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Die Erfindung betrifft eine motorisch angetriebene Werkzeugmaschineneinheit, wie ein Mehrachsendrehkopf oder eine Motorspindel, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Bei Werkzeugmaschinen gibt es unterschiedliche auswechselbare Vorrichtungen bzw. Werkzeuge, die über normierte Standard-Schnittstellen mit der Werkzeugmaschine verbunden sind. Vorwiegend handelt es sich hier um Werkzeuge, die über eine lösbare Kegelverbindung mit der Werkzeugmaschinenspindel bzw. Motorspindel verbunden werden und bei denen sogenannte Spannzangen durch eine axiale Bewegung geöffnet bzw. geschlossen werden, so dass die zur sicheren Befestigung des Werkzeugs notwendige Axialkraft auf das Werkzeug übertragen werden kann bzw. später auch wieder gelöst werden kann.
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Aus der
EP 1 889 685 B1 ist bereits eine Werkzeugmaschine bekannt, bei der mittels einer Messuhr die Oberflächenkontur der Umfangsfläche des Spindelkopfes dahingehend untersucht wird, ob eine Deformation vorliegt. Eine derartige Deformation wird sodann darauf zurückgeführt, dass u.a. im Bereich zwischen Werkzeug-Außenfläche und der Innenfläche der Werkzeugaufnahme ein Fremdkörper wie z.B. ein Span eingeklemmt wurde.
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Dies reicht jedoch bei den immer höheren Anforderungen an Genauigkeit und Zuverlässigkeit bei Werkzeugmaschinen nicht mehr aus.
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Aufgabe und Vorteile der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es eine motorisch angetriebene Werkzeugmaschineneinheit vorzuschlagen, die eine verbesserte Genauigkeit aufweist und/oder mit der die Präzision der Bearbeitung durch die entsprechende Werkzeugmaschine verbessert werden kann.
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Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Werkzeugmaschineneinheit einleitend genannten Art, durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.
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Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Werkzeugmaschineneinheit dadurch aus, dass zwischen dem Werkzeugsensor und der Drehachse wenigstens eine Schwächungsstruktur vorgesehen ist, um eine mechanische Auslenkung bei Belastung des Werkzeuges und/oder bei veränderter Lastsituation der Rotoreinheit oder Teile hiervon zu vergrößern und/oder weniger zu dämpfen.
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Mit Hilfe dieser Schwächungsstruktur wird erreicht, dass die Sensitivität der Sensorik verbessert wird und damit bessere Ergebnisse bzw. eine höhere Genauigkeit erreicht wird. Dies wirkt sich positiv auf die Präzision der Werkzeugmaschine aus. Hierbei wird unter Sensorik der Sensor und das bzw. mit dem zu sensierende bzw. zu erfassende Sensorelement verstanden. Durch die vorteilhafte stärkere Verformung des Sensorelementes bzw. Veränderungen der zu sensierenden Sensorfläche und/oder des zu erfassenden Abstandes des Sensorelementes zum „eigentlichen“ Sensor wird demzufolge die Sensorik deutlich verbessert, obwohl der „eigentliche“ Sensor (üblicherweise) nicht verändert/verbessert wird.
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Vorteilhafterweise ist die Schwächungsstruktur als Auskragung des Werkzeugsensors und/oder eines Sensorelementes des Werkzeugsensors ausgebildet. Hiermit wird in vorteilhafter Weise eine Schwächung eines Sensorelementes des Werkzeugsensors erreicht, womit die Auslenkung bzw. Verformung des Sensorelementes bzw. der Auskragung bei entsprechender Belastung bzw. veränderter Lastsituation weniger gedämpft und dementsprechend vergrößert wird. Dies erhöht in vorteilhafter Weise die Sensitivität der Sensorik.
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Bei einer vorteilhaften Variante der Erfindung ist die Schwächungsstruktur als Ausnehmung der Rotoreinheit und/oder der Rotorwelle und/oder als Ausnehmung der Werkzeugaufnahmeeinheit ausgebildet. Diese Ausnehmung schwächt die Stabilität der entspr. Komponente, so dass eine stärkere Verformung bzw. höhere Genauigkeit der Sensorik erreicht wird.
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Vorteilhafterweise ist die Ausnehmung an einer radial nach außen ausgerichteten Oberfläche der Rotoreinheit und/oder Rotorwelle und/oder Werkzeugaufnahmeeinheit ausgebildet und/oder die Ausnehmung an einer radial nach innen ausgerichteten Oberfläche der Rotoreinheit und/oder Rotorwelle und/oder Werkzeugaufnahmeeinheit ausgebildet. In dieser Weise ist die Ausnehmung vorteilhaft herstellbar, so dass der Fertigungsaufwand und/oder Kostenaufwand verringert wird.
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Beispielsweise ist in radialer Richtung betrachtet die Schwächungsstruktur und/oder die Ausnehmung zwischen dem Werkzeugsensor und der Werkzeugaufnahmeeinheit und/oder in radialer Richtung betrachtet die Schwächungsstruktur und/oder die Ausnehmung zwischen dem Werkzeugsensor und der Drehachse angeordnet. Es hat sich in ersten Versuchen gezeigt, dass sich in diesem Bereich die Schwächung sehr positiv auf die messbare Verformung bzw. höhere Genauigkeit der Sensorik auswirkt.
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Vorteilhafterweise ist, in axialer Richtung betrachtet, die Schwächungsstruktur und/oder die Ausnehmung zwischen dem Werkzeugsensor und dem ersten Wälzlager und/oder in axialer Richtung betrachtet die Schwächungsstruktur und/oder die Ausnehmung zwischen der Werkzeugaufnahmeeinheit und dem ersten Wälzlager angeordnet. Auch hier wirkt sich die Schwächung auf die erreichbare Genauigkeit positiv aus.
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In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist die Ausnehmung als Hohlraum innerhalb der Rotoreinheit ausgebildet und insbesondere vollständig von Material und/oder Komponenten der Rotoreinheit umgeben. Beispielsweise umfasst die Schwächungsstruktur und/oder die Ausnehmung wenigstens Luft. Hierdurch ist die Ausnehmung vorteilhaft realisierbar, so dass der Fertigungsaufwand und/oder Kostenaufwand verringert wird.
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Vorteilhafterweise umfasst die Schwächungsstruktur zumindest einen Kunststoff. Alternativ oder in Kombination hierzu umfasst zumindest ein Metall. Insbesondere besteht die Schwächungsstruktur aus keinem Stahl, sondern z.B. Kupfer, Aluminium bzw. entspr. Legierungen oder dergleichen. Auch dies kann die Sensitivität in vorteilhafter Weise erhöhen und ist zudem kostengünstig herstellbar.
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Üblicherweise gehört in der Regel die sich gegenüber der Statoreinheit drehende Rotoreinheit zu einem Motorspindel-Antrieb. Das eigentliche spanende Werkzeug (Fräser, Bohrer usw.) wiederum wird üblicherweise in einem Werkzeughalter, der/die wiederum in einer Werkzeugspannvorrichtung angeordnet ist, gehalten bzw. verspannt, welche als Teil des Spindelkopfes der Rotoreinheit anzusehen ist. Die Werkzeugspannvorrichtung besitzt zu diesem Zweck eine Halterung für einen Werkzeughalter. Die Werkzeugspannvorrichtung wird üblicherweise mit einer Spannkraft beaufschlagt und in Längsrichtung der Drehachse verstellt. Ein Teil der Spannvorrichtung kann dabei etwa in eine sich verjüngende Aufnahme gezogen werden, sodass der Werkzeughalter bzw. das Werkzeug wiederum u.a. mit einer radial wirkenden Kraft geklemmt werden kann. Durch Lösen der Spannkraft kann üblicherweise das verspannte Werkzeug wieder gelöst werden und es kann der Werkzeugmaschine entnommen bzw. gewechselt werden.
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Meistens ist der eigentliche Sensor in einem sog. Sensorkopf untergebracht; der Sensor misst seinen Abstand zur Rotoreinheit und/oder einem/dem Sensorelement, wobei der Sensor bzw. der Großteil des Sensors üblicherweise selbst in der Statoreinheit entsprechend angeordnet ist. Die Sensordaten werden in vorteilhafter Weise mit einer Elektronikeinheit bzw. einer Auswerteelektronik verarbeitet bzw. ausgewertet, welche rechnergesteuert sein kann.
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Der wenigstens eine Sensorkopf ist üblicherweise an der Statoreinheit an einer festen Position im Bereich der Werkzeugspannvorrichtung angeordnet und kann sowohl stirnseitig am rotierenden Spindelkopf der Rotoreinheit und/oder seitlich messen/erfassen, d.h. üblicherweise das sog. Sensorelement.
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Es können Sensoren bzw. Sensorköpfe aber auch positionsvariabel angeordnet sein. In der Regel führt beispielsweise ein zwischen Werkzeug und Werkzeugspannvorrichtung/Spindel/Rotoreinheit eingeklemmter Span dazu, dass das Werkzeug nicht mehr exakt zentrisch/gerade um die Drehachse läuft bzw. dass die Werkzeugspannvorrichtung leicht (auch elastisch) verformt wird und ein unveränderter Rundlauf, ein unveränderter Planlauf des Werkzeugs bzw. Werkzeughalters oder ein Drehen ohne Winkeländerung nicht mehr gewährleistet werden kann. Eine Störung des Rundlaufs stellt in der Regel eine besondere Beeinträchtigung der Bearbeitung dar. Derartige Verlagerungen und/oder Verformungen treten im Allgemeinen sowohl seitlich als auch stirnseitig/axial auf und sind dort auch grundsätzlich detektierbar. Stirnseitig wird ein Abstand parallel zur Drehachse gemessen, seitlich ein Abstand, der radial zur Drehachse verläuft. Alle derartigen Verlagerungen und/oder Verformungen bis hin zu Verschiebungen der Rotoreinheit können auf diese Art und Weise festgestellt werden. Mit der Schwächungsstruktur kann hierbei die Genauigkeit bzw. Sensitivität verbessert werden.
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Eine Messung kann grundsätzlich in einem 90°-Winkel zur Oberfläche und/oder zur Drehachse der Rotoreinheit erfolgen, aber auch in einem davon abweichenden Winkel.
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Gerade bei Werkzeugmaschinen werden hohe Anforderungen an die Bearbeitungsgenauigkeit gestellt. Das Werkzeug und damit die Schneide/Schneiden müssen üblicherweise bei der Bearbeitung in genau definierter Weise im Werkzeughalter bzw. in der Werkzeugspannvorrichtung eingesetzt sein und bewegt werden, damit das zu bearbeitende Werkstück innerhalb der vorgegebenen Toleranzgrenze bearbeitet wird. Auch dann, wenn die Werkzeugmaschine und insbesondere die Werkzeugspannvorrichtung mit der notwendigen Präzision gefertigt sind, kommen beim Einsatz der Maschine zusätzliche Faktoren hinzu, welche es üblicherweise verhindern können, dass ein definierter Rundlauf/Planlauf weiterhin gegeben ist oder keine Winkelfehler auftreten. Im Betrieb der Maschine können z.B. die bei der Bearbeitung auftretenden Späne am Werkzeug haften bleiben oder verklemmen und dafür sorgen, dass das Werkzeug nicht in der eigentlichen Soll-Position rotiert.
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Ausführungsbeispiel
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert.
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Im Einzelnen zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer ersten Werkzeugmaschineneinheit gemäß der Erfindung,
- 2 schematische Darstellungen von drei verschiedenen Spindelausführungen gemäß dem Stand der Technik,
- 3 ein schematischer, geschnittener Ausschnitt einer Motorspindel mit Radial-Sensor gemäß dem Stand der Technik,
- 4 ein schematischer, geschnittener Ausschnitt einer weiteren Motorspindel mit Axial-Sensor gemäß dem Stand der Technik,
- 5 eine schematische Darstellung einer ersten Sensoreinheit mit einer ersten Ausnehmung gemäß der Erfindung,
- 6 eine schematische Darstellung einer zweiten Sensoreinheit mit einer zweiten Ausnehmung gemäß der Erfindung,
- 7 eine schematische Darstellung einer dritten Sensoreinheit mit einer dritten Ausnehmung gemäß der Erfindung und
- 8 eine schematische Darstellung einer vierten Sensoreinheit mit einer ersten Auskragung gemäß der Erfindung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausschnittes einer Werkzeugmaschineneinheit 1 mit einem Teil einer Statoreinheit 2 und einem Teil einer Rotoreinheit 3, wobei in 1 vor allem ein Spindelkopf als Teil der Rotoreinheit 3 zu sehen ist. Die Statoreinheit 2 weist beispielsweise einen Ring 4 auf, an dem beispielsweise ein Sensorkopf bzw. Sensor 5 in Form eines Axialsensors angebracht ist. Die Rotoreinheit 3 umfasst z.B. einen Messring bzw. Sensorelement 6 aus einem Metall, der hier vorteilhafterweise aus einem paramagnetischen Material gefertigt ist. Der Axialsensor bzw. Sensor 5 ist so angeordnet, dass er einen Abstand zu einer stirnseitigen Fläche der Rotoreinheit 3 misst. Denkbar ist aber auch eine seitliche Messung, radial zur Drehachse D. Diese Fläche, zu welcher der Abstand bestimmt wird, befindet sich auf dem Messring bzw. Sensorelement 6. Der Axialsensor bzw. Sensor 5 ist z.B. als Wirbelstromsensor ausgebildet, um trotz etwaiger Verschmutzungen möglichst genaue Messungen erhalten zu können.
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Der Sensorkopf/Axialsensor bzw. Sensor 5 ist beispielsweise mit einer Elektronikeinheit 7 verbunden; beide zusammen bilden eine Prüfungsvorrichtung 8, die wiederum mit einer Maschinensteuerung 9 verbunden ist, sodass gegebenenfalls bei zu starken Planlauffehlern in die Steuerung eingegriffen werden kann.
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Bei einer besonderen Weiterbildung ist beispielsweise nur ein Sensorkopf bzw. Sensor 5 vorgesehen. Denkbar ist es, zusätzlich einen Triggersensor, z.B. zur Erkennung einer optischen Referenzmarkierung am Messring bzw. Sensorelement 6 einzusetzen, wobei ein solcher Triggersensor beispielsweise auch am Sensorring 4 angebracht werden kann. Die Markierung kann auch als Nut oder dergleichen ausgebildet sein. Mit einem derartigen Triggersensor wird nur der Initialpunkt für die Messungen getriggert, damit bei der Auswertung einfacher die Phasenbeziehungen der Messwerte zueinander festgesetzt werden können. Ein Triggersensor ist nicht zwingend notwendig und auch in 1 nicht weiter dargestellt.
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Die Statoreinheit 2 umfasst beispielsweise eine Abdeckung 10 für den Sensorring 4 und des Weiteren einen Lagerdeckel 11. An der Rotoreinheit 3 ist eine Werkzeugspannvorrichtung 12 angebracht (in 1 ist der Konusring dargestellt).
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In 2 sind drei verschiedene Varianten von Spindeln gemäß dem Stand der Technik schematisch dargestellt, wobei ein elektromagnetisches Antriebssystem 120 einerseits zwischen einer sog. vorderen Spindellagerung 121 und einer sog. hinteren Spindellagerung 122 angeordnet ist (vgl. 2a)) oder hinter der sog. hinteren Spindellagerung 122 (vgl. 2b)) oder mittels einer Kupplungseinheit 126 wiederum hinter der sog. hinteren Spindellagerung 122 (vgl. 2c)). Die Spindellagerungen 121, 122 sind zur Lagerung der drehbaren Rotoreinheit 3 bzw. Rotorwelle 105 bzw. Spindelwelle 105 vorgesehen.
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In den 3 und 4 sind zwei weitere Varianten gemäß dem Stand der Technik dargestellt, wobei im Schnitt eine Motorspindel 3 einer Werkzeugmaschine dargestellt ist. Wie im Werkzeugmaschinenbau üblich ist eine Seite einer Spannzange 1 mit mehreren Spannsegmenten 2 im ungespannten Zustand (fast nicht dargestellten Teil) und im gespannten Zustand der Motorspindel 3 bzw. der Spannzange 101 bzw. des Spindelkopfes 1 dargestellt.
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Im dargestellten, gespannten Teil der Motorspindel 3 der 3 und 4 ist ein Sensor 104 zu erkennen. In 3 weist dieser Sensor 104 einen radial ausgerichteten Wirkbereich auf und in 4 einen in Drehachse D ausgerichteten Wirkbereich auf. Demzufolge ist in 3 ein Radial-Sensor 104 und in 4 ein Axial-Sensor 104 dargestellt. In den 3 und 4 ist jedoch ein optional verwendbarer, zweiter oder dritter Sensor nicht zu erkennen, da diese, insofern verwendet, jeweils in Umfangsrichtung, insb. um 90° oder 180° etc., versetzt angeordnet wären/sind und somit in den geschnittenen Darstellungen nicht sichtbar sind.
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Veränderungen im Spindelkopf 1 bzw. durch eine axial und/oder radial in Bezug zur Drehachse D gerichtete Belastung bzw. Kraftbeaufschlagung eines nicht näher dargestellten Werkezuges bzw. Spannzange 101 wird ein in 3 schematisch dargestellte Bereich X einer Spindelwelle 105 bzw. eines Gegenhalters 106 bzw. Anschlags/Ringelementes 106 der Motorspindel 103 in radialer Richtung R verformt bzw. geweitet. Hierbei überträgt ein Element 107 der Spindelwelle 105 eine Spannkraft F bzw. Verlagerung und/oder Verformung, d.h. Veränderung, auf das Element 106. Hierdurch verändert bzw. verkleinert sich ein Abstand A bzw. Luftspalt 109 zwischen Rotoreinheit bzw. Spindelwelle 105 und einer Statoreinheit 100 mit dem Radialsensor 104. Der Zustand gemäß der o.g. Referenzmessung im Bereich X ist der Soll-Zustand und eine Veränderung durch Kraft-/Änderungen im Bereich des Spindelkopfes 1 der erfassten Ist-Verlagerung und/oder Verformung bzw. der Ist-Zustand wird entsprechend in vorteilhafter Weise zur Kontrolle/Steuerung der Motorspindel bzw. Rotoreinheit 3 verwendet.
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In 4 ist eine axial ausgerichtete Verformung eines Messarmes 111 mit dem Axial-Sensor 104 bzw. eine axiale Änderung A des Abstandes 109 erfassbar und weiter verarbeitbar. Diese axiale Änderung A wird wiederum durch eine Kraft-/Änderungen F am Werkzeug 50 bzw. am/im Spindelkopf 1 bzw. axiale und/oder radiale Verformung/Veränderung am Werkzeug 50 bzw. Spindelkopf 1, die übertragen wird auf die Werkzeugaufnahmeeinheit 108 und auf das Element 106 und somit schließlich auf den Messarm 111 bzw. dessen detektierbare/r Sensorfläche/Abstand 109.
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In den 5 bis 8 sind verschiedene Varianten gemäß der Erfindung (teilweise geschnitten) dargestellt. Hierbei sind diverse Schwächungsstrukturen 30, 31 vorhanden. Ein Sensorelement 6 bzw. eine vom Sensor 5 beabstandete und detektierbare Sensorfläche des Sensorelementes 6 ist an/auf dem Messring 106 angeordnet oder ggf. einstückig mit dem um die Drehachse D rotierbaren Messring 106 ausgebildet. Der Messring 106 ist mit einem Gewindering 125 fixiert, insb. gegen das vordere Lager 121 bzw. dessen Innenring gedrückt.
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Bei der Variante gemäß 5 ist eine Ausnehmung 30 vorgesehen, die als Nut der Rotorwelle 105 bzw. Spindelwelle 105 ausgebildet ist und vom Messring 106 abgedeckt ist.
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Bei der Variante gemäß 6 ist eine Ausnehmung 30 vorgesehen, die als Nut des Messrings 106 ausgebildet ist und als offene Nut realisiert ist.
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Bei der Variante gemäß 7 ist eine Ausnehmung 30 vorgesehen, die als Nut des Messrings 106 ausgebildet ist und von der Rotorwelle 105 bzw. Spindelwelle 105 abgedeckt ist.
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Bei der Variante gemäß 8 ist eine Ausnehmung des Messrings 106 als Auskragung 31 vorgesehen, auf der das Sensorelement 6 bzw. die vom Sensor 5 beabstandete und detektierbare Sensorfläche des Sensorelementes 6 angeordnet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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