DE102022210061A1 - Device and method for laser beam welding of components - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Laserstrahlschweißen eines ersten Bauteils (6) mit einem zweiten Bauteil (5), bei der eine erste Laserstrahleinrichtung (1a) einen Schweißlaserstrahl (2) auf die Außenoberfläche (4) des ersten Bauteils (5) richtet, um entlang einer zu bildenden Schweißnaht (8) das erste Bauteil (5) mit dem hieran zur Anlage gebrachten zweiten Bauteil (6) durch Bildung eines bauteilübergreifenden Schmelzbads (7) zu verschweißen, wobei der ersten Laserstrahleinrichtung (1a) zur Erzeugung des Schweißlaserstrahls (2) mindestens eine zweite Laserstrahleinrichtung (1b) zur Erzeugung eines Nebenlaserstrahls (3) zugeordnet ist, wobei der Nebenlaserstrahl (3) in einem spitzen Winkel (α) zum Schweißlaserstrahl (2) verlaufend auf einen Randbereich (9) des vom Schweißlaserstrahl (2) im ersten Bauteil (5) erzeugten Schmelzbads (7) ausgerichtet ist, so dass sich eine randseitige Schmelzbadaufweitung (10) ausbildet. The invention relates to a device and a method for laser beam welding of a first component (6) with a second component (5), in which a first laser beam device (1a) directs a welding laser beam (2) onto the outer surface (4) of the first component (5). in order to weld the first component (5) along a weld seam (8) to be formed with the second component (6) brought into contact therewith by forming a melt pool (7) across the component, the first laser beam device (1a) being used to generate the welding laser beam ( 2) at least one second laser beam device (1b) is assigned for generating a secondary laser beam (3), the secondary laser beam (3) extending at an acute angle (α) to the welding laser beam (2) onto an edge region (9) of the welding laser beam (2) The melt pool (7) produced in the first component (5) is aligned, so that an edge-side melt pool expansion (10) is formed.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Laserstrahlschweißen, insbesondere Laserstrahltiefschweißen, eines ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil, bei dem eine Laserstrahleinrichtung einen Schweißlaserstrahl auf die Außenoberfläche des ersten Bauteils richtet, um entlang einer zu bildenden Schweißnaht das erste Bauteil mit dem hieran zur Anlage gebrachten zweiten Bauteil durch Bildung eines bauteilübergreifenden Schmelzbads zu verschweißen.The invention relates to a device and a method for laser beam welding, in particular laser beam deep welding, of a first component with a second component, in which a laser beam device directs a welding laser beam onto the outer surface of the first component in order to abut the first component along a weld seam to be formed brought to weld the second component by forming a cross-component melt pool.
Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich auf stoffschlüssige Verbindungen, welche vornehmlich für großformatige flächige Bauteile aller Art, insbesondere Metallbleche oder Metallfolien, herzustellen sind. Das hier interessierende Lasertiefstrahlschweißen kann neben Metallbauteilen auch auf Kunststoffbauteile unter entsprechender Anpassung der Prozessparameter angewendet werden.The field of application of the invention extends to cohesive connections, which are to be produced primarily for large-format, flat components of all kinds, in particular metal sheets or metal foils. Laser deep beam welding, which is of interest here, can be used not only on metal components but also on plastic components with appropriate adjustment of the process parameters.
Stand der TechnikState of the art
Aus der
Beim Laserstrahlschweißen der hier interessierenden Art kann es zu einer Ablösung von Schmelztropfen aus dem hochdynamischen Schmelzbad kommen, welche sich als Schweißspritzer an der Außenoberfläche des oberen Bauteils ablagern und hieran anheften können. Diese sind gewöhnlich nach dem Schweißvorgang mechanisch oder anderweitig zu entfernen, um eine möglichst glatte Außenoberfläche zu erhalten. Im Extremfall erfordert eine solche Ablösung von Schmelztropfen sogar ein Wiederauffüllen der Dampfkapillare mit zurückfließender Schmelze, um eine hinreichend stabile Schweißnaht sicherzustellen. Dies lässt sich steuerungstechnisch nur recht aufwändig überwachen und umsetzen.During laser beam welding of the type of interest here, melt drops can be detached from the highly dynamic melt pool, which can be deposited as weld spatter on the outer surface of the upper component and adhere to it. These usually have to be removed mechanically or otherwise after the welding process in order to obtain the smoothest possible external surface. In extreme cases, such a detachment of melt drops even requires the steam capillary to be refilled with melt flowing back in order to ensure a sufficiently stable weld seam. This can only be monitored and implemented with considerable effort in terms of control technology.
Gemäß dem allgemein bekannten Stand der Technik wird zur Vermeidung von Spritzern beim Laserstrahlschweißen bereits das so genannte Nebendüsenverfahren verwendet. Hierbei wird eine gegenüber dem Schweißlaserstrahl angestellte Gasströmung auf das Schmelzbad gerichtet, die von einer Nebendüse erzeugt wird und infolge der Übertragung des Strömungsimpulses auf das Schmelzbad zu einer Kapillaraufweitung führt. Allerdings lassen sich die Prozessparameter des Gasstroms und dessen Fokussierung nur recht aufwändig und innerhalb enger Wirksamkeitsgrenzen einstellen.According to the generally known state of the art, the so-called secondary nozzle process is already used to avoid spatter during laser beam welding. Here, a gas flow that is opposite to the welding laser beam is directed onto the melt pool, which is generated by a secondary nozzle and, as a result of the transfer of the flow impulse to the melt pool, leads to capillary expansion. However, the process parameters of the gas stream and its focusing can only be set with great effort and within narrow effectiveness limits.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Laserstrahlschweißen der vorstehend beschriebenen Art dahingehend weiter zu verbessern, dass eine Ablösung von Schmelztropfen aus dem Schmelzbad mit geringem technischem Aufwand vermieden oder zumindest reduziert wird.It is therefore the object of the present invention to further improve a device and a method for laser beam welding of the type described above in such a way that detachment of melt drops from the melt pool is avoided or at least reduced with little technical effort.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die Erfindung schließt die technische Lehr ein, dass ein herkömmlicher Schweißlaserstrahl zum Laserstrahlschweißen mit mindestens einem Nebenlaserstrahl derart kombiniert wird, dass der Nebenlaserstrahl in einem spitzen Winkel α zum Schweißlaserstrahl verlaufend auf einen Randbereich des vom Schweißlaserstrahl im ersten Bauteil erzeugten Schmelzbads gerichtet ist, um an dieser Stelle eine randseitige Schmelzbadaufweitung zu erzeugen. Unter dem Begriff Schmelzbadaufweitung fällt auch eine hiermit verbundene Kapillaraufweitung im Schmelzbad, die um den Laserstrahl entsteht. Als Randbereich des Schmelzbades wird ferner die sich an der Außenoberfläche des ersten Bauteils beim Schweißen gebildete Grenze zwischen dem festen Werkstoff und dem flüssigen Schmelzbad verstanden.The invention includes the technical teaching that a conventional welding laser beam for laser beam welding is combined with at least one secondary laser beam in such a way that the secondary laser beam, running at an acute angle α to the welding laser beam, is directed at an edge region of the melt pool generated by the welding laser beam in the first component in order to be directed at this To create an expansion of the melt pool at the edge. The term melt pool expansion also includes an associated capillary expansion in the melt pool, which occurs around the laser beam. The edge region of the melt pool is also understood to be the boundary formed on the outer surface of the first component during welding between the solid material and the liquid melt pool.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht insbesondere darin, dass durch die Schmelzbadaufweitung eine spritzerreduzierende Kapillaraufweitung des gewöhnlich vom Schweißlaserstrahl erzeugten Schmelzbads erzielt wird. Da der hierfür vorgesehene Nebenlaserstrahl hinsichtlich seiner Prozessparameter, wie insbesondere Wellenlänge und Spotdurchmesser über die Laserstrahleinrichtung frei skalierbar ist, lässt sich die Wirksamkeit hinsichtlich einer minimalen Spritzeremission auch bei unterschiedlichen Materialien flexibel anpassen.The advantage of the solution according to the invention is, in particular, that the melt pool expansion achieves a spatter-reducing capillary expansion of the melt pool usually generated by the welding laser beam. Since the secondary laser beam provided for this purpose is freely scalable via the laser beam device with regard to its process parameters, such as wavelength and spot diameter, the effectiveness in terms of minimal spatter emission can be flexibly adjusted, even with different materials.
Vorzugsweise ist eine elektronische Steuereinheit zum derart synchronen Ansteuern der ersten Laserstrahleinrichtung und der zweiten Laserstrahleinrichtung vorgesehen, dass der Nebenlaserstrahl in dem vorstehend spezifizierten spitzen Winkel α zum Schweißlaserstrahl verlaufend ausgerichtet ist. Die Steuereinheit stellt vorzugsweise eine gleichzeitige Ausgabe des Schweißlaserstrahls und des Nebenlaserstrahls sicher. Die beiden Laserstrahleinrichtungen können dabei zu einer gemeinsamen Baueinheit zusammengefasst sein.Preferably, an electronic control unit is provided for synchronously controlling the first laser beam device and the second laser beam device in such a way that the secondary laser beam is aligned at the above-specified acute angle α to the welding laser beam. The control unit preferably ensures simultaneous output of the welding laser beam and the secondary laser beam. The two laser beam devices can be combined to form a common structural unit.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Nebenlaserstrahl entgegen der Vorschubrichtung des Schweißlaserstrahls unter dem spitzen Winkel α den Schweißlaserstrahl kreuzend ausgerichtet. Hierdurch zielt der Nebenlaserstrahl auf den rückwärtigen Teil des Schmelzbads, der zur Bildung der Schweißnaht aufgrund der Vorschubbewegung stückweise erstarrt. Mit anderen Worten wird bei dieser speziellen Anordnung durch den Nebenlaserstrahl ein optischer Druck auf die Kapillarrückwand erzeugt. Hierdurch ergibt sich eine Nahtmodifikation, welche sich in der erstarrten Schweißnaht abzeichnet und einen höheren Stoffschluss zwischen oberem und unterem Bauteil gewährleistet. Dank der erfindungsgemäß aufgeweiteten Dampfkapillare, ist auch ein schnelleres Schweißen mit im Vergleich zum herkömmlichen Laserstrahlschweißen höherer Vorschubgeschwindigkeit möglich, ohne dass hierdurch eine Spritzerbildung verstärkt wird.According to a preferred embodiment of the invention, the secondary laser beam is aligned opposite to the feed direction of the welding laser beam at the acute angle α crossing the welding laser beam. As a result, the secondary laser beam is aimed at the rear part of the melt pool, which solidifies piece by piece due to the feed movement to form the weld seam. In other words, with this special arrangement, an optical pressure is generated on the capillary back wall by the secondary laser beam. This results in a seam modification, which is visible in the solidified weld seam and ensures a higher material connection between the upper and lower component. Thanks to the steam capillary expanded according to the invention, faster welding is also possible with a higher feed rate compared to conventional laser beam welding, without this increasing spatter formation.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich die vom Nebenlaserstrahl erzeugte Schmelzbadaufweitung über einen kleineren Bereich Q als das vom Schweißlaserstrahl erzeugte Schmelzbad. Hierdurch hat der herkömmliche Schweißlaserstrahl einen höheren Anteil an der Entstehung der zu bildenden Schweißnaht als der Nebenlaserstrahl, welcher primär der Kapillaraufweitung und damit Spritzerreduzierung dient.According to a preferred embodiment, the melt pool expansion generated by the secondary laser beam extends over a smaller area Q than the melt pool generated by the welding laser beam. As a result, the conventional welding laser beam has a higher share in the creation of the weld seam to be formed than the secondary laser beam, which primarily serves to expand the capillary and thus reduce spatter.
Der Schweißlaserstrahl besteht zum Laserstrahlschweißen vorzugsweise aus einem Aufschmelz-Laserstrahlanteil zur Erzeugung der Schmelzbad-Breite B und einem hiervon umgebenen Tiefschweiß-Laserstrahlanteil zur Erzeugung der Schmelzbad-Tiefe T.For laser beam welding, the welding laser beam preferably consists of a melting laser beam component to generate the melt pool width B and a deep welding laser beam component surrounded by it to generate the melt pool depth T.
Hinsichtlich der Prozessparameter für die Laserstrahleinrichtung lässt sich Spritzer vermeidend eine stabile Schweißnaht dadurch erzielen, dass eine materialspezifische Wellenlänge des Schweißlaserstrahls im Bereich zwischen 343 Nanometern (nm) bis 10.600 nm gewählt wird. Vorzugsweise beträgt die Wellenlänge des Schweißlaserstrahls 400 nm bis 1070 nm. Dieser über Versuche ermittelte Vorzugsbereich beruht insbesondere auf den relativ hohen Absorptionskoeffizienten bei technisch relevanten Metallen, beispielsweise Eisenbasis-, Kupfer-, Alumiunium- oder Titanlegierungen, und richtet sich daher bekannter Maßen nach dem Material.With regard to the process parameters for the laser beam device, a stable weld seam can be achieved while avoiding spatter by selecting a material-specific wavelength of the welding laser beam in the range between 343 nanometers (nm) to 10,600 nm. The wavelength of the welding laser beam is preferably 400 nm to 1070 nm. This preferred range, which was determined through tests, is based in particular on the relatively high absorption coefficients for technically relevant metals, for example iron-based, copper, aluminum or titanium alloys, and therefore depends on the material as is known .
Hinsichtlich des Nebenlaserstrahls können analog dieselben Prozessparameter in den Vorzugsbereichen gewählt werden, da auch das Maß an Kapillaraufweitung in direktem Zusammenhang mit den Absorptionskoeffizienten von Metallen steht. Es ist jedoch auch möglich, für den Schweißlaserstrahl und den Nebenlaserstrahl im Rahmen des angegebenen Bereichs unterschiedliche Wellenlängen zu wählen, sofern ein Aufschmelzen des Materials sichergestellt bleibt.With regard to the secondary laser beam, the same process parameters can be selected in the preferred ranges, since the degree of capillary expansion is also directly related to the absorption coefficients of metals. However, it is also possible to choose different wavelengths for the welding laser beam and the secondary laser beam within the specified range, provided that melting of the material is ensured.
Der Schweißlaserstrahl sowie der diesem bewegungskoordiniert zugeordnete Nebenlaserstrahl kann mit einer synchronen Vorschubgeschwindigkeit V im Bereich zwischen 1 Meter pro Minute (m/min) bis 120 m/min betrieben werden. Somit sind hinsichtlich der unteren Bereichsgrenze besonders geringe Vorschübe darstellbar, um insbesondere große Materialdicken zuverlässig spritzerarm zu verbinden. Diese Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung lassen sich insbesondere auch bei relativ dünneren Bauteilen bis zu einer Vorschubgeschwindigkeit von 120 m/min aufrechterhalten. Somit sind auch besonders schnelle Vorschubgeschwindigkeiten realisierbar, welche es insbesondere ermöglichen an großflächigen Bauteilen besonders lange Schweißnähte innerhalb einer kurzen Bearbeitungszeit herzustellen.The welding laser beam and the additional laser beam assigned to it in a movement-coordinated manner can be operated with a synchronous feed speed V in the range between 1 meter per minute (m/min) to 120 m/min. With regard to the lower range limit, particularly small feeds can be achieved in order to reliably connect large material thicknesses with little spatter. These advantages of the solution according to the invention can be maintained, especially with relatively thinner components, up to a feed speed of 120 m/min. This means that particularly fast feed speeds can be achieved, which make it possible to produce particularly long weld seams on large-area components within a short processing time.
Hinsichtlich des Spotdurchmessers des Schweißlaserstrahls sowie des Nebenlaserstrahls an der Außenoberfläche des oberen Bauteils können Durchmesserwerte zwischen 15 µm bis 1200 µm gewählt werden. Hierdurch lassen sich insbesondere bei dünnen Bauteilen besonders feine Schweißnähte ziehen, wohingegen es die erfindungsgemäße Lösung auch ermöglicht, besonders dicke Schweißnähte in entsprechend dicken Bauteilen auszubilden. Vorzugsweise wird ein Spotdurchmesser zwischen 50 bis 200 µm vorgeschlagen. Dies ist besonders für solche Anwendungen von Vorteil, bei denen relativ dünne Bauteile (im Zehntel mm-Bereich) schnell und gleichzeitig prozesssicher, d.h. mit ausreichender Anbindung in ggf. korrosiver Umgebung miteinander verbunden werden sollen.With regard to the spot diameter of the welding laser beam and the secondary laser beam on the outer surface of the upper component, diameter values between 15 µm and 1200 µm can be selected. This makes it possible to create particularly fine weld seams, particularly in thin components, whereas the solution according to the invention also makes it possible to form particularly thick weld seams in correspondingly thick components. A spot diameter between 50 and 200 µm is preferably suggested. This is particularly advantageous for applications in which relatively thin components (in the tenth of a mm range) need to be connected to one another quickly and reliably, i.e. with sufficient connection in a possibly corrosive environment.
Es ist jedoch auch möglich, für den Schweißlaserstrahl und den Nebenlaserstrahl im Rahmen des angegebenen Bereichs unterschiedliche Spotdurchmesser zu wählen, beispielsweise einen geringeren Spotdurchmesser für den Nebenlaserstrahl im Vergleich zum Schweißlaserstrahl, um eine nur geringfügige Schmelzbadaufweitung zu erzielen.However, it is also possible to choose different spot diameters for the welding laser beam and the secondary laser beam within the specified range, for example a smaller spot diameter for the secondary laser beam compared to the welding laser beam, in order to achieve only a slight expansion of the melt pool.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden vorzugsweise ein unteres Bauteil mit einem oberen Bauteil, beispielsweise Metallbleche oder Metallfolien miteinander verschweißt, insbesondere über einen Überlappungsstoß. Es ist jedoch auch denkbar, mehrere übereinander gestapelte oder selbst runde Bauteile sowie nebeneinander auf einer Ebene liegende Bauteile auch per Stumpfstoß mit der erfindungsgemäßen Lösung zu verbinden.In the context of the present invention, a lower component is preferably welded to an upper component, for example metal sheets or metal foils, in particular via an overlap joint. However, it is also conceivable to have several stacked on top of each other or even Round components as well as components lying next to each other on the same level can also be connected to the solution according to the invention using a butt joint.
Detailbeschreibung anhand ZeichnungDetailed description based on drawing
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
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1 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zum Laserstrahlschweißen eines ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil, und -
2 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung der Verfahrensschritte zur Durchführung des erfindungsgemäßen Laserstrahlschweißens.
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1 a schematic side view of a device for laser beam welding of a first component with a second component, and -
2 a flowchart to illustrate the process steps for carrying out laser beam welding according to the invention.
Gemäß
Der von der Laserstrahleinrichtung 1a generierte Schweißlaserstrahl 2 ist hinsichtlich seiner Prozessparameter derart eingestellt, dass das erste Bauteil 5 vollständig durchschweißt wird und das zweite Bauteil 6 durch Bildung eines bauteilübergreifenden Schmelzbades 7 aufgeschmolzen wird, so dass sich nach Erstarren des Schmelzbades 7 im rückwärtigen Bereich des Schweißlaserstrahls 2 - also entgegen der Vorschubrichtung - eine Schweißnaht 8 für die gewünschte stoffschlüssige Bauteilverbindung ausbildet.The
Der Schweißlaserstrahl 2 ist mit dem von der Laserstrahleinrichtung 1b erzeugten Nebenlaserstrahl 3 derart kombiniert, dass der Nebenlaserstrahl 3 einen spitzen Winkel α zum Schweißlaserstrahl 2 verlaufend auf einen rückwärtigen Randbereich 9 des vom Schweißlaserstrahl 2 im oberen Bauteil erzeugten Schmelzbades 7 zielt, um an dieser Stelle eine randseitige Schmelzbadaufweitung 10 zu erzeugen. Dabei ist der Nebenlaserstrahl 3 entgegen der Vorschubrichtung V des Schweißlaserstrahls 2 und unter dem spitzen Winkel α den Schweißlaserstrahl 2 kreuzend ausgerichtet. Da der Nebenlaserstrahl 3 der Laserstrahleinrichtung 1b mit der Laserstrahleinrichtung 1a für den Schweißlaserstrahl 2 zu einer Baueinheit verbunden ist, bewegen sich Schweißlaserstrahl 2 und Nebenlaserstrahl 3 mit derselben Vorschubgeschwindigkeit in der gezeigten Vorschubrichtung V. Die Schmelzbadaufweitung 10 erstreckt sich ersichtlicherweise über einen kleineren Bereich Q als das vom Schweißlaserstrahl 2 erzeugte Schmelzbad 7.The
Die Strichlinie zwischen der ersten Laserstrahleinrichtung 1a und der zweiten Laserstrahleinrichtung 1a deutet an, dass beide Laserstrahleinheiten 1a und 1b optional auch separat ausgeführt sein können. In jedem Fall werden beide Laserstrahleinheiten 1a und 1b durch eine elektronische Steuereinheit 100 synchron angesteuert, mit der diese somit in kommunikativer Verbindung stehen.The dashed line between the first
Der Schweißlaserstrahl 2 besteht zum Laserstrahlschweißen aus einem Aufschmelz-Laserstrahlanteil 11 größeren Durchmessers, welcher im Wesentlichen die Schmelzbad-Breite B erzeugt. Hiervon eingeschlossen ist ein Tiefschweiß-Laserstrahlanteil 12 des Schweißlaserstrahls 2, welcher zur Erzeugung der Schmelzbad-Tiefe T und der Dampfkapillare dient. For laser beam welding, the
Gemäß
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise möglich materialgleiche Bauteile unterschiedlicher Art zu verschweißen, beispielsweise auch Kunststoffbauteile. Hierfür sind die Schweißparameter, wie insbesondere Wellenlänge, Spotdurchmesser und Vorschubgeschwindigkeit des Schweißlaserstrahls sowie des Nebenlaserstrahls material- und geometriespezifisch anzupassen. Darüber hinaus ist es nicht zwingend erforderlich, dass der Schweißlaserstrahl orthogonal ausgerichtet ist. Es ist denkbar, dass dieser selbst unter einem spitzen Winkel auf das Bauteil einfällt. Wichtig ist die Einhaltung des spitzen Winkels zwischen Schweißlaser- und Nebenlaserstrahl. So ist es auch denkbar, den Schweißlaserstrahl beispielsweise unter 20° Einfallswinkel zu betreiben und den Nebenlaserstrahl unter 50°, sodass sich zwischen den beiden Strahlen ein Winkel von 30° einstellt.The invention is not limited to the preferred embodiment described above. Rather, modifications of this are also conceivable, which are included within the scope of protection of the following claims. For example, it is possible to weld components of different types of the same material, for example plastic components. For this purpose, the welding parameters, such as in particular the wavelength, spot diameter and feed speed of the welding laser beam and the secondary laser beam, must be adapted to the material and geometry. In addition, it is not absolutely necessary that the welding laser beam is aligned orthogonally. It is conceivable that this itself falls on the component at an acute angle. Important is maintaining the acute angle between the welding laser beam and the secondary laser beam. It is also conceivable, for example, to operate the welding laser beam at an angle of incidence of 20° and the secondary laser beam at 50°, so that an angle of 30° is established between the two beams.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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