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Die vorliegende Erfindung betrifft Strukturbauteile mit einer integrierten Crashstruktur und Verfahren zu ihrer Herstellung.
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Schaumkerne finden unter anderem als Verstärkungen in Hohlprofilen bzw. Hohlraumquerschnitten von faserverstärkten Kunststoffbauteilen sowie metallischen Profil- oder Blechbauteilen Verwendung. Zwar können mittels geeigneter Materialauswahl und Anpassung der Schaumdichte die Eigenschaften für den jeweiligen Verwendungsfall abgestimmt werden, jedoch ist diese Einstellung der Parameter nur in einem eingeschränkten Eigenschaftsfenster möglich, insbesondere was die Festigkeitswerte angeht.
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Aufgrund der eingeschränkten Eigenschaftsparameter von handelsüblichen Strukturschäumen ist die Übertragung von eingeleiteten Lasten nur bedingt über diese Schaumkörper möglich. Übersteigen die eingeleiteten Lasten die maximal erträglichen Druck- oder Zugspannungen, kollabiert der Schaumkern, der Querschnitt des Profils und die damit verbundene Funktion des Bauteils gehen verloren.
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Gegenwärtig existieren Verstärkungselemente, welche hauptsächlich in Hohlquerschnitten von faserverstärkten Kunststoffbauteilen Einsatz finden. Zur Erhöhung der Steifigkeit eines Schaumkerns sind diese jedoch weitestgehend unüblich bzw. nur durch separate Fertigung der Schaumkerne sowie der Crashverstärkung und anschließendes Fügen der Bauteile erhältlich. Angesichts des hohen Fertigungsaufwandes und der damit verbundenen Kosten werden üblicherweise nicht beide Aussteifungs-Maßnahmen (Verstärkungselement und Schaumkern) eingesetzt.
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Eine separate Fertigung der Schaumkerne sowie der Crashverstärkungselemente mit anschließendem Fügeprozess stellt eine kostenintensive Herstellungsmethode für aussteifende und festigkeitssteigernde Strukturbauteile dar. Der Nachteil dieser nachträglich zusammengefügten Schaumverstärkungen erweist sich vor allem bei Verwendung von Verstärkungselementen mit komplexer Geometrie als erheblich, da hierfür eine äußerst kostenintensive Fräsbearbeitung der Schaumkerne erforderlich wird.
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Aus der
DE 10 2005 024 265 A1 ist ein aus einem faserverstärkten Kunststoff bestehender Karosserieboden mit einem Mitteltunnel für einen Karosserie-Rahmen bekannt, der aus mindestens zwei Einzelböden besteht, wobei ein erster Boden in einer ersten Fahrzeugseite und ein zweiter Boden in einer zweiten Fahrzeugseite angeordnet ist und der Mitteltunnel mindestens eine Verstärkung aufweist, die durch eine Überlappung der Einzelböden ausgebildet wird.
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Die
DE 10 2004 045 867 A1 offenbart einen Kraftfahrzeug-Bodenquerträger, der sich von einem Seitenlängsträger ausgehend in Fahrzeugquerrichtung nach innen erstreckt. Der Bodenquerträger ist durch in Fahrzeugquerrichtung nacheinander und/oder in Fahrzeughochrichtung übereinander angeordnete und fest miteinander verbundene Kastenprofilsegmente mit in Fahrzeuglängsrichtung weisenden Profilwandungen gebildet.
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Die
DE 10 2011 089 158 A1 betrifft einen Aufbau für einen Personenkraftwagen mit einer eine Fahrgastzelle nach vorne hin begrenzenden Stirnwand, welche sich zwischen seitlichen Fahrzeugsäulen des Aufbaus erstreckt, wobei an einer Vorderseite der Stirnwand ein Trägerelement abgestützt ist, welches sich in Fahrzeugquerrichtung erstreckt und die Fahrzeugsäulen zumindest teilweise überdeckt, wobei wenigstens ein Stützelement vorgesehen ist, welches am Trägerelement, an einem Seitenschweller und an einem in Fahrzeugquerrichtung von dem Seitenschweller nach innen hin beabstandeten Tunnelelement des Aufbaus abgestützt ist.
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Aus der
DE 10 2011 089 173 A1 geht ein Aufbau für einen Personenkraftwagen hervor, mit einem Fahrzeugboden mit einem ersten Bodenflächenelement und wenigstens einem zweiten Bodenflächenelement, welche zumindest bereichsweise voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei die Bodenflächenelemente in Fahrzeughochrichtung unter Ausbildung eines Zwischenraums übereinander angeordnet sind, in welchem wenigstens ein Strukturbauteil des Aufbaus angeordnet ist.
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Die
DE 10 2011 089 164 A1 beschreibt eine Anordnung eines Sitzträgerrahmens an einem Fahrzeugboden für einen Personenkraftwagen, bei welcher der Sitzträgerrahmen zumindest zwei in Fahrzeuglängsrichtung voneinander beabstandete Sitzquerträger umfasst, die über wenigstens zwei in Fahrzeugquerrichtung voneinander beabstandete Rahmenlängselemente des Sitzträgerrahmens miteinander verbunden sind. Der Fahrzeugboden umfasst Bodenflächenelemente, die in Fahrzeughochrichtung unter Ausbildung eines Zwischenraums übereinander angeordnet sind, in dem der Sitzträgerrahmen angeordnet ist.
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Die
EP 1 090 829 A1 offenbart eine Anordnung zur Absorption von Aufprallenergie für Schienen- oder Straßenfahrzeuge, bei der ein Einbauteil mit einer ersten Endseite in einem Winkel an der Längsseite eines Profilbauteils befestigt ist und mit einer zweiten Endseite an eine dem Profilbauteil vorstehende Aufprallfläche gekoppelt ist. Die Aufprallfläche steht um ein Längenmaß der Stirnseite des Profilbauteils vor, so dass eine auf die Aufprallfläche wirkende Aufprallkraft unter Verschiebung des Kollisions-Bauteils in Richtung der einwirkenden Aufprallkraft eine Drehbewegung des Einbauteils um einen im Profilbauteil vorbestimmten Drehpunkt und ein lokales Umbiegen des Profilbauteils am Drehpunkt um ein Winkelmaß bewirkt.
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Vor diesem Hintergrund hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, Strukturbauteile mit Schaumstoffkern und einer integrierten Crashstruktur sowie Verfahren zu ihrer Herstellung zur Verfügung zu stellen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Abbildungen.
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Erfindungsgemäß wird mit Hilfe von schäumbaren Strukturschäumen die Crashverstärkung in die Schaumkerngeometrie integriert und als Querschnittsaussteifung in ein Hohlprofil eines Faserverbundbauteils eingelegt bzw. mit dem Herstellungsprozess der Faserverbundbaugruppe verbunden.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Faserverbundbaugruppe für ein Kraftfahrzeug. Die Faserverbundbaugruppe umfasst mindestens ein in einen Schaumstoffkern eingebettetes Verstärkungselement und eine obere Deckschicht und eine untere Deckschicht, welche den Schaumstoffkern formschlüssig umgeben, wobei das mindestens eine Verstärkungselement formschlüssig und kraftschlüssig mit dem Schaumstoffkern, der oberen Deckschicht und der unteren Deckschicht verbunden ist.
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In einer Ausführungsform weist das mindestens eine Verstärkungselement eine Vielzahl von Öffnungen auf. Die Öffnungen im Verstärkungselement erleichtern zum einen das Einfüllen von Kunststoffgranulat für die Erzeugung des Schaumkerns, zum anderen auch dafür, eine gleichmäßige Expansion des Schaumgranulats in einem thermischen Schäumprozess sicherzustellen. Die Öffnungen bewirken ein vollständiges, homogenes Ausschäumen aller Hohlräume und somit einen homogenen Steifigkeitsverlauf im gesamten Schwellerbereich der Faserverbundbaugruppe.
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In einer Ausführungsform weist das das mindestens eine Verstärkungselement eine Vielzahl von Verstärkungsrippen auf. Durch die Verstärkungsrippen wird die Festigkeit der Faserverbundbaugruppe weiter erhöht.
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In einer Ausführungsform besteht das Verstärkungselement aus einem metallischen Blech. In einer anderen Ausführungsform ist das Verstärkungselement ein Profilbauteil. In wieder einer anderen Ausführungsform ist das Verstärkungselement ein Gussbauteil. In noch einer anderen Ausführungsform besteht das Verstärkungselement aus faserverstärktem Kunststoff. In einer anderen Ausführungsform ist das Verstärkungselement ein unverstärktes Kunststoffbauteil.
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In einer Ausführungsform der Faserverbundbaugruppe sind die Deckschichten aus Laminatschichten gebildet. In einer weiteren Ausführungsform bestehen die Laminatschichten aus faserverstärktem Kunststoff (FVK).
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In einer Ausführungsform umfasst die Faserverbundbaugruppe zusätzlich mindestens einen Einsatz. Der mindestens eine Einsatz ist in den Schaumkern eingebettet. In einer weiteren Ausführungsform stellt der mindestens eine Einsatz eine Öffnung oder eine Vertiefung an der Oberseite der Faserverbundbaugruppe bereit. In einer speziellen Ausführungsform stellt der mindestens eine Einsatz eine Anbindung für einen Fahrzeugsitz bereit.
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In einer Ausführungsform bildet die Faserverbundbaugruppe eine Bodenwanne eines Kraftfahrzeugs. In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Faserverbundbaugruppe mindestens einen Schweller.
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Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung einer Faserverbundbaugruppe, in der sich ein verstärkter Schaumstoffkern befindet. Bei dem Verfahren wird in einem ersten Schritt mindestens ein Verstärkungselement und gegebenenfalls mindestens ein Einsatz in einem ersten Werkzeug angeordnet, in dem dann in einem zweiten Schritt das mindestens eine Verstärkungselement und der gegebenenfalls vorhandene Einsatz mit Schaumstoff umschäumt und so der Schaumstoffkern erzeugt wird. Danach wird in einem dritten Schritt der mit dem mindestens einen Verstärkungselement und gegebenenfalls mindestens einem Einsatz ausgestattete Schaumstoffkern in ein zweites Werkzeug eingelegt, in dem in einem vierten Schritt der mit dem mindestens einen Verstärkungselement und gegebenenfalls mindestens einem Einsatz ausgestattete Schaumstoffkern mit einer oberen Deckschicht und einer unteren Deckschicht versehen wird.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Schaumstoffkern durch thermisches Schäumen eines Kunststoffgranulats erzeugt. Geeignete Kunststoffgranulate (Schäumgranulate) sind dem Fachmann im Prinzip bekannt.
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In der erfindungsgemäßen Fertigungsmethode wird ein strukturell wirkendes Verstärkungs- bzw. Stützelement in ein Hilfswerkzeug gelegt und in dem Hilfswerkzeug mit einem schäumbaren Strukturschaum umschäumt. Dadurch entsteht eine Schaumstruktur, welche richtungsabhängige Eigenschaften in Bezug auf Festigkeit und/oder Steifigkeit besitzt. Das Verstärkungselement weist Öffnungen auf (z.B. Löcher), damit sich der im Hilfswerkzeug (Schäumwerkzeug) aufblähende Schaum homogen im gesamten Volumen verteilen kann.
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Mit Hilfe einer solchen verstärkten Schaumstruktur lassen sich Profilquerschnitte bzw. Hohlstrukturen richtungsabhängig und/oder partiell aussteifen. Beispielsweise kann dieses bereits umschäumte Stützelement in den Fertigungsprozess eines ein- oder mehrteilig zu fertigenden faserverstärkten Kunststoffbauteils mit Hohlgeometrie (z.B. Schweller) eingebracht werden. Es lässt sich ein Profil mit einem innenliegenden, durch das Stützelement verstärkten Schaumkern herstellen. So können zusätzliche Unterbauteile bei der Fertigung einer komplexen faserverstärkten Baugruppe, z.B. einer Bodenstruktur, vermieden werden.
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Zunächst wird mindestens ein Verstärkungselement der Crashstruktur bereitgestellt. Dieses Verstärkungsbauteil wird gegebenenfalls zusammen mit weiteren erforderlichen Einsätzen (Inserts) in ein Schäumwerkzeug eingelegt. Dabei kann ein Teil des Schaumgranulats vor dem Einlegen der Verstärkungsbauteile in das Schäumwerkzeug eingefüllt werden, oder die Applizierung des gesamten Granulates erfolgt durch die Öffnungen des Verstärkungselementes. Nach dem Schäumprozess wird der verstärkte Schaumkern in die untere Werkzeughälfte eines zweiten Werkzeugs, die bereits mit einseitig drapierter Deckschicht, z.B. einem Laminat wie einer FVK-Deckschicht, versehen ist, eingelegt. Abschließend erfolgen der Drapierprozess der oberen Deckschicht, z.B. einem Laminat wie einer FVK-Deckschicht, sowie die Aushärtung der Baugruppe.
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Um eine hinreichende Abstützung der oberen Deckschicht zu generieren, ist eine form- und kraftschlüssige Kopplung von Verstärkungselement und oberer und unterer Deckschicht notwendig.
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Zu den Vorteilen der erfindungsgemäßen Lösung zählt, dass die Geometrie des Verstärkungselementes optimal auf die strukturellen Anforderungen der Baugruppe ausgelegt werden kann, da die geometrische Komplexität der Verstärkungselemente bei Verwendung der Fertigungsmethode weitestgehend unabhängig vom weiteren Fertigungsaufwand der verstärkten Schaumkerne sowie der Faserverbundbaugruppe ist.
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Ferner entstehen aufgrund der einfachen Fertigung des Verstärkungselements und des Schaumkerns erhebliche Kostenpotentiale im Vergleich zu gefrästen Schaumkernhälften. Zudem entfällt der für eine bessere Handhabung in nachfolgenden Fertigungsschritten der Baugruppe zusätzlich erforderliche Fügeprozess, z.B. ein Verkleben des Verstärkungselementes und der Schaumkernhälften.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vor anstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter beschrieben. Es zeigen:
- 1 ein beispielhaftes Verstärkungselement zur Abstützung im Schweller als Crashstruktur einer FVK-Bodenwanne einer Sportwagen karosserie;
- 2 Zwischenstadien zur Herstellung einer schaumverstärkten Faserverbundstruktur in einer Ansicht von oben;
- 3 Zwischenstadien zur Herstellung einer schaumverstärkten Faserverbundstruktur in einer Ansicht von unten;
- 4 einen X-Schnitt durch die Schwellerkontur einer exemplarischen FVK-Bodenwanne im Bereich der Sitzanbindung vorne;
- 5 einen X-Schnitt durch die Schwellerkontur einer exemplarischen FVK-Bodenwanne im Bereich des Bodens vor dem Sitzquerträger vorne;
- 6 den Kräfteverlauf in dem X-Schnitt von 4;
- 7 den Kräfteverlauf in dem X-Schnitt von 5.
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1 zeigt zwei perspektivische Ansichten eines beispielhaften Verstärkungselements 1 zur Abstützung im Schweller als Crashstruktur einer FVK-Bodenwanne einer Sportwagenkarosserie. Dabei zeigt die Konturlinie 2 die erforderlichen Konturensprünge des Verstärkungselementes 1 in den Bereichen der Sitzquerträger des Fahrzeugbodens. Da um das Verstärkungselement 1 ein umlaufender Schaumkernquerschnitt benötigt wird, sind in dem Verstärkungselement 1 Öffnungen 3 für das Einfüllen des Schaumgranulats vorgesehen. Diese Öffnungen 3 dienen jedoch nicht nur zum Einfüllen, sondern auch zur gleichmäßigen Expansion des Schaumgranulats im thermischen Schäumprozess. Zusätzlich ist das Verstärkungselement aufgrund der bestehenden Festigkeitsanforderungen auf der Unterseite mit Verstärkungsrippen 4 versehen.
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2 zeigt Zwischenstadien zur Herstellung einer schaumverstärkten Faserverbundstruktur in einer Ansicht von oben; 3 in einer Ansicht von unten.
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Zuerst erfolgt die Herstellung des Verstärkungselementes 1 der Crashstruktur. Dieses Verstärkungsbauteil 1 wird zusammen mit weiteren erforderlichen Inserts 6 in ein Schäumwerkzeug eingelegt. Dabei kann ein Teil des Schaumgranulats vor dem Einlegen der Verstärkungsbauteile in das Schäumwerkzeug eingefüllt werden, oder die Applizierung des gesamten Granulates erfolgt durch die bestehenden Öffnungen 3 des Verstärkungselementes. Nach dem Schäumprozess wird der verstärkte Schaumkern 5 in die mit bereits einseitig drapiertem Laminat 7 versehene untere Werkzeughälfte der Faserverbundbaugruppe, in diesem Fall der faserverstärkten Kunststoffbodenwanne (FVK-Bodenwanne), eingelegt. Abschließend erfolgen der Drapierprozess der oberen FVK-Deckschicht 8 sowie die Aushärtung der Baugruppe.
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4 zeigt einen X-Schnitt durch die Schwellerkontur einer FVK-Bodenwanne im Bereich der Sitzanbindung vorne; 5 zeigt einen X-Schnitt durch die Schwellerkontur einer FVK-Bodenwanne im Bereich des Bodens vor dem Sitzquerträger vorne.
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In den 4 und 5 ist exemplarisch die Variabilität der Kontur der Crashstruktur aufgrund der unterschiedlichen Bodenhöhen im Bereich des vorderen Sitzquerträgers sowie der flacheren Zone vorn dem Sitzquerträger dargestellt
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Um eine hinreichende Abstützung der oberen Laminatschicht 8 zum Sitzquerträger und der Sitzanbindung 6 generieren zu können, ist eine form- oder kraftschlüssige Kopplung des Verstärkungselements 1 an die obere Laminatschicht 8 und die untere Laminatschicht 9 notwendig.
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Dies gilt für alle Bereiche entlang der Schwellerkontur, weshalb sich unterschiedliche Schaumzwischenräume bzw. Schaumquerschnitte ergeben. Die durch die in der Crashstruktur 1 bestehenden Einfüll- bzw. Expansionsöffnungen 3 bewirken ein vollständiges, homogenes Ausschäumen des Schaumgranulates in allen Hohlräumen und somit einen homogenen Steifigkeitsverlauf im gesamten Schwellerbereich.
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6 zeigt den Kräfteverlauf in dem X-Schnitt von 4; 7 zeigt den Kräfteverlauf in dem X-Schnitt von 5.
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Die 6 und 7 zeigen die in den jeweiligen Bereichen vorliegende Kräfteverteilung der einzelnen lasttragenden Schichten, welche durch eine bspw. durch einen seitlichen Aufprall hervorgerufene wirkende Kraft (F) entsteht. Wie aus den Figuren ersichtlich, wird die Kraft über die obere Laminatschicht 8, das Verstärkungselement 1 und die untere Laminatschicht 9 abgeleitet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verstärkungselement
- 2
- Konturlinie
- 3
- Öffnung
- 4
- Verstärkungsrippe
- 5
- Schaumkern
- 6
- Insert / Sitzanbindung
- 7
- Laminat
- 8
- obere FVK-Deckschicht / obere Laminatschicht
- 9
- untere FVK-Deckschicht / untere Laminatschicht
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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 102005024265 A1 [0006]
- DE 102004045867 A1 [0007]
- DE 102011089158 A1 [0008]
- DE 102011089173 A1 [0009]
- DE 102011089164 A1 [0010]
- EP 1090829 A1 [0011]
