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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Linearantrieb mit einer drehbar angetriebenen Gewindespindel, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der
EP 2 677 200 B1 ist ein gattungsgemäßer Linearantrieb mit einer drehbar angetriebenen Gewindespindel bekannt, sowie mit einer drehfest in einem Schlitten geführten Spindelmutter, über die der Schlitten bei einer Drehung der Gewindespindel in eine Längsrichtung verstellbar ist.
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Üblicherweise ist bei bekannten Linearantrieben mit einem Kugelgewindetrieb eine Gewindespindel in einem zugehörigen Profil über zumindest zwei Lager, üblicherweise über ein Festlager und ein Loslager, drehbar gelagert. Eine Lagerung im Festlager kann dabei beispielsweise über zwei angestellte Schrägkugellager erfolgen, die sowohl eine Radiallagerung als auch eine Axiallagerung der Gewindespindel ermöglichen. Ein derartiges Festlager lässt ausschließlich eine Bewegung der Gewindespindel in Form einer Rotation um ihre Achse zu. Die Lagerung der Gewindespindel im Festlager erfolgt dabei üblicherweise nicht direkt, sondern über eine erste Gewindespindelaufnahme, die mit der eigentlichen Gewindespindel, insbesondere kraft- und formschlüssig, verschraubt ist. Durch die form- und kraftschlüssige Verbindung zwischen der Gewindespindelaufnahme und der Gewindespindel selbst, sind die Freiheitsgrade der Gewindespindel dieselben wie die der Gewindespindelaufnahme am Festlager.
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In einem gegenüberliegenden zweiten Lager, welches üblicherweise als Loslager ausgebildet ist, ist die Gewindespindel ausschließlich radial gelagert. Wird die Gewindespindel verdreht, so werden gleichzeitig eine drehfest in einem Schlitten angeordnete Spindelmutter und darüber der Schlitten längs der Gewindespindel verstellt. Der Schlitten wiederum ist üblicherweise spielfrei an dem Profil, beispielsweise an einer daran angeordneten Schiene, geführt. Aufgrund des Umstandes, dass auch das als Festlager ausgebildete erste Lager mit dem Profil verschraubt ist, entsteht ein hinsichtlich der Freiheitsgrade überbestimmtes System, was zu Spannungen innerhalb der Lager führt und dadurch zu Schäden führen kann.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Linearantrieb der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere den aus dem Stand der Technik bekannten Nachteil überwindet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine statische Überbestimmtheit bei einem aus dem Stand der Technik bekannten Linearantrieb durch eine Art Kardangelenk in der Gewindespindel zu eliminieren, welches benachbart zu einem ersten Lager, üblicherweise zum Festlager, angeordnet ist. Der erfindungsgemäße Linearantrieb besitzt dabei eine drehbar antreibbare Gewindespindel sowie eine drehfest in einem Schlitten geführte Spindelmutter, über die der Schlitten bei einer Drehung der Gewindespindel in Längsrichtung bewegbar ist. Durch die Gewindespindel und die damit zusammenwirkende Spindelmutter wird somit eine Drehbewegung der Gewindespindel in eine translatorische Bewegung der Spindelmutter und damit des Schlittens umgesetzt. Ebenfalls umfasst der Linearantrieb ein sich in Längsrichtung erstreckendes Profil. Erfindungsgemäß ist nun ein längsendseitig des Profils angeordnetes erstes Lager vorgesehen, beispielsweise ein Festlager, in welchem die Gewindespindel an ihrem ersten Längsende über eine erste Gewindespindelaufnahme gelagert ist. Benachbart zu diesem ersten Lager, beispielsweise zu dem Festlager, besitzt nun die Gewindespindel einen Bereich mit reduzierter Biegesteifigkeit, wodurch die Gewindespindel in diesem Bereich zur Übertragung eines Drehmoments in der Lage ist und zusätzlich eine gewisse Biegung/Gelenkigkeit der Gewindespindel in diesem Bereich erlaubt, was einen zusätzlichen Freiheitsgrad schafft und die statische Überbestimmtheit beseitigt. Hierdurch kann langfristig ein spannungsfreier und damit verschleißarmer Linearantrieb geschaffen werden, der zudem deutlich leichtgängiger betrieben werden kann als ein statisch überbestimmter Linearantrieb.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist in dem Bereich mit reduzierter Biegesteifigkeit eine Querschnittsverjüngung angeordnet. Eine derartige Querschnittsverjüngung ermöglicht eine Art Gelenkfunktion und schafft dadurch einen Freiheitsgrad, der Spannungen in dem Linearantrieb reduziert. Eine derartige Querschnittsverjüngung wirkt somit in der Art eines Kardangelenks, welches eine Biegung ebenso wie eine Drehmomentübertragung ermöglicht. Alternativ hierzu kann in dem Bereich der Gewindespindel mit reduzierter Biegesteifigkeit tatsächlich ein Kardangelenk angeordnet sein, welches ebenfalls einen Freiheitsgrad schafft. Ein derartiges Kardangelenk ist im Vergleich zu einer Querschnittsverjüngung teurer und kann deshalb beispielsweise auf hochpreisige Linearantriebe beschränkt bleiben.
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Zweckmäßig ist die Querschnittsverjüngung tailliert oder weist eine umlaufende Ringnut auf. Bereits diese nicht abschließende Aufzählung lässt erahnen, welch mannigfaltige Möglichkeiten zur Realisierung des Bereichs mit reduzierter Biegesteifigkeit an der Gewindespindel bestehen, wobei insbesondere eine Taillierung die Möglichkeit einer sprungfreien Querschnittsverjüngung bietet, was ebenfalls dazu beiträgt, Spannungen zu reduzieren. Eine derartige Taillierung kann beispielsweise durch eine Temperaturbehandlung und ein Ziehen der Gewindespindel bzw. durch eine spanabhebende Bearbeitung geschaffen werden. Auch eine umlaufende Ringnut kann vergleichsweise einfach durch eine spanabhebende Bearbeitung hergestellt werden.
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Zweckmäßig ist das erste Lager als Festlager mit zwei Schrägkugellagern ausgebildet. Zwei derartige angestellte Schrägkugellager ermöglichen eine Axiallagerung und eine Radiallagerung der Gewindespindel über die erste Gewindespindelaufnahme, sodass ausschließlich eine Rotation der ersten Gewindespindelaufnahme und damit der Gewindespindel, nicht aber eine Axialverstellung derselben möglich ist. Über Schrägkugellager lässt sich zudem eine äußerst leichtgängige und langlebige Lagerung schaffen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist die Gewindespindel an ihrem dem ersten Lager zugewandten ersten Längsende eine konusförmige Aufnahme auf. Die konusförmige Aufnahme reicht dabei nicht bis in den Bereich mit reduzierter Biegesteifigkeit und ist hinsichtlich eines Durchmessers üblicherweise sogar größer ausgebildet als die Gewindespindel im Bereich mit reduzierter Biegesteifigkeit, sofern dieser Bereich durch eine Querschnittsverjüngung gebildet ist. Die erste Gewindespindelaufnahme greift dabei in die konusförmige Aufnahme ein und ist über eine Schraube mit der Gewindespindel verschraubt. Eine Einschrauböffnung für die Schraube kann dabei bis in den Bereich mit reduzierter Biegesteifigkeit reichen. Über die konusförmige Aufnahme und einen an der ersten Gewindespindelaufnahme ausgebildeten konusförmigen Dom kann somit eine formschlüssige Verbindung zwischen der Gewindespindelaufnahme und der Gewindespindel geschaffen werden. Durch die Schraube kann zudem eine kraftschlüssige Verbindung zwischen der Gewindespindelaufnahme und der Gewindespindel geschaffen werden und zudem die Möglichkeit, die Gewindespindelaufnahme bei einer Wartung von der Gewindespindel zu lösen und beispielsweise zu ersetzen. Dies bietet den großen Vorteil, dass beispielsweise bei einem Lagerverschleiß oder einem Verschleiß an der Gewindespindel entweder nur die erste Gewindespindelaufnahme oder nur die Gewindespindel ausgetauscht bzw. ersetzt werden kann, während das andere Bauteil weiterverwendet wird. Hierdurch können Reparatur- und Wartungskosten gesenkt und Ressourcen geschont werden.
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Rein theoretisch ist sogar denkbar, dass die Aufnahme am ersten Längsende der Gewindespindel eine unrunde Innenkontur und die Gewindespindelaufnahme einen komplementär dazu ausgebildeten und ebenfalls unrunden Dom aufweist, wodurch sich allein aufgrund des Einsteckens des Doms in die Aufnahme an der Gewindespindel eine formschlüssige und drehmomentübertragende Verbindung schaffen lässt.
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Zweckmäßig ist längsendseitig des Profils an dem dem ersten Lager gegenüberliegenden Ende ein zweites Lager, insbesondere ein Loslager, vorgesehen, in dem die Gewindespindel über eine zweite Gewindespindelaufnahme gelagert ist. Ein derartiges Loslager kann beispielsweise ein Rillenkugellager sein, welches eine radiale Lagerung ermöglicht, eine zumindest geringfügige axiale Beweglichkeit der Gewindespindel in diesem Loslager jedoch zulässt. Über ein derartiges Rillenkugellager kann ebenfalls eine äußerst leichtgängige und langlebige sowie verschleißarme Radiallagerung der zweiten Gewindespindelaufnahme und damit der Gewindespindel erreicht werden, wodurch der Linearantrieb insgesamt langlebig ausgebildet werden kann.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist eine Schiene vorgesehen, beispielsweise eine Kugelumlaufführungsschiene, die insbesondere aus Stahl ausgebildet ist, wobei an dieser Schiene der Schlitten über zwei Kugelumlaufführungswagen geführt ist und wobei die Kugelumlaufführungswagen die Schiene U-förmig umgreifen. Der Schlitten und die Kugelumlaufführungswagen sind dabei üblicherweise miteinander verschraubt. Rein theoretisch ist selbstverständlich auch eine Kopplung über eine Art Drehgestell zwischen dem Schlitten und den Kugelumlaufführungswagen denkbar, wodurch ebenfalls ein Freiheitsgrad geschaffen werden kann. Über die beispielsweise aus Stahl ausgebildete Schiene kann eine im Vergleich zu einem aus Aluminium ausgebildeten Profil deutlich verbesserte, da steifere Führung erreicht werden.
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Zweckmäßig ist die Schiene mit dem Profil verschraubt. Über eine derartige Verschraubung können unterschiedliche Schienenprofile und komplementär dazu ausgebildete Kugelumlaufführungswagen bzw. Schlitten ausgewählt werden. Durch ein Verschrauben der Schiene mit dem Profil ist rein theoretisch auch ein Nachrüsten bzw. ein Austausch der Schiene im Wartungsfall problemlos und einfach möglich.
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Zweckmäßig ist die Spindelmutter als Kugelumlaufmutter ausgebildet. Eine derartige Kugelumlaufmutter besteht üblicherweise aus einem Grundkörper mit darin eingearbeiteten Kugelumläufen, einem Kugelrückführkanal und sogenannten Rückführhülsen. In diesem Fall weist die Gewindespindel eine schraubenförmige Rille mit halbrundem Querschnitt auf, in welchem die Kugeln der Kugelumlaufmutter laufen. Eine Kraftübertragung zwischen Kugelumlaufmutter und Gewindespindel erfolgt dabei über die Kugeln. Eine formschlüssige Verbindung im Gewinde quer zur Schraubenlinie bilden somit nicht, wie üblich, einzelne Gewindegänge einer Mutter bzw. der Gewindespindel, die nut- und federartig ineinandergreifen, sondern die Kugeln. Im Vergleich zu konventionellen Schraubgetrieben mit aufeinander gleitenden Flächen haben Kugelgewindetriebe deutlich weniger Reibung durch die rollende Bewegung, erfordern dadurch auch eine deutlich geringere Antriebsleistung und ermöglichen höhere Bewegungsgeschwindigkeiten, ebenso wie einen geringeren Verschleiß und ein reduziertes Losbrechmoment. Derartige Kugelgewindetriebe ermöglichen somit eine äußerst langlebige und leichtgängige Ausführungsform.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine Gewindespindel eines in den vorherigen Absätzen beschriebenen Linearantriebs mit einem benachbart zu einem ersten Längsende angeordneten Bereich mit reduzierter Biegesteifigkeit auszustatten. Über diesen Bereich mit reduzierter Biegesteifigkeit kann in diesem Bereich ein Freiheitsgrad geschaffen werden, der beim Einsetzen der Gewindespindel in einen in den vorherigen Absätzen beschriebenen Linearantrieb dazu beiträgt, eine statische Überbestimmtheit zu reduzieren bzw. zu eliminieren. In dem Bereich mit reduzierter Biegesteifigkeit der Gewindespindel kann dabei eine Querschnittsverjüngung oder ein Kardangelenk angeordnet sein. Die Querschnittsverjüngung wiederum kann beispielsweise tailliert sein oder aber eine umlaufende Ringnut aufweisen. Über eine derartige Gewindespindel lassen sich auch bislang aus dem Stand der Technik bekannte Linearantriebe hinsichtlich ihrer statischen Überbestimmtheit positiv beeinflussen, wodurch es möglich ist, durch einen einfachen Austausch einer bislang im Linearantrieb eingesetzten Gewindespindel durch eine erfindungsgemäße Gewindespindel mit Bereich mit reduzierter Biegesteifigkeit, Spannungen in dem Linearantrieb abzubauen und diesen dadurch sowohl verschleißärmer als auch leichtgängiger betreiben zu können.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend 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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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Die einzige 1 zeigt eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Linearantrieb mit einer erfindungsgemäßen Gewindespindel.
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Entsprechend der 1 weist ein erfindungsgemäßer Linearantrieb 100 eine drehbar antreibbare Gewindespindel 4 auf, die als Kugelgewindespindel ausgebildet ist bzw. sein kann und schraubenförmige Rillen mit halbrundem Querschnitt aufweist, in welchen Kugeln einer Spindelmutter 10, die in diesem Fall als Kugelumlaufmutter ausgebildet ist, laufen. Das Gewinde der Gewindespindel 4 ist dabei nicht durchgängig gezeichnet, wobei selbstverständlich klar ist, dass dieses auch im mittleren Bereich der Gewindespindel 4 angeordnet ist.
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Die Spindelmutter 10 ist drehfest an einem Schlitten 11 angeordnet, sodass der Schlitten 11 durch eine Drehung der Gewindespindel 4 in Längsrichtung 16 verstellbar ist. Ebenfalls vorgesehen ist ein sich in Längsrichtung 16 erstreckendes Profil 14, welches beispielsweise als 6 60 KGT (Kugelgewindetrieb) Profil ausgebildet sein kann. Erfindungsgemäß ist nun ein längsendseitig des Profils 14 angeordnetes erstes Lager 2 vorgesehen, welches im vorliegenden Fall als Festlager ausgebildet ist, und in welchem die Gewindespindel 4 an ihrem ersten Längsende über eine erste Gewindespindelaufnahme 1 gelagert ist. Benachbart zu dem ersten Lager 2 weist nun die Gewindespindel 4 einen Bereich 15 mit reduzierter Biegesteifigkeit auf, wobei der Bereich 15 gemäß der 1 als Querschnittsverjüngung, insbesondere als taillierte Querschnittsverjüngung, ausgebildet ist. Alternativ kann in dem Bereich 15 selbstverständlich auch eine umlaufende Ringnut oder sogar ein Kardangelenk vorgesehen sein.
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Die erste Gewindespindelaufnahme 1 ist in dem ersten Lager 2, hier in dem Festlager, spielfrei über zwei angestellte Schrägkugellager 3 sowohl in Axialrichtung, d. h. in Längsrichtung 16, als auch radial gelagert. Die Lagerung lässt somit ausschließlich eine Bewegung der Gewindespindel 4, d. h. im vorliegenden Fall der Kugelgewindespindel, in Form einer Rotation zu. Die erste Gewindespindelaufnahme 1 und die Gewindespindel 4 sind dabei sowohl kraftschlüssig, hier über eine Schraube 6, als auch formschlüssig, hier über eine konusförmige Aufnahme 5 und einen domförmigen Fortsatz 17, miteinander verbunden. Durch diese form- und kraftschlüssige Verbindung sind die Freiheitsgrade der Gewindespindel 4 die gleichen, wie die der ersten Gewindespindelaufnahme 1 im ersten Lager 2, d. h. im Festlager.
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Auf der gegenüberliegenden Seite, d. h. am gegenüberliegenden Längsende des Profils 14, ist ein zweites Lager 7, hier in der Art eines Loslagers, vorgesehen, in welchem die Gewindespindel 4 über eine zweite Gewindespindelaufnahme 8 gelagert ist. Das zweite Lager 7 besitzt dabei ein Rillenkugellager 9 und ermöglicht eine Radiallagerung der Gewindespindel 4 ebenso wie einen axialen Freiheitsgrad.
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Der Schlitten 11 ist drehfest mit der Spindelmutter 10, hier mit der Kugelumlaufmutter, verbunden, beispielsweise verschraubt, ebenso wie mit zwei Kugelumlaufführungswagen 12, die spielfrei auf einer Schiene 13, beispielsweise einer Kugelumlaufführungsschiene, laufen. Die Schiene 13 kann dabei beispielsweise aus Stahl ausgebildet sein und dadurch eine deutlich höhere Festigkeit aufweisen als beispielsweise das aus Aluminium ausgebildete Profil 14. Hierdurch kann eine besonders exakte Führung des Schlittens 11 erreicht werden. Die Schiene 13 wiederum ist fest mit dem Profil 14 verschraubt, wodurch aufgrund des Umstandes, dass auch das erste Lager 2 fest mit dem Profil 14 verschraubt ist, ein statisch überbestimmtes System entsteht, wodurch Spannungen beim Verstellen des Schlittens 11 entstehen können. Um derartige Spannungen zumindest zu minimieren, ist der hinsichtlich seiner Biegesteifigkeit reduzierte Bereich 15 an der erfindungsgemäßen Gewindespindel 4 vorgesehen, wobei dieser Bereich 15 einen Freiheitsgrad schafft. Hierdurch ist ein langlebiger, leichtgängiger und spannungsarmer Betrieb des Linearantriebs 100 möglich.
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Betrachtet man die 1 weiter, so kann man erkennen, dass die erste Gewindespindelaufnahme 1 mit ihrem domförmigen Fortsatz 17 in die konusförmige Aufnahme 5 der Gewindespindel 4 eingreift und über die Schraube 6 mit der Gewindespindel 4 verschraubt ist. Hierdurch entsteht die sowohl formschlüssige als auch kraftschlüssige Verbindung zwischen der ersten Gewindespindelaufnahme 1 und der Gewindespindel 4. Rein theoretisch ist dabei sogar denkbar, dass die konusförmige Aufnahme 5 einen unrunden Querschnitt aufweist, der komplementär zu einem unrunden Querschnitt des domförmigen Fortsatzes 17 der ersten Gewindespindelaufnahme 1 ausgebildet ist und bereits dadurch eine Drehmomentübertragung zwischen der ersten Gewindespindelaufnahme 1 und der Gewindespindel 4 ermöglicht. Die erste Gewindespindelaufnahme 1 kann dabei drehmomentübertragend mit einem nicht gezeigten Antrieb verbunden werden.
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Rein theoretisch ist selbstverständlich auch denkbar, dass die erste Gewindespindelaufnahme 1 und die Gewindespindel 4 einstückig ausgebildet sind, wobei jedoch die zweiteilige Ausbildung den großen Vorteil bietet, dass die erste Gewindespindelaufnahme 1 und/oder die Gewindespindel 4 im Wartungsfall und beispielsweise bei einem separaten Verschleiß auch separat ausgetauscht werden können.
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Neben dem gesamten Linearantrieb 100 soll auch ein separater Schutz für die erfindungsgemäße Gewindespindel 4 mit dem hinsichtlich der Biegesteifigkeit reduzierten Bereich 15 Schutz beansprucht werden, da beispielsweise durch einen einfachen Austausch einer herkömmlichen Gewindespindel durch die Gewindespindel 4 ein statisch bestimmtes System und damit ein langlebig leichtgängiger und spannungsarmer Linearantrieb 100 geschaffen werden kann. Auch kann ein derartiger erfindungsgemäßer Linearantrieb 100 besonders ruhig und verschleißarm, insbesondere an den Lagern 2, 7, betrieben werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2677200 B1 [0002]
- EP 2677201 B1 [0003]
- EP 2677202 B1 [0003]
