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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Injektionsstößelpaket zum Entleeren von Reagenzriegelkammern in ein Mikrofluidik-Analysesystem und ein Mikrofluidik-Analysesystem, welches das Injektionsstößelpaket aufweist. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und ein Mehrkavitäten-Spritzgießwerkzeug zur Herstellung des Injektionsstößelpakets.
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Stand der Technik
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In Mikrofluidik-Analysesysteme zur Auswertung von Körperflüssigkeiten und zur zeitnahen Diagnostik in Arztpraxen und Krankenhäusern werden Kartuschen mit unterschiedlich befüllten Reagenzriegeln hinter einer elastischen Kunststoffmembran eingesetzt. Nach der Eingabe der Kartusche in das Analysesystem fahren mehrere Injektionsstößel mit einer definierten Kraft sowie Geschwindigkeit gegen die Kunststoffmembran und verformen diese mit einem bestimmten Reibungsanteil. Dieser ist von der Oberflächenrauigkeit der jeweiligen Injektionsstößeloberfläche abhängig. Dabei stoßen sie gleichzeitig die Versiegelung der unterschiedlichen Reagenzriegelkammern auf, und die darin enthaltenen Reagenzflüssigkeiten werden in die vorgesehenen Analysebereiche der Kartusche injiziert.
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Die Injektionsstößel werden üblicherweise für unterschiedliche Kammergeometrien mit einer speziell zerspanten Kontur aus einem Metallteil gefertigt. Dann werden sie auf einer bestimmten Position auf einer ebenfalls metallenen Trägerplatte durch eine Schraubverbindung montiert.
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Die
DE 10 2019 200 109 A1 beschreibt eine mikrofluidische Vorrichtung und ein Analysegerät für die mikrofluidische Vorrichtung. Eine elastische Membran begrenzt einen Hohlraum in dem ein Einlegeelement angeordnet ist. Das Einlegeelement ist als Reagenzriegel ausgeformt, in dem Reagenzien zum Prozessieren der mikrofluidischen Vorrichtung aufbewahrt oder vorgelagert werden. Die Membran kann deformiert werden, indem ein Injektionsstößel in Form eines Metallkerns mittels eines Bewegungselements gegen diese gepresst wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Das Injektionsstößelpaket zum Entleeren von Reagenzriegelkammern in ein Mikrofluidik-Analysesystem weist mehrere Reaktionsstößel auf, die auf einer Trägerplatte angeordnet sind. Die Reaktionsstößel weisen gemäß bevorzugter Ausgestaltung jeweils einen Stößelkopf mit einem arithmetischen Mittenrauwert von weniger als 10,0 µm, bevorzugt weniger als 4,0 µm, ganz bevorzugt weniger als 1,0 µm und gemäß besonderer Ausgestaltung von weniger als 0,1 µm auf. Der arithmetische Mittenrauwert Ra ist eine Messgröße für die Rauheit der Oberfläche der Reaktionsstößel und kann nach der Norm DIN EN ISO 4287:2010 gemessen werden. Die geringe Oberflächenrauigkeit der Stößelköpfe, welche deutlich unter der Oberflächenrauigkeit von mittels Zerspanung gefertigten Reaktionsstößeln aus Metall liegt, bewirkt sehr geringe Reibungsverluste beim Kontakt mit der Membran eines Mikrofluidik-Analysesystems. Eine Verformung der Membran ohne Reibungsverluste oder Haftung ermöglicht eine zuverlässige Injektion des Inhalts der Reagenzriegelkammern in einen vorgesehenen Analysebereich des Mikrofluidik-Analysesystems mit konstanter Kraft und Geschwindigkeit.
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Jeder Stößelkopf ist mit einem Stößelschaft verbunden. Alle Stößelschäfte sind einstückig mit der Trägerplatte gefertigt. Die einstückige Verbindung der Stößelschäfte mit der Trägerplatte verhindert das Auftreten von Toleranzen, die bei einem nachträglichen Anbringen der Reaktionsstößel an die Trägerplatte auftreten könnten, so dass ein gleichzeitiges und gleichmäßiges Entleeren aller Reagenzriegelkammern sichergestellt wird.
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Während für die Oberfläche der Stößelköpfe ein niedriger Mittenrauwert wünschenswert ist, weist die Trägerplatte bevorzugt einen arithmetischen Mittenrauwert von mehr als 0,2 µm und besonders bevorzugt einen arithmetischen Mittenrauwert von mehr als 1,0 µm auf. Hierdurch wird beim Anordnen der Trägerplatte an einem Betätigungselement eines Mikrofluidik-Analysesystems, welches dazu vorgesehen ist, das Injektionsstößelpaket zu bewegen, eine ausreichende Reibung erzeugt, um ein sicheres Positionieren der Trägerplatte relativ zum Betätigungselement zu ermöglichen. Aufgrund der einstückigen Fertigung der Trägerplatte mit den Stößelschäften wird das Auftreten von Toleranzen verhindert, die bei einem nachträglichen Anbringen von Reaktionsstößeln an einer Trägerplatte auftreten könnten, so dass ein gleichzeitiges und gleichmäßiges Entleeren aller Reagenzriegelkammern sichergestellt wird.
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Bevorzugt bestehen die Stößelköpfe aus einem Fluorpolymer, wie insbesondere Polytetrafluorethylen (PTFE), welches insbesondere keine Füllstoffe enthält, die abrasiv wirken könnten. Dieses Material ermöglicht eine genau reproduzierbare Abformung von Oberflächen mit dem gewünschten Mittenrauwerten. Thermoplastische Fluorpolymere lassen sich außerdem gut mittels Spritzgießens verarbeiten.
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Die Stößelschäfte und die Trägerplatte weisen vorzugsweise einen Kunststoff auf, der ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Polyamiden, Polyolefinen, Polybutylenterephthalat und Polyoxymethylen. Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Stößelschäfte und die Trägerplatte mindestens einen Füllstoff aufweisen, der ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Glasfasern, Kohlefasern und Mineralpulver. Das Material der Stößelschäfte und der Trägerplatte ist dadurch kostengünstiger als das Material der Stößelköpfe. Gleichzeitig verleiht es dem Injektionsstößelpaket eine hohe mechanische Stabilität, da es eine geringere Elastizität aufweisen kann als das Material der Stößelköpfe.
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Die Materialien, welche für die Stößelköpfe, die Stößelschäfte und die Trägerplatte verwendet werden, führen zudem zu einem Injektionsstößelpaket, das gegenüber herkömmlichen Injektionsstößelpaketen eine deutlich verringerte Masse aufweist.
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Jeder Stößelschaft ist vorzugsweise teilweise in einem Hohlraum in einem Stößelkopf angeordnet und geht einen Formschluss mit dem Stößelkopf ein, vorzugsweise über einen Formschluss mit mindestens einem, vorzugsweise mehreren Hinterschnitten des Stößelkopfes. Wenn die Kunststoffkomponente der Stößelköpfe keine Haftung mit der Kunststoffkomponente der Stößelschäfte eingeht, können diese Bauteile auf diese Weise miteinander verbunden werden. Die Hinterschnitte können beispielweise durch Zwangsentformungen hergestellt werden oder durch Drehgewindeformkerne, die beispielsweise bei der Massenfertigung von Kunststoffdeckeln von Getränkeflaschen eingesetzt werden. Bei Verschleiß können die Stößelköpfe später auch durch das Drehgewinde und die elastische Verformung des Verdrehschutzes ausgetauscht werden, wenn sie aus einem elastischen Kunststoff ohne Füllstoffe, wie insbesondere einem Fluorpolymer bestehen.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass jeder Stößelkopf mindestes einen Verdrehschutz aufweist, der mit einem Stößelschaft in Eingriff steht. Auf diese Weise wird ein Verdrehen der Stößelköpfe gegenüber den Stößelschäften verhindert, wenn die Kunststoffkomponente der Stößelköpfe keine Haftung mit der Kunststoffkomponente der Stößelschäfte eingeht. Insbesondere können zwei Bohrungen oder Dome pro Stößelkopf als Verdrehschutz vorgesehen werden.
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Um eine dauerhafte Verbindung zwischen der Trägerplatte und dem Betätigungselement herstellen zu können, ist es weiterhin bevorzugt, dass die Trägerplatte mehrere Anbindungsöffnungen aufweist. Durch diese Anbindungsöffnungen, die insbesondere kreiszylinderförmig sind und parallel zu den Injektionsstößeln verlaufen, können beispielsweise Schrauben geführt werden, um die Trägerplatte mit dem Betätigungselement zu verbinden. Außerdem ist es bevorzugt, dass die Trägerplatte mehrere Eingrifföffnungen aufweist, die sich jeweils durch die Trägerplatte in einen Stößelschaft hinein erstrecken. Eingriffelemente des Betätigungselements können dann so angeordnet werden, dass sie sich in die Eingrifföffnungen der der Trägerplatte erstrecken.
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Das Mikrofluidik-Analysesystem weist mehrere Hohlräume auf, die jeweils zur Aufnahme eines Reagenzriegels eingerichtet sind. Die Hohlräume werden jeweils durch eine Membran begrenzt. Das Injektionsstößelpaket ist so in dem Mikrofluidik-Analysesystem angeordnet, dass jeder Injektionsstößel einer Membran zugewandt ist. Dadurch kann er die Membran deformieren, um Reagenzriegelkammern zu entleeren.
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Das Mikrofluidik-Analysesystem weist vorzugsweise ein Betätigungselement zum Bewegen der Injektionsstößel auf. Die Trägerplatte ist dabei mittels Anbindungsöffnungen mit dem Betätigungselement verbunden, um dessen Bewegung auf die Injektionsstößel übertragen zu können. Eingriffelemente des Betätigungselements sind so angeordnet, dass sie sich in die Eingrifföffnungen der der Trägerplatte erstrecken.
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In dem Verfahren zur Herstellung des Injektionsstößelpakets erfolgt die Herstellung der Stößelköpfe mittels Spritzgießens einer ersten Kunststoffmasse. Dieses Verfahren ermöglicht eine schnelle, Herstellung der Stößelköpfe bei guter Reproduzierbarkeit der gewünschten Oberflächenrauigkeiten. Dabei erfolgt die Herstellung in einem ersten Mehrkavitäten-Spritzgießwerkzeug. Hierin können vier oder mehr Stößelköpfe in einem Zyklus hergestellt werden, was die Kosten pro Bauteil deutlich reduziert.
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Die Stößelköpfe werden anschließend vorzugsweise in ein zweites Mehrkavitäten-Spritzgießwerkzeug eingesetzt. Eine Herstellung der Stößelschäfte und der Trägerplatte erfolgt dann, indem eine zweite Kunststoffmasse mittels Spritzgießens so in das zweite Mehrkavitäten-Spritzgießwerkzeugs eingebracht wird, dass sie jeweils einen Hohlraum in jedem Stößelkopf ausfüllt. Auf diese Weise können die Stößelköpfe und Stößelschäfte bereits bei der Herstellung der Stößelschäfte miteinander verbunden werden. Insbesondere bei Verwendung eines Fluorpolymers als Material der Stößelköpfe ist dieses Vorgehen wegen der thermischen Beständigkeit des Fluorpolymers für eine Vielzahl von Stößelschaftmaterialien problemlos durchführbar.
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Die Stößelköpfe werden hierbei vorzugsweise mittels eines Unterdrucks in dem zweiten Mehrkavitäten-Spritzgießwerkzeug fixiert, um sie in ihrer Position zu halten. Der Unterdruck kann dabei von der Seite der Stößelköpfe angelegt werden, welche von den Stößelschäften abgewandt ist.
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Ein erstes Mehrkavitäten-Spritzgießwerkzeug und ein zweites Mehrkavitäten-Spritzgießwerkzeug, die zur Verwendung in dem Verfahren eingerichtet sind, sind jeweils weitere Gegenstände dieser Erfindung.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- 1 zeigt eine isometrische Darstellung eines Injektionsstößelpakets gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Mikrofluidikanalysesystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 3a-c zeigen Schnittdarstellungen von Stößelköpfen gemäß unterschiedlichen Ausführungsbeispielen der Erfindung.
- 4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Mehrkavitäten-Spritzgießwerkzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 5 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines anderen Mehrkavitäten-Spritzgießwerkzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 6 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Mikrofluidikanalysesystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Injektionsstößelpaket 10 bereitgestellt, welches aus einem Fluorpolymer, im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus PTFE, besteht. Es weist neun Injektionsstößel 11 mit jeweils einem Stößelkopf 12 und einem Stößelschaft 13 auf. Die Injektionsstößel 11 sind in drei Reihen und drei Spalten auf einer Trägerplatte 14 angeordnet und ihre Stößelschäfte 13 sind einstückig mit dieser verbunden. Die Trägerplatte 14 weist sechs Anbindungsöffnungen 15 auf, um sie mit einem Betätigungselement eines Mikrofluidikanalysesystems verbinden zu können. Der arithmetische Mittenrauwert der Oberfläche der Stößelköpfe 12 beträgt weniger als 0,1 µm und der arithmetische Mittenrauwert der Oberfläche der Stößelschäfte 13 und der Trägerplatte 14 beträgt mehr als 1,0 µm.
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2 zeigt wie das Injektionsstößelpaket 10 in ein Mikrofluidikanalysesystem 20 eingebaut werden kann. Ein Substrat 21 begrenzt drei Hohlräume 22a - 22c in dem Mikrofluidikanalysesystem 20, welches als Lab-on-Chip ausgeführt ist. Die Hohlräume 22a - 22c werden zu ihrer Unterseite hin weiterhin durch eine elastische Kunststoffmembran 23 begrenzt. In jedem der Hohlräume 22a - 22c wird jeweils ein Reagenzriegel mit drei Reagenzriegelkammern angeordnet. Die jeweils vorderste Reagenzriegelkammer 30a - 30c in jedem der Hohlräume 22a - 22c ist in 2 dargestellt. Unterhalb der Membran 23 ist die Trägerplatte 14 des Injektionsstößelpakets 10 auf einem vertikal verfahrbaren Betätigungselement 24 angeordnet. Die Anbindungsöffnungen 15 der Trägerplatte 14 sind dabei jeweils oberhalb von Ausnehmungen im Betätigungselement 24 angeordnet. Dies ist in 2 für zwei der Anbindungsöffnungen 15a, 15b und zwei der Ausnehmungen 25a, 25b dargestellt. Durch nicht dargestellte Schrauben, die durch die Anbindungsöffnungen 15a, 15b in die Ausnehmungen 25a, 25b verlaufen und dort in ein Gewinde in den Ausnehmungen 25a, 25b eingreifen, ist die Trägerplatte fest mit dem Betätigungselement 24 verbunden. Wird das Betätigungselement 24 aus einer Ruheposition, in welcher die Membran 23 nicht ausgelenkt ist, nach oben verfahren, so deformieren die Injektionsstößel 11 die Membran 23, sodass sich die in 2 dargestellte Situation ergibt. Dabei ist aus jeder der drei Reihen von Injektionsstößeln 11 nur der jeweils vorderste Injektionsstößel 11a - 11c dargestellt, der die Membran 23 so deformiert, dass er eine Versiegelung der jeweils vordersten Reagenzriegelkammer 30a - 30c jedes Reagenzriegels durchstößt und dessen Inhalt so in einen Analysebereich des Mikrofluidikanalysesystems injiziert. Die in dem Schnitt gemäß 2 nicht erkennbaren weiteren Injektionsstößel durchstoßen gleichzeitig jeweils die beiden weiteren Reagenzriegelkammern jedes Reagenzriegels und injizieren auch deren Inhalte in den Analysebereich.
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Eine Verbindung zwischen den Stößelköpfen 12 und den Stößelschäften 13 erfolgt dadurch, dass jeder Stößelschaft 13 teilweise in einem Hohlraum in einem Stößelkopf 12 angeordnet ist und einen Formschluss mit mehreren Hinterschnitten des Stößelkopfes 12 eingeht. 3a zeigt eine Ausführung von Hinterschnitten 41, die mittels Zwangsentformung hergestellt wurden. 3b zeigt eine Ausführung von Hinterschnitten 42 als Drehgewinde. Dabei weist der dargestellte Stößelkopf 11 zusätzlich zwei Verdrehsicherungen 43 in Form von Domen auf. 3c zeigt eine weitere Ausführung von Hinterschnitten 42 als Drehgewinde. Dabei weist der dargestellte Stößelkopf 11 zusätzlich zwei Verdrehsicherungen 44 in Form von Bohrungen auf.
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Die Herstellung des Injektionsstößelpakets 10 erfolgt in einem Spritzgießverfahren. Hierin werden zunächst Stößelköpfe 12 in ihrer Ausführung gemäß 3c hergestellt. Dazu wird beispielsweise PTFE in der Plastifiziereinheit einer Spritzgussmaschine geschmolzen und mittels einer Schnecke durch eine Düse in ein erstes temperiertes Mehrkavitäten-Spritzgießwerkzeug 50 eingespritzt. Das erste Mehrkavitäten-Spritzgießwerkzeug 50 ist in 4 dargestellt. Es weist eine Auswerferseite 51 und eine Düsenseite 52 auf. In der Auswerferseite 51 sind neun Kavitäten 53 angeordnet, die der Form der Stößelköpfe 12 entsprechen. Die gewünschte Oberflächenrauigkeit der Stößelköpfe 12 wird durch die Oberflächenbeschaffenheit der Kavitäten 53 erzeugt. Außerdem weist die Auswerferseite 51 einen Auswerfer 54 auf. Die Düsenseite 52 weist neun Drehgewindeformkerne 55 auf, die sich jeweils bis in eine der Kavitäten 53 der Auswerferseite 51 hinein erstrecken. Über einen Anguss 56 in der Düsenseite 52 gelangt das geschmolzene PTFE in die Kavitäten 53. Nach einer Abkühlzeit wird die Auswerferseite 51 von der Düsenseite 52 getrennt und die Stößelköpfe 12 werden mittels des Auswerfers 54 in der Auswerferseite 51 des ersten Mehrkavitäten-Spritzgießwerkzeugs 50 aus diesem ausgeworfen. Nach vollständigem Abkühlen der Stößelköpfe 12 werden diese durch Entfernen der Angussverteiler vereinzelt.
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Zur Vervollständigung des Injektionsstößelpakets 10 wird ein zweites Mehrkavitäten-Spritzgießwerkzeug 60 verwendet. Dieses ist in 5 dargestellt. Es weist ebenfalls eine Auswerferseite 61 und eine Düsenseite 62 auf. In der Auswerferseite 61 ist eine Kavität in Form des Injektionsstößelpakets 10 ausgebildet. Dieses weist neun Teilkavitäten auf, deren Formen den einzelnen Injektionsstößeln 11 entsprechen. In jeder dieser Teilkavitäten wird einer der Stößelköpfe 12 so angeordnet, dass sein Hohlraum der Düsenseite 62 zugewandt ist. Dabei kontaktiert jeder Stößelkopf 12 jeweils einen Kanal 63 in der Auswerferseite 61, in dem jeweils ein Auswerfer 64 angeordnet ist. Die Auswerfer 64 füllen die Kanäle 63 nicht vollständig aus. In den Kanälen 63 wird ein Unterdruck erzeugt, der die Stößelköpfe 12 daher in ihrer Position halten kann. Anschließend wird die Kavität durch einen Heißkanal 65 mit Nadelverschluss 66 mit einer Kunststoffschmelze befüllt. Die Kunststoffschmelze wird erzeugt, indem beispielsweise glasfaserverstärktes PA6 in der Plastifiziereinheit einer Spritzgussmaschine geschmolzen und mittels einer Schnecke durch eine Düse in den Heißkanal eingeleitet wird. Die gewünschte Oberflächenrauigkeit der Stößelschäfte 13 und der Trägerplatte 14 wird durch die Oberflächenbeschaffenheit der Kavität erzeugt. Vorsprünge der Düsenseite ragen so in die Teilkavitäten hinein, dass sich in jedem Stößelschaft 13 eine Eingrifföffnung 17 bildet, die sich jeweils durch die Trägerplatte 14 hindurch erstreckt. Nach einer Abkühlzeit wird die Auswerferseite 62 von der Düsenseite 61 getrennt und das Injektionsstößelpaket 10 mittels der Auswerfer 64 in der Auswerferseite 61 des zweiten Mehrkavitäten-Spritzgießwerkzeugs 60 aus diesem ausgeworfen. Nach vollständigem Abkühlen wird das Injektionsstößelpaket 10 mit dem Betätigungselement 24 zusammengesetzt.
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6 zeigt diesen zusammengebauten Zustand. Wie bereits in 2 dargestellt, sind Anbindungsöffnungen 15a, 15b der Trägerplatte 14 jeweils oberhalb von Ausnehmungen 25a, 25b im Betätigungselement 24 angeordnet, um die Trägerplatte 14 mit dem Betätigungselement 24 zu verbinden. Außerdem weist das Betätigungselement 24 neun Eingriffelemente auf. Für drei Eingriffelemente 26a - 26c ist dargestellt, wie diese sich in die Stößelschäfte 13a - 13c hinein erstrecken. Außerdem ist dargestellt, dass an jedem der Stößelschäfte 13a - 13c beim Spritzgießen jeweils zwei Vorsprünge 17a - 17c gebildet wurden, welche in die Verdrehsicherungen 44 der Stößelköpfe 12 eingreifen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019200109 A1 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN EN ISO 4287:2010 [0005]
