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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Objektivs. Ferner betrifft die Erfindung ein Objektiv mit einer vereisungsgefährdeten Komponente, beispielsweise einer optischen Linse und/oder einer für Strahlung oder Signale durchlässigen Abdeckung. Ferner wird ein Imagermodul, insbesondere eine Kamera oder ein Sensor, mit einem derartigen Objektiv vorgeschlagen.
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Bevorzugter Anwendungsbereich der Erfindung sind Kameras und/oder Sensoren in Fahrzeugen, beispielsweise zur Umfeldüberwachung.
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Stand der Technik
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In Fahrzeugen zum Einsatz gelangende Kameras oder Sensoren sind der Witterung ausgesetzt, so dass bei tiefen Außentemperaturen die Gefahr besteht, dass Frontlinsen oder Abdeckgläser vereisen. Die Kamera bzw. der Sensor ist in diesem Fall nicht einsatzbereit, da die vereisten Bereiche erst enteist werden müssen. Zum Enteisen bzw. zum Eisfrei-Halten kann in der Nähe der vereisungsgefährdeten Komponente eine elektrische Heizeinrichtung als Wärmequelle angebracht werden. Mit Hilfe derartiger Heizeinrichtungen kann zugleich einem Beschlagen der Komponente entgegengewirkt werden.
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Bei einer Kamera ist die Linse, insbesondere die Frontlinse, vor Vereisen zu schützen. Bei einem Sensor, beispielsweise einem Ultraschallsensor oder Radarsensor, ist eine häufig aus Kunststoff bestehende, signaldurchlässige Abdeckung besonders vereisungsgefährdet. Bei einem Kaltstart des Fahrzeugs muss daher die jeweilige Komponente daher ggf. erst enteist werden. Sofern hierzu eine elektrische Heizeinrichtung eingesetzt wird, sind alternative Wischer- oder Spritzsysteme entbehrlich.
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Aus der
DE 10 2016 107 545 A1 geht beispielhaft eine Heizvorrichtung zum Beheizen einer Linse einer Kamera hervor, die abnehmbar an einem Gehäuse der Kamera angeordnet ist. Die Heizvorrichtung weist einen Körper auf, umfassend Kunststoffmaterial und leitfähiges Material, wobei das leitfähige Material in dem Kunststoffmaterial so verteilt ist, dass eine leitfähige Masse gebildet wird. Darüber hinaus weist die Heizvorrichtung mindestens zwei elektrische Kontakte auf, die mit der leitfähigen Masse in Kontakt stehen, so dass an die leitfähige Masse eine elektrische Spannung anlegbar ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Objektiv für ein Imagermodul, insbesondere eine Kamera oder einen Sensor, mit einer elektrischen Heizeinrichtung anzugeben, die besonders effizient ist. Zugleich soll das Objektiv einfach und kostengünstig herstellbar sein.
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Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Objektiv mit den Merkmalen des Anspruchs 7 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird ein Imagermodul mit einem erfindungsgemäßen Objektiv angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Herstellung eines Objektivs wird eine vereisungsgefährdete Komponente, beispielsweise eine optische Linse oder eine strahlungsdurchlässige Abdeckung, unter Zwischenschaltung eines aus einem elektrisch leitfähigen Elastomermaterial gefertigten Heizrings in ein Gehäuse eingesetzt und mit dem Gehäuse verbunden, vorzugsweise verspannt. Der Heizring liegt somit einerseits an der vereisungsgefährdeten Komponente und andererseits am Gehäuse an, so dass aufgrund des Materials des Heizrings zugleich eine Art Abdichtung erreicht wird. Eine zusätzliche Abdichtung ist daher gegebenenfalls entbehrlich. Entsprechend vereinfacht sich der Aufbau des Objektivs, so dass dieses einfach und kostengünstig herstellbar ist. Zugleich ist ein umlaufender Kontakt zwischen dem Heizring und der vereisungsgefährdeten Komponente gewährleistet, so dass über den umlaufenden Flächenkontakt eine gleichmäßige und schnelle Erwärmung der Komponente im Beheizungsfall sichergestellt ist. Sofern die Komponente und das Gehäuse verspannt werden, kann hierüber der Flächenkontakt zwischen dem Heizring und der Komponente vergrößert und damit verbessert werden. Dies wird sich zugleich positiv auf die gegebenenfalls zusätzliche Dichtfunktion des Heizrings aus.
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Der Heizring kann vor dem Einsetzen der vereisungsgefährdeten Komponente in das Gehäuse wahlweise auf dem Gehäuse oder auf der Komponente angeordnet werden. Beim Auflegen kann der Heizring bereits vorgespannt werden, so dass er bereits kraftschlüssig mit dem Gehäuse bzw. der Komponente verbunden ist. Auf diese Weise wird beim Einsetzen der Komponente in das Gehäuse ein Verrutschen oder Verdrillen des Heizrings verhindert. Bevorzugt wird beim Einsetzen der Komponente in das Gehäuse der Heizring verpresst, so dass eine radiale Vorspannung des Heizrings sowohl in Bezug auf die vereisungsgefährdete Komponente, als auch in Bezug auf das Gehäuse erreicht wird. Zugleich kann über den Heizring eine Verspannung der vereisungsgefährdeten Komponente mit dem Gehäuse erzielt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vor dem Einsetzen der vereisungsgefährdeten Komponente in das Gehäuse der Heizring auf der Komponente angeordnet oder ausgebildet. Solange die Komponente noch nicht in das Gehäuse eingesetzt ist, bleibt der Heizring sichtbar und damit kontrollierbar. Insbesondere kann geprüft werden, ob der Heizring umlaufenden Flächenkontakt mit der Komponente hat. Gegebenenfalls kann der Sitz des Heizrings korrigiert werden. Die Anordnung des Heizrings auf der Komponente kann in einem einfachen Montageschritt erfolgen. Die Ausbildung des Heizrings auf der Komponente kann beispielsweise in einem Spritz- oder Spritzgießprozess realisiert werden. Dies hat den Vorteil, dass ein Montageschritt entfällt.
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Vorteilhafterweise wird eine vereisungsgefährdete Komponente mit einer hinterschnitten ausgeführten umlaufenden Außenkontur zur formschlüssigen Verbindung mit dem Heizring verwendet. Die hinterschnitten ausgeführte umlaufende Außenkontur kann beispielsweise durch eine außenumfangseitige Ringnut ausgebildet werden. Diese kann einen beliebigen Querschnitt aufweisen, beispielsweise eckig oder rund sein. Der Heizring greift dann in die Ringnut ein, so dass ein Formschluss erzielt wird. Der Formschluss wirkt einem Verrutschen des Heizrings beim Einsetzen der Komponente in das Gehäuse entgegen. Die hinterschnitten ausgeführte umlaufende Außenkontur kann aber auch durch einen konisch geformten Abschnitt der Komponente ausgebildet werden, in den der Heizring eingreift. Der Konus kann gegen einen Absatz laufen, so dass eine Art Nut ausgebildet wird, in welcher der Heizring zumindest abschnittsweise aufgenommen ist. Über den Absatz ist dann der Heizring optimal abgestützt.
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Die hinterschnitten ausgeführte Außenkontur der vereisungsgefährdeten Komponente ermöglicht zudem eine Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen dem Heizring und der Komponente. Dies hat zur Folge, dass die Wärme vom Heizring auf die Komponente übertragen wird. Hinzu kommt, dass sich der Heizring im Betrieb erwärmt und durch thermische Expansion ausdehnt, so dass der hinterschnitten ausgeführte Bereich nicht nur vollständig von dem Elastomermaterial des Heizrings ausgefüllt wird, sondern der Heizring gegen die Außenkontur der Komponente gepresst wird. Der Wärmeübergang ist in diesem Fall optimal.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Heizring an mindestens zwei Stellen elektrisch kontaktiert und an ein stromführendes Bauteil angeschlossen wird. Der Anschluss kann unmittelbar oder mittelbar über eine Leitung und/oder einen Pin erfolgen. Vorteilhafterweise sind die Stellen zur elektrischen Kontaktierung in gleichem Winkelabstand zueinander angeordnet, das heißt, dass bei zwei Stellen diese sich am Heizring diametral gegenüberliegen. Bei gleichem Winkelabstand sind auch die Strompfade in Umfangsrichtung gleich lang, so dass eine gleichmäßige Aufheizung des Heizrings entlang seines Umfangs gewährleistet ist. Dies wiederum führt zu einer gleichmäßigen Aufheizung der vereisungsgefährdeten Komponente.
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Zur Herstellung des Heizrings wird vorzugsweise ein Elastomermaterial aus der Gruppe der Naturkautschuke, der thermoplastischen Elastomere, der Ethylen-Propylen-Dien-Monomer-Kautschuke (EPDM), der Fluorkautschuke und/oder der Silikone gewählt. Diese Elastomermaterialien weisen den Vorteil auf, dass sie vernetzen. Die Vernetzung führt dazu, dass das im Elastomermaterial enthaltene elektrisch leitfähige Füllmaterial innerhalb der Netzstruktur unverschiebbar fixiert ist. Zugleich kann das Elastomermaterial bei Temperaturänderungen und damit verbundenen Längenänderungen flexibel reagieren. Insbesondere kann sich das Elastomermaterial ausdehnen, so dass sich das Elastomermaterial unter einer Vorspannung an die zu erwärmende Komponente anlegt. Die Vorspannung optimiert den Wärmeübergang vom Heizring auf die Komponente.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass zur Herstellung des Heizrings das Elastomermaterial mit mindestens einem elektrisch leitfähigen Füllstoff, beispielsweise mit metallischen Partikeln, Ruß, Graphit, Kohlenstofffasern und/oder Kohlenstoffnanoröhren, gefüllt wird. Diese sind elektrisch leitfähig und führen somit zur Ausbildung von Strompfaden innerhalb des Heizrings.
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Das zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe ferner vorgeschlagene Objektiv umfasst eine vereisungsgefährdete Komponente, beispielsweise eine optische Linse oder eine strahlungsdurchlässige Abdeckung, die unter Zwischenschaltung eines aus einem elektrisch leitfähigen Elastomermaterial gefertigten Heizrings in ein Gehäuse eingesetzt und mit dem Gehäuse verbunden, vorzugsweise verspannt, ist. Durch Zwischenschalten des Heizrings wird zugleich eine Abdichtung erreicht, die gegebenenfalls eine zusätzliche Abdichtung entbehrlich macht. Auf diese Weise kann die Anzahl der Bauteile reduziert werden, so dass das Objektiv vergleichsweise einfach und kostengünstig herstellbar ist. Vorzugsweise wird das Objektiv nach dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt.
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Das elektrisch leitfähige Elastomermaterial des Heizrings verbessert zudem den Flächenkontakt zwischen Heizring und vereisungsgefährdeter Komponente, so dass der Wärmeübergang optimiert wird. Dies gilt insbesondere, wenn die vereisungsgefährdete Komponente und das Gehäuse verspannt sind, so dass der Heizring gegen die Komponente gepresst wird.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die vereisungsgefährdete Komponente eine hinterschnitten ausgeführte Außenkontur aufweist, die vom Heizring hintergriffen wird. Das heißt, dass der Heizring zumindest abschnittsweise an der hinterschnitten ausgeführten Außenkontur der Komponente anliegt. Bevorzugt füllt der Heizring die hinterschnitten ausgeführte Außenkontur vollständig aus, so dass ein maximaler Flächenkontakt zwischen dem Heizring und der Komponente erzielt wird. Denn je größer der Flächenkontakt ist, desto besser ist der Wärmeübergang vom Heizring auf die Komponente.
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Der Heizring ist vorzugsweise aus einem Elastomermaterial aus der Gruppe der Naturkautschuke, der thermoplastischen Elastomere, der Ethylen-Propylen-Dien-Monomer-Kautschuke (EPDM), der Fluorkautschuke und/oder der Silikone hergestellt. Die Vorteile dieser Elastomermaterialien wurden vorstehend bereits genannt, so dass hierauf verwiesen wird.
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Das Elastomermaterial ist weiterhin vorzugsweise mit mindestens einem elektrisch leitfähigen Füllstoff, beispielsweise mit metallischen Partikeln, Ruß, Graphit, Kohlenstofffasern und/oder Kohlenstoffnanoröhren, gefüllt.
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Der Anteil des elektrisch leitfähigen Füllstoffs im elektrisch leitfähigen Elastomermaterial beträgt vorzugsweise 10 bis 70 Vol.-%, weiterhin vorzugsweise 30 bis 50 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen des elektrisch leitfähigen Elastomermaterials. Versuche haben ergeben, dass der Anteil des Leitermaterials im Elastomermaterial im Bereich zwischen 10 bis 70 Vol.-% liegen sollte, um bei Bedarf eine ausreichende Erwärmung zur Enteisung der zu erwärmenden Komponente zu erzielen, und zwar ohne einen unverhältnismäßig hohen Energieaufwand. Als besonders vorteilhaft hat sich Leitermaterialanteil im Bereich zwischen 30 bis 50 Vol.-% erwiesen. Über das konkrete Mischungsverhältnis kann der spezifische elektrische Widerstand der Heizeinrichtung eingestellt und somit an die jeweils herrschenden konstruktiven Randbedingungen angepasst werden. Darüber hinaus kann der üblicherweise sehr hohe thermische Ausdehnungskoeffizient des elastomeren Grundmaterials zur Selbstabregelung der Heizeinrichtung im Sinne des sogenannten PTC-Effekts (PTC = Positive Temperature Coefficient) genutzt werden.
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Da das erfindungsgemäße Objektiv insbesondere in einem Imagermodul zum Einsatz gelangen kann, wird ferner ein Imagermodul, insbesondere eine Kamera oder ein Sensor, mit einem erfindungsgemäßen Objektiv vorgeschlagen.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:
- 1a) einen schematischen Längsschnitt durch eine Linse für ein erstes erfindungsgemäßes Objektiv,
- 1b) einen schematischen Längsschnitt durch die Linse der 1a) mit montiertem Heizring,
- 1c) einen schematischen Längsschnitt durch die Linse der 1a) mit montiertem Heizring nach dem Einsetzen in ein Gehäuse,
- 2a) einen schematischen Längsschnitt durch eine Linse für ein zweites erfindungsgemäßes Objektiv,
- 2b) einen schematischen Längsschnitt durch die Linse der 2a) mit montiertem Heizring,
- 2c) einen schematischen Längsschnitt durch die Linse der 2a) mit montiertem Heizring nach dem Einsetzen in ein Gehäuse,
- 3a) einen schematischen Längsschnitt durch eine Linse für ein drittes erfindungsgemäßes Objekiv,
- 3b) einen schematischen Längsschnitt durch die Linse der 3a) mit montiertem Heizring und
- 3c) einen schematischen Längsschnitt durch die Linse der 3a) mit montiertem Heizring nach dem Einsetzen in ein Gehäuse.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Herstellung verschiedener Objektive 1 für ein Imagermodul, insbesondere eine Kamera oder einen Sensor, beschrieben. Die 1a) bis 1c) beziehen sich auf eine erste Ausführungsform, die 2a) bis 2c) auf eine zweite Ausführungsform und die 3a) bis 3c) auf eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Objektivs 1.
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1a) zeigt eine vereisungsgefährdete Komponente 2 eines ersten erfindungsgemäßen Objektivs 1. Vorliegend handelt es sich bei der vereisungsgefährdeten Komponente 2 um eine optische Linse. Um die Linse im späteren Betrieb eines das Objektiv 1 aufweisenden Imagermoduls eisfrei zu halten, soll sie beheizbar sein.
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Hierzu wird auf der Linse ein Heizring 3 angeordnet, und zwar im Bereich einer hinterschnitten ausgeführten Außenkontur 5 (siehe 1b)). Der Heizring 3 ist aus einem elektrisch leitfähigen Elastomermaterial hergestellt, so dass er sich an die Außenkontur 5 vollflächig anlegt. Durch die hinterschnittene Ausführung wird somit ein Formschluss zwischen dem Heizring 3 und der Linse erreicht. Ferner wird der Flächenkontakt zwischen Heizring 3 und Linse maximiert, was zu einem verbesserten Wärmeübertrag vom Heizring 3 auf die Linse führt.
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Nach der Montage des Heizrings 3 wird die Linse in ein Gehäuse 4 des Objektivs 1 eingesetzt (siehe 1c)). Hierbei gelangt ein umlaufender Wulst 9 des Heizrings 3 zur Anlage an dem Gehäuse 4. Aufgrund eines radialen Übermaßes des Wulstes 9 gegenüber dem Gehäuse 4 liegt der Heizring 3 unter einer radialen Vorspannung am Gehäuse 4 an. Das heißt, dass die Linse und das Gehäuse 4 über den zwischengeschalteten Heizring 3 miteinander verspannt werden. Dies führt zu einem umlaufenden Dichtkontakt zwischen dem Heizring 3 und der Linse sowie zwischen dem Heizring 3 und dem Gehäuse 4, so dass eine weitere Abdichtung in diesem Bereich nicht erforderlich ist.
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Um den Heizring 3 mit Strom zu versorgen, weist dieser an seiner Unterseite mindestens zwei Stellen 6, 7 zur elektrischen Kontaktierung auf. Die Stellen 6, 7 liegen sich diametral gegenüber, so dass die Strompfade durch den Heizring 3 gleich lang sind und sich dieser bei Bestromung gleichmäßig aufwärmt. Mit dem Aufwärmen dehnt sich der Heizring 3 aus, so dass hierüber eine zusätzliche Anpresskraft erzeugt wird, die den Heizring 3 in optimalem Flächenkontakt mit der Linse hält. All dies trägt zu einer gleichmäßigen und schnellen Erwärmung der Linse bei. Die elektrische Kontaktierung der Stellen 6, 7 erfolgt vorliegend mit Hilfe elektrischer Leiter 8, die beispielsweise bis zu einer Leiterplatte (nicht dargestellt) eines das Objektiv 1 aufweisenden Imagermoduls geführt sein können.
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Der 2a) ist eine weitere Linse als vereisungsgefährdete Komponente 3 zu entnehmen, die ebenfalls eine hinterschnitten ausgeführte Außenkontur 5 zur Aufnahme eines Heizrings 3 aufweist. Während die Linse der 1 a)-c) eine umlaufende Ringnut zur Ausbildung der hinterschnitten ausgeführten Außenkontur 5 aufweist, bildet die Linse der 1 a)-c) einen konisch geformten Abschnitt aus, der gegen einen Absatz 10 läuft. Auf diese Weise wird ebenfalls eine Art Ringnut ausgebildet.
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Der Heizring 3 wird auf dem konisch geformten Abschnitt der Linse in der Weise angeordnet, dass er über den Absatz 10 in axialer Richtung abgestützt ist (siehe 2b)).
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Wird anschließend die Linse in ein Gehäuse 4 eingesetzt (siehe 2c), gelangt ein Wulst 9 des Heizrings 3 zur Anlage am Gehäuse 4, vorzugsweise unter einer radialen Vorspannung. Denn diese bewirkt eine elastische Verformung des Heizrings 3, die den Anpressdruck des Heizrings 3 an der Linse erhöht, und zwar sowohl im Bereich der hinterschnitten ausgeführten Außenkontur 5, als auch im Bereich des Absatzes 10. Somit werden die gleichen zuvor in Verbindung mit der Ausführungsform der 1 a)-c) beschriebenen Vorteile erreicht. Die elektrische Kontaktierung erfolgt analog der 1c) an Stellen 6, 7 über elektrische Leiter 8.
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Der 3a) ist eine Linse für ein Obejktiv 1 zu entnehmen, die sich nur unwesentlich von der Linse der 1a) unterscheidet. Denn die hinterschnitten ausgeführte Außenkontur 5 der Linse wird auch hier über eine umlaufende Ringnut realisiert. Im Unterschied zur 1 a) weist die Ringnut jedoch keinen eckigen, sondern runden Querschnitt auf. Der runde Querschnitt erleichtert ein vollflächiges Anlegen des Heizrings 3 an der Außenkontur. Ferner ist eine gleichmäßige Anpresskraft realisierbar, die den Heizring 3 gegen die Außenkontur 5 drückt (siehe 3b)). Die Linse wird nach der Montage des Heizrings 3 in ein Gehäuse 4 eingesetzt, wobei ein Wulst 9 des Heizrings 3 zur Anlage am Gehäuse 4 gelangt, vorzugsweise unter einer radialen Vorspannung, um hierüber eine zusätzliche Anpresskraft zu erzeugen. Im Übrigen ist das Beispiel der 3a)-c) analog dem der 1a)-c) ausgeführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016107545 A1 [0005]
