Federpaketes in der Federvorrichtung eingestellt werden, ohne dabei die Federkennlinie verändernd zu beeinflussen.
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Zweckmäßig ist, dass die Anschlagplatte gegen die Oberschale anstellbar ist und dass die Federkennlinie durch die Anstellung justierbar ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen
- 1. ein Beispiel einer erfindungsgemäßen mechanischen Federvorrichtung,
- 2. eine mechanische Federvorrichtung mit Drehsicherung,
- 3. eine mechanische Federvorrichtung im unteren Anschlag,
- 4. eine mechanische Federvorrichtung im oberen Anschlag,
- 5. eine mechanische Federvorrichtung mit seriellen Tellerfedern,
- 6. eine mechanische Federvorrichtung mit parallelen Tellerfedern,
- 7. eine mechanische Federvorrichtung, bei dem Federn sowohl parallel als auch seriell angeordnet sind,
- 8. eine Federkennlinie der mechanischen Federvorrichtungen, und
- 9. eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
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In 1 ist eine mechanische Federvorrichtung 1 zu erkennen, die aus einer Unterschale 2 und einer Oberschale 3, zwischen den Tellerfedern 4 angeordnet sind, besteht. Die Tellerfedern 4 sind über Gleitscheiben voneinander getrennt. So liegen die untersten Tellerfedern auf einer unteren Gleitscheibe 5, während sich die obersten Tellerfedern an der oberen Gleitscheibe 6 abstützen. Zwischen den Tellerfedern 4 sind mittlere Gleitscheiben 7 angeordnet. Die Unterschale 2 liegt auf einer Anschlagplatte 8, die über ein Gewinde in der Oberschale 3 höhenverstellbar gelagert ist. Zur Drehsicherung der Anschlagplatte 8 dienen eine Madenschrauben 9.
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Damit die Tellerfedern 4 nicht zu stark komprimiert werden können, steht auf der Unterschale 2 ein mittels eines Gewindes justierbarer Anschlagbolzen 10 auf, der beim Anheben der Unterschale 2 und dem dabei erfolgenden Zusammendrücken der Tellerfedern 4 nach einem bestimmten Weg gegen die Oberschale 3 stößt und damit den Federweg der Tellerfedern 4 begrenzt.
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Um Verkantungen der Unterschale 2 in der Oberschale 3 zu verhindern, weist die Unterschale 3 an ihrem Rand eine Hülse 11 auf, die konzentrisch zu der die Tellerfedern 4 umgebenden Hülse der Oberschale 3 angeordnet ist. Zwischen der Hülse 11 und der Hülse der Oberschale 3 ist ein unteres Kugellager 12 sowie ein oberes Kugellager 13 angeordnet, wobei sich das untere Kugellager 12 auf einer unteren Abstandsbuchse 14 abstützt und durch eine Zwischenabstandsbuchse 15 vom oberen Kugellager 13 getrennt ist.
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Sowohl die Unterschale 2 als auch die Oberschale 3 weisen Schnellverbindungen 16 und 17 auf, über welche die Federvorrichtung 1 in der erfindungsgemäßen Vorrichtung gehalten werden kann.
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2 zeigt eine einfacher aufgebaute Federvorrichtung 1, bei der lediglich ein Kugellager 18, das auch als Gleitlager ausgebildet sein kann, die Führung zwischen der Anschlagplatte 8 der Oberschale 3 und Unterschale 2 übernimmt. Der 2 ist zusätzlich eine Drehsicherung 19 zu entnehmen, die ein ungewolltes Verdrehen der Unterschale 2 zur Oberschale 3 verhindert.
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Alternativ könnte eine an der Unterschale 2 oder dem Elektrodenhalter angebrachte axiale Verdrehsicherung, die an der Vorrichtung abgestützt ist, dienen.
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3 zeigt im Grunde die Federvorrichtung 1 nach 1, in welcher die Federvorrichtung 1 im unteren Anschlag dargestellt ist. Die Figur stellt im Grunde die Ruhelage im unbelasteten Zustand dar. Die Federvorrichtung ist entsprechend den für den Schweiß/Hartlötvorgang spezifischen Vorgaben vorgespannt. Bei Druckbeaufschlagung der Federvorrichtung beginnt nach Überschreiten der Vorspannkraft die elastische Komprimierung der Tellerfedern 4. Die Vorspannkraft wurde durch Drehen der Anschlagplatte 8 in einem Feingewinde der Oberschale 3 eingestellt.
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Beim Auftreten von Zugspannungen, z. B. beim Anheben des Elektrodenblocks, wird die externe Kraft über die Oberschale, die Anschlagplatte und die Unterschale geleitet, so dass selbst bei einem ungewollten Kleben der Elektroden am Schweißgut die Elektroden durch eine über die Federvorrichtung 1 übertragene Zugkraft angehoben werden können, ohne dass die geforderte Vorspannkraft der Tellerfedern unterschritten wird.
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4 zeigt die Federvorrichtung 1 im oberen Anschlag. Es handelt sich dabei um eine mechanische Begrenzung zum Schutz der Tellerfedern 4. Beim Aufliegen der Oberschale 3 auf dem Anschlagbolzen 10 ist die maximal zulässige Komprimierung der Tellerfedern erreicht. Der Hub zwischen unterem Anschlag und oberem Anschlag ist durch eine Justage des Anschlagbolzens 10 in der Unterschale 2 vorgebbar. Die Federkennlinie und die Gesamtlänge des in der Federvorrichtung aufgenommenen Federpaketes kann durch die Abmessung der Tellerfedern 4, durch die Anzahl und Konfiguration der Tellerfedern 4 und durch die Dicke der Gleitscheiben 5 bis 7 wunschgemäß angepasst werden.
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5 zeigt, wie die Tellerfedern 4 seriell verschachtelt angeordnet sein können. Dadurch ergibt sich bei z. B. gleicher Federkraft der doppelte Federweg. Die Vorspannkraft und Anschlagkraft entsprechen den Werten der Einzelfeder. Nur der Federweg zwischen Vorspannung und Anschlag verdoppelt sich. Bei vier seriellen Tellerfeder, wie in 1 dargestellt, ergibt sich der vierfache Federweg. Durch die Wahl der Dicke der Gleitscheiben können trotz unterschiedlicher Federkennlinie gleich Federblocklängen erreicht werden.
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6 zeigt eine Federvorrichtung 1 mit parallel verschachtelten Tellerfedern 4. Durch diese parallele Anordnung der Tellerfedern ergibt sich bei gleichem Federweg die doppelte Federkraft. Der Vorspannweg und der Anschlagweg entsprechen den Werten der Einzelfeder. Nur die Federkraft zwischen Vorspannkraft und Anschlagkraft verdoppelt sich. Würde noch eine dritte Tellerfeder parallel angeordnet, ergäbe sich eine dreifache Federkraft.
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7 zeigt vier Tellerfedern 4, wobei jeweils zwei der Tellerfedern parallel angeordnet sind und zu den beiden weiteren parallel angeordneten Tellerfedern 4 in Serie geschaltet sind.
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Um die Federkennlinie eines Tellerfederpakets zu bestimmen, erfolgt die Berechnung grundsätzlich für eine Einzelfeder. Wie oben beschrieben, können bei Parallelschaltung die Kräfte addiert und bei Serienschaltung die Wege addiert werden. Die mechanische Vorspannung liegt typisch bei 25 % des maximalen Federweges. Die maximal zulässige Komprimierung liegt bei 75 % des maximalen Federweges. Die Steifigkeit der Tellerfedern ist bei festgelegtem Federwerkstoff und Bearbeitungsverfahren durch den Außendurchmesser, den Innendurchmesser und die Materialdicke definiert. Die Kennlinienform wird durch die Prägungshöhe festgelegt. Diese entspricht auch dem maximalen Federweg. Da in der Anwendung eine degressive Kennlinienform entsprechend einer „Wurzel aus 3“-Kurve angebracht ist, wird rechnerisch die erforderliche Prägungshöhe ermittelt. Um eine hohe Anzahl an Gleitscheiben 5 bis 7 zu erhalten, werden für die gemäß Anforderung gewählten Tellerfedern 4 selektierte Gleitscheiben 5 - 7 verwendet. Die Kugellager, wie sie beispielsweise in 1 zu sehen sind, sichern einen reibungsfreien, kippfreien und definierten Abstand zwischen der Oberschale 3 und der Unterschale 2. Durch einen möglichst großen Abstand zwischen den Kugellagern 12 und 13, der durch die Zwischenabstandsbuchse 15 definiert wird, wird ein mögliches externes Kippmoment kompensiert.
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8 zeigt eine entsprechend einer „Wurzel aus 3“-geformten Federkennlinie 20, die den Federweg in mm über der Kraft in Newton angibt. Weiterhin ist in 7 der Hub des Kraftstellers zu erkennen. Beim Zusammenfahren der Elektroden erfolgt das Aufsetzen 21 der Elektrode auf das Schweißgut. Im Folgenden wird die Federvorrichtung 1 weiter mit Druck beaufschlagt, bis sie die Vorspannkraft 22 erreicht. Bei weiterem Aufbringen der Kraft über den Kraftsteller wird die Federvorrichtung 1 entlang der Federkennlinie gemäß Pfeil 23 komprimiert, bis sie die maximale Federkraft 24 erreicht hat. Wird noch weitere Kraft vom Kraftsteller aufgewandt, wird der Anschlag 25 bei dem der Anschlagbolzen 10 gegen die Oberschale 3 stößt erreicht. Durch eine weitere Erhöhung der Kraft mittels des Kraftstellers wird die Schweißkraft 26 eingestellt.
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Wird nun der Schweißvorgang eingeleitet, so kann, wie aus 8 ersichtlich, über einen verhältnismäßig großen Nachsetzweg 40 mit annähernd gleicher Anpresskraft der Elektrode gearbeitet werden. Damit ergeben sich je nach voreingestellter Federkennlinie 20 der Federvorrichtung 1optimale Schweiß- bzw. Hartlötbedingungen.
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9 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 27, bestehend aus einem C-förmig ausgebildeten Rahmen 28, an dessen oberem Schenkel der Kraftsteller 29 vorgesehen ist. Der Kraftsteller 29 kann über Druckluft, hydraulisch, elektrisch oder über Spindelantriebe angetrieben werden. In 9 weist der Kraftsteller 29 einen Zylinder 30 sowie einen Kolben 31 auf. Über eine Kolbenstange 32 ist der Kraftsteller 29 mit der Schnellverbindung 16 der Federvorrichtung 1 verbunden. Ein Elektrodenhalter 33 ist wiederum mit der Schnellverbindung 17 der Federvorrichtung 1 verbunden. Auf dem unteren Schenkel des Rahmens 28 der Vorrichtung 27 ist der Schweißelektrodenhalter 34 angeordnet. Die Elektrodenhalter 33 und 34 tragen die Schweißelektroden 35 und 36, zwischen denen sich das Schweißgut 37 befindet. Die Schweißelektroden 35 sind mit einem Stromleiter 38 und die Schweißelektroden 36 mit dem Stromleiter 39 verbunden.
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Links neben dem Rahmen 28 ist eine Steuervorrichtung 41 zu erkennen, über die die Schweißkraft mittels eines Druckreglers 42 einstellbar ist. Der Anpressdruck 43, der Anhebedruck 44, der Stellweg 45, der Federweg 46, die Temperatur 47 sowie Schweißspannung 48 und Schweißstrom 49 werden über Sensoren ermittelt und an die Datenerfassung 50 gegeben entsprechend geregelt, so dass für die entsprechende Schweißkraft über den Druckregler 42 und den entsprechenden Schweißstrom über einen Stromregler 51 bei optimal vorgegebener Federkennlinie 20 der Federvorrichtung 1 optimale Schweißverbindungen erreicht werden.
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Die diversen Sensoren dienen zur Dokumentation, zur Überwachung und Regelung des Schweißvorgangs. Die teilweise lediglich angedeuteten Drucksensoren, Temperatursensoren, Stromsensoren und Spannungssensoren dienen zur Gesamtüberwachung des Schweiß-/Hartlötvorgangs und des Anlagenzustandes.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Federvorrichtung
- 2
- Unterschale
- 3
- Oberschale
- 4
- Tellerfedern
- 5
- untere Gleitscheibe
- 6
- obere Gleitscheibe
- 7
- mittlere Gleitscheibe
- 8
- Anschlagplatte
- 9
- Madenschrauben
- 10
- Anschlagbolzen
- 11
- Hülse
- 12
- unteres Kugellager
- 13
- oberes Kugellager
- 14
- untere Abstandsbuchse
- 15
- Zwischenabstandsbuchse
- 16
- Schnellverbindung
- 17
- Schnellverbindung
- 18
- Kugellager
- 19
- Drehsicherung
- 20
- Federkennlinie
- 21
- Aufsitzposition
- 22
- Vorspannkraft
- 23
- Pfeil
- 24
- maximale Federkraft
- 25
- Anschlag
- 26
- Schweißkraft
- 27
- Vorrichtung
- 28
- Rahmen
- 29
- Kraftsteller
- 30
- Zylinder
- 31
- Kolben
- 32
- Kolbenstange
- 33
- Elektrodenhalter
- 34
- Elektrodenhalter
- 35
- Schweißelektrode
- 36
- Schweißelektrode
- 37
- Schweißgut
- 38
- Stromleiter
- 39
- Stromleiter
- 40
- Nachsetzweg
- 41
- Regelvorrichtung
- 42
- Druckregler
- 43
- Anpressdruck
- 44
- Anhebedruck
- 45
- Stellweg
- 46
- Federweg
- 47
- Temperatur
- 48
- Schweißspannung
- 49
- Schweißstrom
- 50
- Datenerfassung
- 51
- Stromregler
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 1299975 [0007]
- DE 2251658 C3 [0008]
- DE 8910447 U1 [0010]