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Die
Erfindung betrifft einen Fliess-Schneider mit einer Vorrichtung
zur Überwachung der Schnittkraft beim Schneiden von Papier,
Pappe oder dergleichen, bei dem eine schnittkraftabhängige
Kenngrösse gemessen und mit einem Grenzwert verglichen wird.
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Auf
dem Gebiet der Druckweiterverarbeitung ist ein Sammelhefter eine
Maschine, in der Druckbogen gesammelt, geheftet und beschnitten
werden. Der Sammelhefter umfasst einen Zusammentragbereich, eine
Heftmaschine und eine Schneidmaschine. Dabei schneidet die Schneidmaschine
ein aus zumindest einem Druckbogen bestehendes Druckprodukt, z.
B. eine Broschüre, eine Zeitschrift etc., von drei Seiten
und führt damit einen sogenannten Kopfschnitt, einen Fussschnitt
und einen Frontschnitt aus. Nur der Rücken des Druckprodukts,
mit anderen Worten die Seite, auf der das Druckprodukt zusammengeheftet
wird, wird nicht geschnitten.
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Die
Schneidmaschine kann gemäss verschiedener Prinzipien ausgeführt
sein, wie z. B. als Trimmer, bei dem ein Scherschnittprinzip zum
Tragen kommt, wobei der Schneideprozess durch zwei gegeneinander
laufender Messer erfolgt, oder als Fliess-Schneider, wie z. B. in
der Patentanmeldung
EP
1 832 399 A1 beschrieben, bei dem ein Messerschnittprinzip
zum Einsatz kommt, bei dem zwei Seiten- und ein Frontmesser im Schrägschnitt
gegen eine Schneidleiste arbeiten. Dabei führt in einem
ersten Arbeitsschritt das Frontmesser den Frontschnitt aus. In einem
zweiten Arbeitsschritt führen die zwei Seitenmesser gleichzeitig
den Kopf- und den Fussschnitt aus. Das zu schneidende Druckprodukt,
z. B. ein Buchblock oder eine Bro schüre, wird von einem Pressstempel
unter Druck fixiert, d. h. verdichtet. Der Frontschnitt erfolgt
zuerst und der Kopf- und Fussschnitt erfolgen gleichzeitig und phasenversetzt
zum Frontschnitt, damit sich die Messer nicht gegenseitig behindern.
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Ein
wichtiger Aspekt bei dieser Art von automatisiertem Schneiden ist
der Verschleiss der Schneidmesser. Beim Erreichen eines bestimmten Stumpfheitsgrades
der Messer werden die Druckprodukte nur noch ungenau geschnitten.
Im Extremfall kann es zum Bruch der Messer kommen. Weiterhin kann
es ab einem bestimmten Stumpfheitsgrad dazu kommen, dass Lager der
Messer und betätigende Motoren überbeansprucht
werden, was langfristig zu Materialermüdungen und damit
zum Versagen der genannten Bauteile führen kann. Allgemein
sind beim Betrieb der Schneidmaschine mit stumpfen Messern alle
im Kraftfluss eingebundenen Bauteile durch übermässige
Belastung gefährdet.
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Daher
ist eine rechtzeitige Detektierung einer Abstumpfung der Messer
und deren Austausch bzw. Nachschärfen eine wichtige vorbeugende Massnahme,
um eine Langlebigkeit der Schneidmaschine und nicht zuletzt eine
hohe Schnittqualität zu gewährleisten. Diesbezüglich
wurden bereits Lösungen beschrieben, von denen im Folgenden
einige aufgezählt werden.
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Die
Patentanmeldung
WO 91/16180 beschreibt
ein Verfahren zur Schnittqualitätserfassung einer Schneidmaschine
für Papier oder Pappe, bei dem die beim Durchtrennen eines
Schneidgutstapels aufzubringende Betätigungskraft und/oder
eine auf ein Schneidmesser oder einen Messerhalter einwirkende Durchbiegung
erfasst und ausgewertet wird. Dies wird mit Hilfe eines Betätigungskraftsensors
und eines Biegesensors erreicht, welche an beweglichen Bauteilen
der Schneidmaschine angebracht sind, z. B. an einer Betätigungsstange
und an dem Schneidmesser. Der Schneidgutstapel ruht an derselben Stelle
für beide beschriebenen Schnittschritte, Frontschnitt und
Kopf-/Fussschnitt.
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Die
Patentanmeldung
EP
1 911 554 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Überprüfung der Haltbarkeit der Klinge eines
guillotinenartigen Papier schneiders. Dabei wird ein Drehmoment eines
Elektromotors, der das Schneidmesser antreibt, gemessen und mit
einem Grenzwert verglichen. Dabei können beispielsweise
aufgrund von Spindel- und/oder Motorträgheit Messungenauigkeiten
entstehen. Ferner ist es aufgrund einer Vielzahl zueinander in Abhängigkeit
stehender Motorparameter aufwändig, von den Messwerten
auf die Schnittkraft der Messer zu schliessen. Weiterhin ist bei
einem Austausch des Motors, aus den obengenannten Gründen,
eine grundsätzliche Neueinstellung der Schnittkraftmesseinrichtung
notwendig, um neue Motorparameter zu berücksichtigen.
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Die
Patentanmeldung
DE
3501579 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Schnittkraftüberwachung einer Werkzeugmaschine, wobei
ein Ankerstrom eines die Werkzeugmaschine betätigenden
Servomotors aufgenommen und mit einem Grenzwertsignal verglichen
wird.
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Angesichts
des Standes der Technik liegt die Aufgabe der Erfindung darin, einen
Fliess-Schneider bereitzustellen, bei dem eine messgenaue Schnittkraftüberwachung
gewährleistet und dessen Wartung vereinfacht werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Fliess-Schneider mit einer Vorrichtung
zur Messung der Schnittkräfte beim Schneiden von Druckprodukten
mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst.
Dabei umfasst die Vorrichtung mindestens einen Sensor, der als ein
Dehnungsmessstreifen oder als ein Piezoelement ausgestaltet ist. Der
Begriff „Druckprodukte" wird umfassend für alle Arten
bedruckter Produkte aus Papier, Pappe oder ähnlichen Materialien
verwendet.
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Die
Vorrichtung zur Messung der Schnittkräfte erlaubt eine
Automatisierung der Prüfung der Schnittqualität
des Fliess-Schneiders, getrennt für jeden der beiden Arbeitsschritte,
namentlich für einen Frontschnitt und anschliessend für
einen gleichzeitigen Kopf- und Fussschnitt oder umgekehrt. Mit der Vorrichtung
ist es möglich, die Wartung eines Fliess-Schneiders zu
vereinfachen, da eine manuelle Prüfung der Messerschärfe
durch einen Operator vorteilhaft entfällt.
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Erfindungsgemäss
ist der Fliess-Schneider derart ausgestaltet, dass er für
die Messung der Schnittkräfte ein Dehnungsmessverfahren
unter Verwendung von Dehnungssensoren, in der Fachsprache Dehnungsmessstreifen
genannt, oder aber den Piezoeffekt unter Verwendung von Piezoelementen ausnutzt.
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Dehnungsmessstreifen
(DMS) basieren auf einer Änderung des elektrischen Widerstands
des Streifens durch Längen- und/oder Querschnittsänderung.
Wird ein DMS gedehnt, so nimmt sein Widerstand zu. Wird er gestaucht
und erfährt demnach eine negative Dehnung, so nimmt sein
Widerstand ab. DMS können z. B. als Draht-, Folien-, Halbleiter- oder
Rosettendehnungsmessstreifen ausgeführt sein. In allen
Ausführungsformen bieten DMS unter anderem die Vorteile
einer vergleichsweise einfachen Handhabung, die Möglichkeit,
auch unter dynamischer Belastung messen zu können, eine
gute Anpassungsfähigkeit an die jeweilige Messaufgabe, eine
weitgehende Wartungsfreiheit, die Möglichkeit, an bewegten
Bauteilen messen zu können und die Möglichkeit,
mehrere Messstellen gleichzeitig und schnell zu installieren. Als
Piezoelemente können beispielsweise piezoelektrische Keramiken,
Folien oder Piezokristalle Verwendung finden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens ein Sensor
an einem Messerträger eines Front-, Kopf- oder Fussmessers
des Fliess-Schneiders angebracht.
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Bei
einer Ausführungsform mit nur einem Sensor für
das Kopf- und das Fussmesser werden etwaige mechanische Abweichungen
zwischen Messerhalterungen, aufgrund einer gleichen „Infrastruktur"
für beide Messer, vernachlässigt. Dabei ist der Sensor
an einem der beiden Messerträger befestigt. Aus den Messungen
des Sensors für eines der Messer kann aufgrund der Tatsache,
dass beide Messer synchron arbeiten, auch auf den Grad der Abnutzung des
anderen Messers geschlossen werden.
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Vorzugsweise
wird die obige Ausführungsform derart erweitert, dass an
zwei der Messerträger jeweils ein Sensor angebracht sind,
z. B. ein erster Sensor am Messerträger des Kopfmessers
und ein zweiter Sensor am Messerträger des Frontmessers. Diese
Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine Überwachung
der Schnittkräfte in beiden Arbeitsschritten des Fliess-Schneiders
vorgenommen werden kann, bei gleichzeitiger Kostenreduktion durch die
Verwendung eines einzigen Sensors, im obigen Beispiel des ersten
Sensors, für die Ermittlung der Schnittkräfte
sowohl des Kopfmessers als auch des Fussmessers. Dies ist möglich,
da diese Messer einen gleichzeitigen Schnitt an ein und demselben Druckprodukt
durchführen, so dass mit ausreichender Genauigkeit von
der Schnittqualität eines Messers auf die Schnittqualität
des anderen Messers geschlossen werden kann.
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Eine
weitere bevorzugte Ausführungsform sieht die Verwendung
jeweils eines Sensors für jeden der drei Messerträger
vor. Diese Ausführungsform bietet, ausser der Überwachung
der Schnittqualität für beide Arbeitsschritte
des Fliess-Schneiders, den Vorteil, für den Kopf- und Fussschnitt
eine sehr genaue Messung durchführen zu können,
weil selbst kleine Abweichungen der Schnittqualität für
jedes Messer detektiert werden können. Da die Messer bei einem
Fliess-Schneider typischerweise an einem gemeinsamen Gestell angebracht
sind, kann zusätzlich, durch die Verwendung eines Sensors
für das Kopfmesser und eines Sensors für das Fussmesser bei
abweichenden Messergebnissen auf mögliche Gestell- bzw.
Lagerfehler geschlossen werden. Eine getrennte Überwachung
bzw. Messung der Schnittkräfte von Kopf- und Fussmesser
ist möglich. Je nach Ausführungsform des Fliess-Schneiders,
z. B. bei einem Fliess-Schneider mit getrennter Betätigung
und getrennten Lagern für Kopf- bzw. Fussmesser, ist es vorteilhaft,
diese getrennte Art der Messung zu wählen, insbesondere
um mechanische Abweichungen, welche sich z. B. durch eine unterschiedliche
Kräfteverteilung in den Lagern ergeben kann, zwischen einem
Teilsystem des Kopfmessers und einem weiteren Teilsystem des Fussmessers
zu berücksichtigen bzw. zu kompensieren. Dabei umfasst
das Teilsystem das jeweilige Messer, sowie dessen Lager und Messerträger.
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Der
erfindungsgemässe Fliess-Schneider zeichnet sich durch
eine hohe Flexibilität aus, da die Anzahl der Sensoren
der Vorrichtung zur Messung der Schnittkräfte je nach Anforderungen
an den Fliess-Schneider gewählt und die Vorrichtung bei
Bedarf auf- oder abgerüstet werden kann, indem ein oder
mehrere Sensoren hinzugefügt oder entfernt werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung mit Bezugnahme auf die Figuren. Es zeigen:
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1 eine
Seitenansicht eines erfindungsgemässen Fliess-Schneiders
und
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2 ein
Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Fliess-Schneiders
mit einer Vorrichtung mit drei Sensoren.
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In
den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. gleich
wirkende Komponenten.
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1 zeigt
eine Seitenansicht eines Fliess-Schneiders 18 mit drei
Sensoren 1, von denen nur zwei an Messerträgern 3, 4a montierte
Sensoren 1 sichtbar sind. Die Sensoren 1 werden
in kalibriertem Zustand eingebaut, wobei die Kalibrierung vom Typ
des Fliess-Schneiders 18 bzw. vom genauen Ort der Anbringung
des jeweiligen Sensors 1 abhängt.
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Ein
Druckprodukt 8 wird über eine Fördervorrichtung 7 in
einer Transportrichtung 9 gefördert und erfährt
in einem ersten Schritt einen Frontschnitt durch Absenken eines
am Messerträger 3 angebrachten Frontmessers 6,
in Zusammenwirkung mit einer Schneidleiste 14. In einem
anschliessenden zweiten Schritt, erfährt das Druckprodukt 8 einen gleichzeitig
erfolgenden zweiten und dritten Schnitt mittels Fuss- und Kopfmesser 5a bzw. 5b.
Das Kopfmesser 5b ist aus Darstellungszwecken mit einer
gepunkteten Linie gekennzeichnet, da es sich hinter dem Fussmesser 5a befindet.
Weiterhin befindet sich in dieser Seitenansicht ein ebenfalls mit
einer gepunkteten Linie dargestellter Messerträger 4b des Kopfmessers 5b hinter
einem Messerträger 4a des Fussmessers 5a.
Der Messerträger 3 des Frontmessers 6 ist
an einem ersten Gestell 2 und die Messerträger 4a, 4b des
Fuss- bzw. Kopfmessers 5a, 5b sind an einem zweiten
Gestell 4 befestigt. Alle Messer führen beim Schneiden
eine Auf- und Abbewegung durch, dargestellt durch den Doppelpfeil 10.
Die Sensoren 1 messen eine Dehnung bzw. eine Stauchung
des jeweiligen Messerträgers 3, 4a, 4b.
Jeder Sensor 1 ist in eine Messschaltung 11 integriert.
Diese arbeitet nach dem Prinzip ei ner Brückenschaltung und
kann z. B. als eine Viertelbrücke ausgestaltet sein. Aufgrund
der Dehnung bzw. Stauchung des Messerträgers 3, 4a, 4b,
welche im Folgenden allgemein als dehnende Verformung bezeichnet
wird, besitzt der in die Messschaltung 11 integrierte Sensor 1 einen
veränderlichen Widerstand. Die Ausgangsspannung der Messschaltung 11 ändert
sich abhängig von dem sich aufgrund der dehnenden Verformung
des jeweiligen Messerträgers 3, 4a, 4b ändernden
Widerstand des jeweiligen Sensors 1. Selbstverständlich
kann auch nur eine Messschaltung 11 für sämtliche
Sensoren 1 vorgesehen sein. Als Sensor 1 können
sowohl Dehnungsmessstreifen als auch Piezoelemente eingesetzt werden.
Letztere erzeugen bei Einwirkung einer mechanischen Kraft eine elektrische
Spannung, wodurch sich ebenfalls die Ausgangsspannung der Messschaltung 11 ändert.
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Diese Änderung
der Ausgangsspannung wird in einer Auswerteeinheit 12 mit
einem Referenzspannungswert verglichen. Die bei einer aktiven Messung
ermittelte Änderung der Ausgangsspannung wird dann in der
Auswerteeinheit 12 für eine Berechnung der dehnenden
Verformung des jeweiligen Messerträgers 3, 4a, 4b herangezogen.
Die dehnende Verformung ist demnach eine Funktion der von der jeweiligen
Messschaltung 11 ermittelten Ausgangsspannung. Sie wird
anschliessend mittels Umrechnungsformeln in einen Schnittkraftwert
umgerechnet und der so ermittelte Schnittkraftwert wird mit einem
Schnittkraftreferenzwert verglichen. Der Schnittkraftreferenzwert
beschreibt die gerade noch tolerierbare Kraft, welche für
einen Schnitt eines bestimmten Druckprodukts 8 aufgewendet
werden darf. Dabei entnimmt die Auswerteeinheit 12 den
Schnittkraftreferenzwert vorzugsweise aus einer Liste, in welcher
alle benötigten Schnittkraftreferenzwerte für verschiedene
Beschaffenheiten des Druckprodukts 8 angegeben sind. Im
Falle einer Überschreitung des Schnittkraftreferenzwerts
wird ein Warnsignal erzeugt.
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Eine
Datenkommunikationseinheit 15 ist vorzugsweise vorgesehen,
um von der Auswerteeinheit 12 gelieferte Daten über
einen kabellosen Datenverbindungskanal 16, bei dem beispielsweise
Technologien wie Bluetooth® oder
WLAN eingesetzt werden, oder über einen kabelgebundenen
Datenverbindungskanal 16 an eine zentrale Steuer- und Überwachungseinheit 17 zu übermitteln.
Der Vorteil der Berücksichtigung der beiden unterschiedlichen Übertragungsmöglichkeiten
liegt darin, dass je nach Ausführung des Fliess-Schneiders 18 bzw.
je nach Anbringung der Sensoren 1, die am besten geeignete
Verbindungsmöglichkeit ausgewählt werden kann.
Zum Beispiel ist eine drahtlose Datenübertragung insbesondere
dann für eine Datenanbindung empfehlenswert, wenn die Auswerteeinheit 12 schwer
zugänglich ist oder an einem bewegten Bauteil des Fliess-Schneiders 18 befestigt
ist, so dass weitere Kabelführungsprobleme, zusätzliche
zu den ohnehin durch Stromversorgungskabel üblicherweise
vorhandenen Problemen, vermieden werden können. Eine kabelgebundene
Datenübertragung bietet sich wegen niedrigerer Anschaffungskosten
im Falle einer problemlosen Kabelführung an.
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Zusätzlich
zu dem am Fliess-Schneider 18 im Falle einer Überschreitung
des Schnittkraftreferenzwerts generierten Warnsignal können
auch Messdaten in der Steuer- und Überwachungseinheit 17 protokolliert
werden. Dadurch kann ein Operator aufgrund des Verlaufs der Messwerte
im Voraus den Zeitpunkt für einen Messerwechsel berechnen
und eine effiziente Planung für eine möglichst
kurze Unterbrechung der Produktion für den Messerwechsel ausarbeiten.
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2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel mit drei am zweiten Gestell 4 montierten
Sensoren 1. Diese Anordnung gilt gleichermassen für
das erste Gestell 2 und ferner für eine hier nicht
dargestellte Ausführungsform des Fliess-Schneiders 18,
bei der das Front-, Fuss- und Kopfmesser 6, 5a, 5b an
einem einzigen Gestell angebracht sind. Analog zu 1 sind am
zweiten Gestell 4 das Fussmesser 5a mit dem zugehörigen
Messerträger 4a und das Kopfmesser 5b mit
dem zugehörigen Messerträger 4b befestigt.
Der Pfeil 9 bezeichnet die Transportrichtung des in 1 dargestellten
Druckprodukts 8. Die drei Sensoren 1 sind am zweiten
Gestell 4 der Messerträger 4a, 4b des
Kopf- und des Fussmessers 5b, 5a des Fliess-Schneiders 18 angebracht,
jeweils in einem vorbestimmten Winkel α, insbesondere in
einem Winkel von im Wesentlichen 120°, zu einer Lagerstelle 13 des
zweiten Gestells 4. Die Lagerstelle 13 bezeichnet einen
Befestigungspunkt des zweiten Gestells 4 an einer äusseren
Struktur des Fliess-Schneiders 18 und befindet sich in
diesem Ausführungsbeispiel im Schwerpunkt des zweiten Gestells 4.
In dieser bevorzugten Ausführungsform des Fliess-Schneiders 18 ermittelt
die in 1 dargestellte Auswerteeinheit 12 aus
Messdaten der drei im vorbestimmten Winkel α angebrachten
Sensoren 1 einen Betrag und eine Richtung eines Schnittkraftvektors.
Hierbei werden drei in 2 aus Übersichtlichkeitsgründen
hier nicht dargestellte Messschaltungen 11 verwendet. Die Funktionsweise
der Messschaltungen 11 ist analog zur Beschreibung der 1.
Nach der Ermittlung der dehnenden Verformung an der Stelle von jedem
der drei Sensoren 1 werden drei Schnittkraftwerte von der
Auswerteeinheit 12 berechnet. Ausgehend von den unterschiedlichen
Messwerten der Sensoren 1, die durch eine unterschiedliche
Verformung des zweiten Gestells 4 an den Stellen der Sensoren 1 sowie
durch die unterschiedliche Ausrichtung der Sensoren 1 gegenüber
dem zweiten Gestell 4 bedingt sind, ermittelt die Auswerteeinheit 12 die
Schnittkraft als Vektor, der durch seinen Betrag und seine Richtung
gekennzeichnet ist. Dies ist besonders vorteilhaft für
eine Analyse der gesamten Schneidvorrichtung bestehend aus Kopf-/Fuss-
und/oder Frontmesser, mit anderen Worten für eine Überprüfung,
ob die insgesamt wirkende Schnittkraft im Wesentlichen senkrecht
auf das Schneidgut ausgerichtet ist oder ob nennenswerte Abweichungen
von einer senkrechten Orientierung festzustellen sind. Auf diese
Weise können z. B. neben der Feststellung der Schärfe
der Messer auch Lagerfehler identifiziert werden, welche fehlerhafte
Schnitte verursachen können.
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Obwohl
vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und
beschrieben werden, ist die Erfindung nicht auf diese beschränkt,
sondern sie kann im Rahmen des Geltungsbereiches der folgenden Ansprüche
auf andere Weise ausgeführt und angewendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1832399
A1 [0003]
- - WO 91/16180 [0006]
- - EP 1911554 A1 [0007]
- - DE 3501579 A1 [0008]