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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
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Diese PCT-Patentanmeldung beansprucht den Vorteil und die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer
62 / 331,717 , eingereicht am 4. Mai 2016, wobei die gesamte Offenbarung dieser Anmeldung als Teil der Offenbarung der vorliegenden Anmeldung betrachtet und hiermit durch Bezugnahme einbezogen wird.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft im Allgemeinen maßgeschneiderte Strukturkomponenten mit variierenden Mikrostrukturen und insbesondere maßgeschneiderte Strukturkomponenten für Kraftfahrzeuge und Verfahren zu deren Herstellung.
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Verwandte Technik
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Hochfeste Strukturkomponenten aus Stahl für Kraftfahrzeuge, wie B-Säulen, sind häufig mit maßgeschneiderten Materialeigenschaften konstruiert, um Crash-Standards zu erfüllen, die von der Automobilindustrie festgelegt werden, und um andere Anforderungen zu erfüllen. Ein Stahlrohling kann warmgeformt und abgeschreckt werden, um harte Zonen zu erzeugen, die die erforderliche Festigkeit bereitstellen, und weiche Zonen, die eine erhöhte Duktilität in ausgewählten Bereichen des Rohlings bereitstellen. Zur Bildung der weichen Zonen können verschiedene Technologien mit maßgeschneiderten Temperierungseigenschaften (TTP-Technologien) verwendet werden. Zum Beispiel können die weichen Zonen gebildet werden, indem Abschnitte der Formen erhitzt werden, während der Rohling zu einer gewünschten Form zwischen den Formen geformt wird. Die weichen Zonen können auch während eines Nachformungsglühprozesses gebildet werden. Es besteht jedoch ein anhaltender Wunsch nach einem effizienteren Verfahren zum Erzeugen von weichen Zonen in warm geformten Komponenten.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG UND VORTEILE
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer geformten Strukturkomponente. Das Verfahren umfasst die Schritte des Vorbereitens einer Formanordnung, die eine erste Form mit einer ersten formgebenden Oberfläche und eine zweite Form mit einer zweiten formgebenden Oberfläche umfasst und wobei mindestens eine der ersten und zweiten Formen mindestens eine Öffnung aufweist, welches sich zu einer jeweiligen der ersten und zweiten formgebenden Oberfläche erstreckt. Das Verfahren geht weiter mit Erhitzen eines Rohlings, der aus Metall hegestellt ist. Das Verfahren geht weiter mit Einführen des erwärmten Rohlings in die Formanordnung zwischen der ersten und der zweiten formgebenden Oberfläche. Das Verfahren geht weiter mit Schließen der Formanordnung, um den Rohling zu einer strukturellen Komponente zu verformen. In der geschlossenen Formanordnung geht das Verfahren weiter mit dem Schritt gleichzeitiges Kühlen mindestens eines ersten Abschnitts der Strukturkomponente, der in Kontakt mit der ersten und der zweiten formgebenden Oberfläche steht, und Draufrichten von Infrarotlicht direkt auf mindestens einen zweiten Abschnitt der Strukturkomponente durch die mindestens eine Öffnung, um den zweiten Abschnitt des Strukturbauteils im Vergleich zu dem mindestens einen ersten Abschnitt bei einer erhöhten Temperatur zu halten.
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Das Verfahren ermöglicht, dass Strukturbauteile mit maßgeschneiderten Tempereigenschaften in einer Formanordnung mit extrem kurzen Zykluszeiten und ohne die Notwendigkeit von Wärmebehandlungsoperationen nach der Herstellung, hergestellt werden können. Das Verfahren erfordert auch minimale Werkzeugkosten und Energiezufuhr, und die Formanordnung kann schnell mit geringen oder keinen zusätzlichen Kosten modifiziert werden, um die metallurgischen Eigenschaften der resultierenden Strukturkomponenten zu verändern.
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Gemäß eines anderen Aspektes der Erfindung umfasst das Verfahren ferner die Schritte des Öffnens der Formanordnung und des Entfernens der Strukturkomponente von der Formanordnung, und wobei der mindestens eine zweite Abschnitt der Strukturkomponente eine höhere Temperatur als der mindestens eine ersten Abschnitt der Strukturkomponente aufweist, wenn die Strukturkomponente aus der Formanordnung entfernt wird.
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Gemäß eines noch anderen Aspektes der Erfindung weist der erhitzte Rohling vor dem Schritt des Schließens der Formanordnung über 650 °C auf.
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Gemäß eines noch anderen Aspektes der Erfindung weist der mindestens eine erste Abschnitt der Strukturkomponente eine Temperatur auf, die weniger als 200 °C ist und der mindestens eine zweite Abschnitt der Strukturkomponente weist eine Temperatur auf, die größer als 300 °C ist, wenn die Strukturkomponente aus der Formanordnung entfernt wird.
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Gemäß eines noch anderen Aspektes der Erfindung ist das Metall des mindestens eines ersten Abschnitts der Strukturkomponente mindestens im Wesentlichen vollständig Martensit, nachdem die Strukturkomponente aus der Formanordnung entfernt wurde.
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Gemäß eines noch anderen Aspektes der Erfindung erfolgt der Schritt des Draufrichtens von Infrarotlicht direkt auf mindestens einen zweiten Abschnitt der Strukturkomponente weniger als die gesamte Zeit, während die Formbaugruppe geschlossen ist.
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Gemäß eines noch anderen Aspektes der Erfindung ist jede der ersten und zweiten formgebenden Oberflächen mit mindestens einer Öffnung versehen und die Öffnungen in der ersten und der zweiten formgebenden Oberflächen sind zueinander ausgerichtet.
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Gemäß eines noch anderen Aspektes der Erfindung ist der Schritt des Draufrichtens von Infrarotlicht direkt auf mindestens einen zweiten Abschnitt der Strukturkomponente ferner definiert als, Draufrichten von Licht direkt auf den zweiten Abschnitt durch beide der zueinander ausgerichteten Öffnungen in der ersten und der zweiten Form.
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Gemäß eines noch anderen Aspektes der Erfindung ist der Rohling aus 22MnB5-Stahl hergestellt ist.
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Gemäß eines noch anderen Aspektes der Erfindung ist der Schritt des Schließens der Formanordnung ferner definiert als Bewegen eine der ersten und zweiten Formen in Richtung auf die andere der ersten und zweiten Formen, um den Rohling zwischen der ersten und der zweiten formgebenden Oberfläche anzuordnen.
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Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft eine Formanordnung zum Herstellen einer strukturellen Komponente. Die Formanordnung umfasst eine erste Form, die eine erste formgebenden Oberfläche aufweist, und eine zweite Form, die eine zweite formgebenden Oberfläche aufweist. Wenigstens eine der ersten und zweiten Formen ist relativ zu der anderen der ersten und zweiten Formen bewegbar, um die Formenanordnung zu öffnen und zu schließen. Die erste und die zweite Form weist Kühlkanäle zum Fördern eines Kühlmittels durch die erste und die zweite Form auf, um das Strukturbauteil zu kühlen. Mindestens eine der ersten und zweiten Form weist mindestens eine Öffnung auf, die sich zu der jeweiligen formgebenden Oberfläche erstreckt. Mindestens eine Infrarotlampe ist in der mindestens eine Öffnung angeordnet um Infrarotlicht direkt auf die strukturelle Komponente zu richten, wenn die Formanordnung geschlossen ist.
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Gemäß eines noch anderen Aspektes der Erfindung weist jede der ersten und zweiten Formen mindestens eine Öffnung auf und die Öffnungen in den ersten und zweiten Formen sind zueinander ausgerichtet.
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Gemäß eines noch anderen Aspektes der Erfindung ist die mindestens eine Infrarotlampe in der Öffnung einer der ersten und zweiten Formen angeordnet und die ausgerichtete Öffnung in der anderen der ersten und zweiten Formen ist frei von Infrarotlampen.
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Gemäß eines noch anderen Aspektes der Erfindung sind Infrarotlampen in beiden der ausgerichteten Öffnungen in den ersten und zweiten Formen angeordnet.
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Gemäß eines noch anderen Aspektes der Erfindung weist sowohl die erste als auch die zweite Form eine Vielzahl der Öffnungen auf.
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Figurenliste
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Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden ohne weiteres verständlich, wenn sie unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verstanden werden, wobei:
- 1 eine perspektivische Ansicht einer Strukturkomponente ist, dass gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde;
- 2 eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts der Strukturkomponente aus 1 ist und eine Mehrzahl von weichen Zonen veranschaulicht, die in der Strukturkomponente geformt sind;
- 3 eine Querschnittsansicht der Strukturkomponente aus 1 ist, durch eine der in 2 gezeigten weichen Zonen;
- 4 eine Querschnittsansicht einer ersten beispielhaften Ausführungsform einer Formanordnung zum Herstellen der Strukturkomponente ist, mit einem in die Formanordnung geladenen Rohling, wobei sich die Formanordnung in einem offenen Zustand befindet;
- 5 eine weitere Querschnittsansicht der ersten beispielhaften Ausführungsform der Formanordnung ist, wobei sich die Formanordnung in einem geschlossenen Zustand befindet und den Rohling zu einer Strukturkomponente geformt hat;
- 6 eine Querschnittsansicht einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Formanordnung ist, wobei sich die Formanordnung in einem geschlossenen Zustand befindet und den Rohling in die Strukturkomponente geformt hat; und
- 7 eine Querschnittsansicht einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Formanordnung ist, wobei sich die Formanordnung in einem geschlossenen Zustand befindet und den Rohling in die Strukturkomponente geformt hat.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜRBAREN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Unter Bezugnahme auf die 1 - 3 wird allgemein eine Strukturkomponente 20 gezeigt, die mit einem Verfahren gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde. Die Strukturkomponente 20 weist maßgeschneiderte Materialeigenschaften auf, da es, obwohl es aus einem einzelnen, monolithischen Stück besteht, abgeschreckte Bereiche mit erhöhter Härte und temperierte Bereiche mit erhöhter Duktilität aufweist. In der beispielhaften Ausführungsform ist das Strukturbauteil 20 eine B-Säule für eine Kraftfahrzeugkarosserie. Es sollte jedoch erkannt werden, dass das Verfahren verwendet werden könnte, um eine Reihe verschiedener Automobil- und Nicht-Automobilkomponenten einschließlich beispielsweise Säulen, Träger, Stoßstangen und Schienen herzustellen.
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Bezug nehmend auf die 4 und 5 umfasst das beispielhafte Verfahren den Schritt des Vorbereitens einer Formanordnung 22, die eine obere Form 24 und eine untere Form 26 umfasst. In einer ersten beispielhaften Ausführungsform ist die obere Form 24 in vertikaler Richtung beweglich zum Öffnen (in 4 gezeigt) und Schließen (in 5 gezeigt) der Formanordnung 22.
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Die obere Form 24 hat eine obere formgebenden Oberfläche 28, die der unteren Form 26 zugewandt ist, und die untere Form 26 hat eine untere formgebenden Oberfläche 30, die der oberen Form 28 zugewandt ist. Die oberen und unteren formgebenden Oberfläche 28, 30 sind so geformt, dass, wenn sich die Formanordnung 22 in der geschlossenen Position befindet, ein Spalt zwischen der oberen und der unteren formgebenden Oberfläche 28, 30 einen Hohlraum definiert, der im Allgemeinen ähnlich wie die Strukturkomponente 20 geformt ist.
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Jede der Formen 24, 26 umfasst auch eine Mehrzahl von Kühlkanälen 32 zum Befördern eines Kühlfluids (wie etwa Wasser) durch die Formen 24, 26, um die oberen und unteren formgebenden Oberflächen 28, 30 zu kühlen und dadurch die Strukturkomponente abzuschrecken, während des Betriebs der Formanordnung 22. Die oberen und unteren Formen 24, 26 umfassen auch eine Vielzahl von Sätzen von zueinander ausgerichteter Öffnungen 34 (wobei ein Satz ausgerichteter Öffnungen 34 in den 4 und 5 gezeigt ist), die sich von innerhalb der Formen 24, 26 zu den jeweiligen formgebenden Oberfläche 28, 30 erstrecken, so dass die oberen und unteren formgebenden Oberflächen 28, 30 nicht kontinuierlich sind. Daher wird während des Abschreckens keine Wärme aus den Bereichen der Strukturkomponente 20, die mit den Öffnungen 34 ausgerichtet sind, so schnell extrahiert, wie sie aus den umgebenden Bereichen extrahiert wird. Die Öffnungen 34 können beliebige geeignete Formen und Größen haben.
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Die Formanordnung 22 umfasst auch eine Wärmequelle in der Form einer Vielzahl von Infrarotlampen 36 (von denen eine in den 4 und 5 gezeigt ist), die in wenigstens einigen der Öffnungen 34 der oberen Form 24 angeordnet sind, und die dazu da sind, Infrarotlicht nach unten in Richtung der unteren Form 26 zu emittieren. Im ersten Ausführungsbeispiel der Formanordnung 20, sind die Öffnungen in der unteren Form 26 frei von Infrarotlampen 24 oder anderen Wärmequellen und können leer sein können oder gefüllt sein mit Isoliermaterial. Alternativ können die Infrarotlampen 36, wie weiter unten ausführlicher erörtert wird, nur in den Öffnungen 34 der unteren Form 26 angeordnet sein oder können in den Öffnungen 34 sowohl der oberen als auch der unteren Form 24, 26 angeordnet sein.
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Das Verfahren fährt fort mit dem Schritt des Erhitzens eines Metallrohlings 38 in einem Ofen. Vorzugsweise ist der Rohling 38 in Form einer Metallplatte vorgesehen und wird vollständig auf eine im Allgemeinen gleichmäßige Temperatur erhitzt, die größer als 900 °C ist. Das Metall des Rohlings 38 ist vorzugsweise Stahl oder eine Stahllegierung, wie 22MbB5-Stahl. Es sollte jedoch klar sein, dass jedes geeignete Metall verwendet werden kann.
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Das Verfahren fährt fort mit dem Schritt des Einführens des erwärmten Rohlings 38 in die Formanordnung 22 zwischen der oberen und unteren formgebenden Oberfläche 28, 30 und in die in 4 gezeigte Position. An diesem Punkt kann der Rohling 36 durch einen oder mehrere Abstandshalter getragen werden, um den Rohling außer Kontakt mit oder in minimalem Kontakt mit der unteren Form 26 zu halten.
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Das Verfahren fährt fort mit dem Schritt des Schließens der Formanordnung 22, um den Rohling 36 zwischen der oberen und der unteren formgebenden Oberfläche 28, 30 zu verformen, um den Rohling 38 an die Form des Hohlraums anzupassen und dadurch den Rohling 38 zu der Strukturkomponente 20 zu formen. Der gesamte Rohling 38 hat vorzugsweise eine im allgemeinen konstante Temperatur von ungefähr 700 °C zu dem Zeitpunkt, zu dem die Formanordnung 22 zu schließen beginnt. Die erhöhte Temperatur des Rohlings 38 ermöglicht, dass sich das Metall sehr einfach an die Form des Hohlraums der Formanordnung 22 anpasst, ohne das Metall in einem Prozess, der manchmal als „Warmformen“ bekannt ist, übermäßig zu beanspruchen.
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Wenn die Formanordnung 20 geschlossen ist, fährt das Verfahren fort mit dem Schritt des Abschreckens eines ersten Abschnitts 40 der Strukturkomponente 20, der in direktem Kontakt mit den oberen und unteren formgebenden Oberfläche 28, 30 der oberen und unteren Form 24 steht. Insbesondere wird Wärme schnell aus dem Metall des ersten Abschnitts 40 durch die oberen und unteren formgebenden Oberfläche 28, 30 und zu dem Kühlfluid in den Kühlkanälen 32 der oberen und unteren Form 24, 26 extrahiert. Das schnelle Abkühlen des Metalls des ersten Abschnitts 40 führt zur Bildung von Martensit, so dass der erste Abschnitt 40 der Strukturkomponente 20 eine sehr hohe Härte aufweist.
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Gleichzeitig mit dem Abschrecken des ersten Abschnitts 40 der Strukturkomponente 20 innerhalb der Formanordnung 20 werden die Infrarotlampen 36 betrieben, um Infrarotlicht durch die Öffnungen 34 in der oberen Form 24 und direkt auf eine Vielzahl von zweiten Abschnitten der Strukturkomponente 20 zu richten. Das Infrarotlicht injiziert Wärme in das Metall der zweiten Abschnitte 42, um die zweiten Abschnitte 42 auf erhöhten Temperaturen zu halten, während der erste Abschnitt 40 während des Abschreckens schnell abkühlt.
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Wenn die Formanordnung 22 geöffnet wird und die Strukturkomponente 20 daraus entfernt wird, sind die zweiten Abschnitte 42 vorzugsweise immer noch auf erhöhten Temperaturen relativ zu dem ersten Abschnitt 40. In der beispielhaften Ausführungsform, wenn die Strukturkomponente 20 aus der Formanordnung 20 entfernt wird, weist der erste Abschnitt 40 eine Temperatur auf, die weniger als 125 °C beträgt, und die zweiten Abschnitte weisen eine Temperatur auf, die größer als 300 °C ist. Das relativ langsamere Abkühlen der zweiten Abschnitte 42 relativ zu dem ersten Abschnitt 40 temperiert das Metall in den zweiten Abschnitten 42, um die Bildung von Martensit in den zweiten Abschnitten 42 der Strukturkomponente 20 zu verhindern oder zumindest zu reduzieren, und kann die Bildung wenigstens eines von angelassenem Martensit, Ferrit, Perlit, Bainit, Austenit und Zementit fördern. Somit weist der martensitische erste Abschnitt 40 (im Folgenden als die „harte Zone 40“ bezeichnet) der Strukturkomponente 20 eine erhöhte Härte im Verhältnis zu den zweiten Abschnitten 42 (im Folgenden als „weiche Zonen 42“ bezeichnet) auf und die weichen Zonen 42 haben eine verringerte Härte und eine erhöhte Duktilität im Vergleich zu der harten Zone 40.
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Wie in 3 gezeigt, weist die Strukturkomponente 20 auch Übergangszonen 44 zwischen den weichen Zonen 42 und der harten Zone 40 auf. Innerhalb der Übergangszonen 44 nimmt die Duktilität des Metalls von der harten Zone 40 zu der entsprechenden weichen Zone 42 zu, und die Härte nimmt von der jeweiligen weichen Zone 42 zu der harten Zone 40 zu.
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Die Leistung der Infrarotlampen 36, der Abstand zwischen den Infrarotlampen 36 und der Strukturkomponente 20 in dem Hohlraum der Formordnung 22 und die Zeit, in der die Infrarotlampen 36 betrieben werden, können alle speziell ausgewählt werden, um die weichen Zonen 42 der resultierenden Strukturkomponente 20 mit den gewünschten Mikrostrukturen und Materialeigenschaften zu liefern. Diese Variablen können für die verschiedenen Infrarotlampen 36 unterschiedlich sein, so dass die mehreren weichen Zonen 42 in der Strukturkomponente 20 unterschiedliche Mikrostrukturen und unterschiedliche metallurgische Eigenschaften aufweisen können.
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Die gesamte Zykluszeit der Formanordnung 22 vom Einsetzen des Rohlings 38 zwischen die obere und untere formgebenden Oberfläche 28, 30 bis zum Entfernen der geformten Strukturkomponente 20 aus der Formanordnung dauert vorzugsweise weniger als 20 Sekunden. Es hat sich gezeigt, dass die hohe Geschwindigkeit, mit der die Infrarotlampe 36 auf Betriebstemperatur gebracht werden kann, eine derart schnelle Zykluszeit ermöglicht, wodurch die Formanordnung 22 eine sehr große Anzahl von Strukturkomponenten 20 in minimaler Zeit herstellen kann.
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Um schnelle Zykluszeiten für die Formanordnung 22 zu erzielen, während die weichen Zonen 42 immer noch temperiert werden, wenn die Strukturkomponente 20 aus der Matrizenanordnung 22 entfernt wird, haben die weichen Zonen 42 vorzugsweise noch eine erhöhte Temperatur im Vergleich zu der harte Zone 40. Die harten und weichen Zonen 40, 42 kühlen dann fertig ab auf Raumtemperatur außerhalb der Düsenanordnung 22. Es sind keine Wärmebehandlungsoperationen nach dem Verfahren erforderlich.
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Da sich die Öffnungen 34 der oberen und unteren Formen 24, 26 den ganzen Weg zu den formgebenden Oberfläche 28, 30 erstrecken, kann das Metall in den weichen Zonen 42 der Strukturkomponente 20 nicht verformt werden, wenn die Formanordnung 22 geschlossen wird. Das heißt, die weichen Zonen 42 können nur in unterformte oder flache Bereiche der Strukturkomponente 20 geformt werden.
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Die weichen Zonen 42 sind vorzugsweise in Bereichen der Strukturkomponente 20 angeordnet, wo eine erhöhte Duktilität und/oder verringerte Härte wünschenswert ist. Beispielsweise können sich die weichen Zonen 42 an Stellen befinden, an denen mechanische Elemente, wie Stanzniete oder Flussschrauben, in die Strukturkomponente 20 eindringen sollen, wodurch ein leichteres Durchdringen der Strukturkomponente 20 ermöglicht wird. Die weichen Zonen 42 können auch in Bereichen der Strukturkomponente 20 angeordnet sein, die lokalisierten Kräften ausgesetzt sind, um lokale Spannungen zu reduzieren, indem sie Energie absorbieren und die Bildung von Rissen in diesen Bereichen verhindern oder zumindest reduzieren.
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Nun wird bezugnehmend auf 6 eine zweite beispielhafte Ausführungsform der Formanordnung 122 im Allgemeinen mit gleichen Bezugszeichen gezeigt, die durch ein Präfix von „1“ getrennt sind, und entsprechende Elemente bei der oben beschriebenen ersten beispielhaften Ausführungsform anzeigen. In der zweiten beispielhaften Ausführungsform sind Infrarotlampen 136 in den Öffnungen 134 von sowohl der oberen als auch der unteren Formen 124, 126 vorgesehen. Wenn die Düsenanordnung 122 geschlossen ist, wird folglich Infrarotlicht direkt sowohl auf eine obere Oberfläche als auch auf eine untere Oberfläche der Strukturkomponente 120 geleitet, um die weichen Zonen 142 zu erwärmen.
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Nun wird bezugnehmend auf 7 eine dritte beispielhafte Ausführungsform der Formanordnung 222 im Allgemeinen mit gleichen Bezugszeichen gezeigt, die durch ein Präfix von „2“ getrennt sind, und entsprechende Elemente bei der oben beschriebenen ersten und zweiten beispielhaften Ausführungsform anzeigen. In der dritten beispielhaften Ausführungsform weist die untere Form 226 keine Öffnungen 234 auf, und daher wird, wenn die Formanordnung 222 Wärme schließt, Wärme in die weichen Zonen 242 von dem Infrarotlicht injiziert und Wärme wird von den weichen Zonen 242 durch die untere formgebende Oberfläche 230 der unteren Form 226 extrahiert. Dies kann eine gewisse Verformung des Metalls in den weichen Zonen 242 ermöglichen. Die Rate, mit der die Wärme aus den weichen Zonen 242 extrahiert wird, kann durch weiteres Beabstanden der Kühlkanäle 232 in der unteren Form 226 von diesem Bereich der unteren formgebende Oberfläche 230 gesteuert werden.
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Viele Modifikationen und Variationen der vorliegenden Offenbarung sind angesichts der obigen Lehren möglich und können anders als speziell beschrieben ausgeführt werden, während sie innerhalb des Umfangs der Erfindung liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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