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Die Erfindung betrifft eine hydraulische Antriebseinheit, insbesondere für eine Spritzgießmaschine, mit einer Pumpe mit veränderlichem Hubvolumen zum Fördern von Hydraulikflüssigkeit in eine Hydraulikausgangsleitung und einem Motor, der die Pumpe antreibt. Weiters betrifft die Erfindung eine Spritzgießmaschine mit einer solchen hydraulischen Antriebseinheit. Im Speziellen geht es in dieser gesamten Anmeldung um die Verbesserung des energetischen Gesamtwirkungsgrades des hydraulischen Antriebssystems.
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Eine derartige Antriebseinheit für eine Spritzgießmaschine mit einer verbesserten Energieausnutzung ist beispielsweise aus der
DE 691 03 228 T3 bekannt. Dabei sollten die Liefermengen einer Hydraulikpumpe die wirklich benötigten Liefermengen nicht in signifikanter Weise überschreiten, um dadurch Energie zu sparen. In bevorzugter Weise wird dies mit dem Ziel betrieben, dass die Hydraulikpumpen-Motor-Kombination mit dem bestmöglichen Wirkungsgrad betrieben wird.
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Nachteilig bei dieser Ausführung ist, dass zwar von verbesserter Energieausnutzung die Rede ist, dennoch ein gasgeladener Akkumulator angeschlossen sein muss, um das Übergangsverhalten bei Laständerungen zu verbessern bzw. darauf schnell zu reagieren. Ein solcher Akkumulator ist aber keinesfalls als Energieoptimierer sondern vielmehr als Energievernichter zu sehen. Es wird dabei sozusagen überschüssige Hydraulikenergie gepuffert, wodurch ein Großteil der unnötig und überschüssig erzeugten Energie im Hydrauliksystem ungenutzt bleibt. Die schlechte Energieausnutzung ist unter anderem darauf zurückzuführen, dass die für einen Antriebszyklus benötigte Drehzahl des Motors vorausberechnet und im Speicher der Steuerung abgelegt wird, um später für den entsprechenden Zyklus einmal darauf zuzugreifen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte hydraulische Antriebseinheit zu schaffen. Insbesondere soll ein optimaler Wirkungsgrad beim Betreiben des Motors und der Pumpe erreicht werden. Mithin soll das ausgestoßene, benötigte Hubvolumen von Hydraulikflüssigkeit unter möglichst geringem Energieeinsatz von Motor und Pumpe in das System (in die Hydraulikausgangsleitung Richtung angetriebener Einheit) gefördert werden können.
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Dies wird für eine hydraulische Antriebseinheit mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Anspruch 1 durch einen Drehzahlregler für den Motor, einen Drucksensor, der den Hydraulikdruck in der Hydraulikausgangsleitung misst, und eine Steuer- oder Regeleinheit, die aus gespeicherten Einstellparametern und dem vom Drucksensor gemessenen Hydraulikdruck Ansteuerungssignale zum Einstellen des Pumpenhubvolumens der Pumpe und der Drehzahl des Motors zumindest einmal in einem Antriebszyklus berechnet, gelöst. Somit berechnet eine übergeordnete Steuerung aus gespeicherten und gemessenen Parametern Steuersignale für die Pumpe (Verstellpumpe) und den Motor (im Speziellen für den Frequenzumrichter bzw. Servoregler des Motors), wobei bei der Berechnung geeignete Methoden zur Anwendung kommen, die zu jedem Zeitpunkt den hinsichtlich Wirkungsgrad bestmöglichen Arbeitspunkt des Systems bestimmen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Steuer- oder Regeleinheit aus gespeicherten Einstellparametern und dem vom Drucksensor gemessenen Hydraulikdruck Ansteuerungssignale zum Einstellen des Pumpenhubraums der Pumpe und den Drehzahlen des Motors kontinuierlich berechnet. Das heißt, dass zu möglichst jedem Zeitpunkt in einem Antriebszyklus die gerade benötigte Drehzahl des Motors und der Pumpenhubraum der Pumpe ermittelt werden kann. Kontinuierlich heißt dabei, dass nach bestimmten Zeitintervallen (beispielsweise alle 6 Millisekunden) ein sich wiederholender Rechenvorgang in der Steuer- oder Regeleinheit durchgeführt wird.
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Ein Antriebszyklus ist jener Zyklus der hydraulischen Antriebseinheit, in der ein bestimmter Bewegungsablauf einer angetriebenen Einheit (beispielsweise Kern, Düse, Form, Schnecke) erfolgt. Bei diesem Bewegungsablauf ist bevorzugt ein konstanter Volumenstrom gegeben. Typische Antriebszyklen für hydraulische Antriebseinheiten einer Spritzgießmaschine sind Formschließen, Formöffnen, Düse bewegen, Auswerfen, Kern bewegen, Dosieren, Schneckenrückzug, Einspritzen und Ähnliche. Bevorzugt kann daher vorgesehen sein, dass die Steuer- oder Regeleinheit die Ansteuerungssignale in jedem Antriebszyklus kontinuierlich berechnet, wobei unterschiedliche Einstellparameter zugrunde liegen können.
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Für die Berechnung kann weiters bevorzugt vorgesehen sein, dass die gespeicherten Einstellparameter einen erforderlichen Volumenstrom der Hydraulikflüssigkeit, vorzugsweise anhand einer in der Steuer- oder Regeleinheit hinterlegten Kennlinie, umfassen, wobei der Volumenstrom das Pumpenhubvolumen pro Zeiteinheit des aktuellen Antriebszyklus wiedergibt. Somit berechnet die übergeordnete Steuerung zu jedem Zeitpunkt eines Maschinenzyklus in einem ersten Schritt zunächst den aufgrund der gespeicherten Einstellparameter erforderlichen Volumenstrom der Hydraulikflüssigkeit.
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Der Volumenstrom der Pumpe ergibt sich aus dem eingestelltem Pumpenhubraum der Verstellpumpe und der Drehzahl des Antriebsmotors. Ein bestimmter Volumenstrom kann dabei mit unterschiedlichen Drehzahlen des Antriebsmotors und entsprechend angepasstem Hubraum der Verstellpumpe eingestellt werden. Je nach Verhältnis des Pumpenhubraumes zur Motordrehzahl (= Arbeitspunkt) weist das Antriebssystem unterschiedliche Wirkungsgrade auf. Weiters ist der Wirkungsgrad auch vom Druck der Hydraulikflüssigkeit abhängig, der über den Drucksensor gemessen wird.
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Die übergeordnete Steuerung ermittelt über geeignete Methoden laufend aus den berechneten und gemessenen Parametern jenen Arbeitspunkt, bei welchem der bestmögliche Wirkungsgrad des Antriebssystems erzielt wird. Daraus werden in weiterer Folge die Signale für die Pumpensteuerung und den Motor bzw. den Frequenzumrichter berechnet.
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Weiters kann bevorzugt vorgesehen sein, dass je Antriebszyklus einstellbare Parameter für den benötigten Volumenstrom der Hydraulikflüssigkeit in der Steuer- oder Regeleinheit hinterlegt sind. Zudem kann vorgesehen sein, dass die gespeicherten Einstellparameter Methoden zum Berechnen des optimalen Arbeitspunktes der hydraulischen Antriebseinheit umfassen.
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Wie an sich bekannt, kann weiters ein Volumenstromsensor, der den Volumenstrom der Hydraulikflüssigkeit in der Hydraulikausgangsleitung misst und an die Steuer- oder Regeleinheit sendet, vorgesehen sein. Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass die Steuer- oder Regeleinheit aus gespeicherten Einstellparametern, dem vom Drucksensor gemessen Hydraulikdruck und dem vom Volumenstromsensor gemessenen Volumenstrom Ansteuerungssingale zum Einstellen des Pumpenhubvolumens der Pumpe und der Drehzahl des Motors zumindest einmal in einem Antriebszyklus, vorzugsweise kontinuierlich, berechnet.
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Typischerweise besteht ein gesamtes Antriebssystem einer Spritzgießmaschine aus zwei oder mehreren hydraulischen Antriebseinheiten. Deshalb kann bevorzugt vorgesehen sein, dass einem Motor mehrere Pumpen zugeordnet sind, wobei von den Pumpen Hydraulikausgangsleitungen mit Drucksensoren wegführen und wobei aus gespeicherten Einstellparametern und den von den Drucksensoren gemessenen Hydraulikdrücken Ansteuerungssignale zum Einstellen des Pumpenhubraums der einzelnen Pumpen und des Drehzahlreglers des Motors zumindest einmal in einem Antriebszyklus, vorzugsweise kontinuierlich, berechnet.
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Die Erfindung kann auch genutzt werden für ein Verfahren zum Berechnen und Einstellen eines bestimmten Volumenstroms einer hydraulischen Antriebseinheit, insbesondere für eine Spritzgießmaschine, mit einer Pumpe mit veränderlichem Hubvolumen zum Fördern von Hydraulikflüssigkeit in eine Hydraulikausgangsleitung, einem Motor, der die Pumpe antreibt, einem Drehzahlregler für den Motor, einem Drucksensor, der den Hydraulikdruck in der Hydraulikausgangsleitung misst und einer Steuer- oder Regeleinheit. Ein solches Verfahren umfasst folgende während eines Antriebszyklus durchgeführte Schritte:
- – Messen des Hydraulikdrucks in der Hydraulikausgangsleitung und übermitteln dieses Hydraulikdrucks an die Steuer- oder Regeleinheit,
- – Auslesen des erforderlichen Volumenstroms der Hydraulikflüssigkeit aus einer in der Steuer- oder Regeleinheit hinterlegten Kennlinie, die das Pumpenhubvolumen pro Zeiteinheit des aktuellen Antriebszyklus wiedergibt,
- – Errechnen der optimalen Motordrehzahl in Abhängigkeit vom gemessenen Hydraulikdruck und vom ausgelesenen Volumenstrom,
- – Ausgeben eines errechneten Ansteuerungssignals an die Pumpe zum Einstellen des Pumpenhubvolumens und
- – Ausgeben eines errechneten Ansteuerungssignals an den Motor zum Einstellen der Motordrehzahl.
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Somit ist vor allem ein gegenüber der
DE 691 03 228 T3 verbesserter kontinuierlicher Volumenstrom, der auch während eines Antriebszyklus veränderlich ist, gegeben, wogegen in der genannten deutschen Schrift während einer Phase die Ausgabe konstant gehalten wird und somit die Energieausnutzung nicht optimiert werden kann.
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Bezüglich des optimierten Verfahrens kann bevorzugt vorgesehen sein, dass beim Errechnen der optimalen Motordrehzahl in Abhängigkeit vom gemessenen Hydraulikdruck und vom ausgelesenen Volumenstrom gespeicherte Einstellparameter, in Form von normativen oder Fuzzy-Logik-Methoden zum Berechnen des optimalen Arbeitspunktes der hydraulischen Antriebseinheit, herangezogen werden. Im Folgenden werden diese Methoden genauer beschrieben.
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Bei der normativen Methode werden abhängig von Grenzwerten des Druckes sowie des Volumenstromes der Hydraulikflüssigkeit verschiedene Algorithmen zur Berechnung der Motordrehzahl angewandt.
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Beispiel (die verwendeten Werte sind beispielhaft):
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Wenn der Druck kleiner als 50% des maximalen Druckes ist, dann wird Motordrehzahl proportional zum Volumenstrom erhöht. Bei größerem Druck wird die Drehzahl überproportional in Form eines druckabhängigen Offsets erhöht.
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Bei der Fuzzy-Logik Methode kommen Elemente der Fuzzy-Logik, also der unscharfen Mengenlehre, zur Anwendung. Es wird dazu beispielsweise folgender Satz von Arbeitspunkten definiert.
- 1. niedriger Druck bei niedrigem Volumenstrom
- 2. niedriger Druck bei mittlerem Volumenstrom
- 3. niedriger Druck bei hohem Volumenstrom
- 4. mittlerer Druck bei niedrigem Volumenstrom
- 5. mittlerer Druck bei mittlerem Volumenstrom
- 6. usw.
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Für jeden dieser Arbeitspunkte wird durch eine einmalige Messung ein Verhältnis aus Pumpenhubraum und Motordrehzahl ermittelt, bei dem der Wirkungsgrad bestmöglich ist. D. h., dass für einen bestimmten Hydraulikflüssigkeitsdruck und Volumenstrom die eingespeiste Energie im Wesentlichen minimal (also optimal) ist. Diese ermittelten Verhältnisse werden in der übergeordneten Steuerung abgelegt.
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Im Betrieb der Maschine wird zu jedem Zeitpunkt sowohl der Druck als auch der Volumenstrom über mathematische Funktionen (Fuzzy-Funktionen) bewertet, also eine Zugehörigkeit zu den definierten Arbeitspunkten berechnet (z. B. ein bestimmter Druck wird mit 30% niedrig, und mit 70% mittel bewertet).
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Aus den ermittelten Zugehörigkeiten wird durch gewichtete Mittelwertbildung ein für den konkreten Arbeitspunkt optimales Verhältnis aus Pumpenhubraum und Motordrehzahl berechnet und dieses zur Berechnung der Signale an die Pumpensteuerung und den Frequenzumrichter verwendet.
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Beispiel (die verwendeten Werte sind beispielhaft):
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Zu einem bestimmten Zeitpunkt im Maschinenzyklus wird ein bestimmter Volumenstrom und ein bestimmter Druck benötigt. Die laufende Bewertung ergibt einen zu 20% mittleren und zu 80% hohen Volumenstrom und einen zu 30% niedrigen und zu 70% mittleren Druck. Es sind also folgende vier Arbeitspunkte beteiligt:
- 1. mittlerer Volumenstrom bei niedrigem Druck:
bestmöglicher Wirkungsgrad bei 90% Pumpenhubraum
Anteilsfaktor 20% mittlerer Volumenstrom × 30% niedriger Druck = 6%
- 2. mittlerer Volumenstrom bei mittlerem Druck:
bestmöglicher Wirkungsgrad bei 75% Pumpenhubraum
Anteilsfaktor 20% mittlerer Volumenstrom × 70% mittlerer Druck = 14%
- 3. hoher Volumenstrom bei niedrigem Druck:
bestmöglicher Wirkungsgrad bei 100% Pumpenhubraum
Anteilsfaktor 80% hoher Volumenstrom × 30% niedriger Druck = 24%
- 4. hoher Volumenstrom bei mittlerem Druck:
bestmöglicher Wirkungsgrad bei 80% Pumpenhubraum
Anteilsfaktor 80% hoher Volumenstrom × 70% mittlerer Druck = 56%
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Anschließend folgt die gewichtete Mittelwertbildung aus den vier beteiligten Arbeitspunkten:
6% von 90% Pumpenhubraum
+14% von 75% Pumpenhubraum
+24% von 100% Pumpenhubraum
+56% von 80% Pumpenhubraum
= 84,7% Pumpenhubraum = Arbeitspunkt mit bestmöglichem Wirkungsgrad.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der Figurenbeschreibung unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele im Folgenden näher erläutert. Darin zeigen:
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1 ein Hydrauliksystem nach dem Stand der Technik,
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2 ein erfindungsgemäßes Hydrauliksystem und
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3 eine schematische Darstellung eines hydraulischen Antriebssystems mit mehreren Pumpen und Motoren.
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Eine hydraulische Antriebseinheit gemäß 1 (Stand der Technik) besteht im Wesentlichen aus den Grundkomponenten Pumpe 2 (verstellbare Axialkolbenpumpe), Motor 4 (synchroner oder asynchroner Drehstrommotor) und Steuer- oder Regeleinheit 7, in welcher Einstellparameter E gespeichert sind. Diese Einstellparameter E entsprechen beim Stand der Technik im Wesentlichen einer zweidimensionalen Kennlinie, durch welche Ansteuerungssignale Qsoll und psoll (Pumpendrucklimit) an die verstellbare Pumpe 2 ausgegeben werden. Bei einem solchen bisher bekannten Hydraulikantriebsystem 1 läuft der Motor 4 mit fixer Drehzahl n (typisch 1500 U/min). Von der Steuerung 7 kann dieser Motor 4 lediglich aktiviert oder deaktiviert werden (dargestellt durch das Schaltsignal 0/1). Wird der Motor 4 gestartet, so wird die Fördermenge Qist des Systems bestimmt durch die Verstellung der Kolben in der Pumpe 2. In einem Kalibriervorgang wird dann erfasst, bei welcher Vorgabe Qsoll welche Menge Qist in das System gefördert wird. In der Steuerung wird dabei eine zweidimensionale Kennlinie hinterlegt mit den Achsen Hubvolumen V der Pumpe 2 und Volumenstrom Qsoll in l/min bzw. in %. Wird nun eine hydraulische Antriebsbewegung zum Antreiben einer angetriebenen Einheit 10 gefahren, so folgt die Pumpbewegung der Pumpe 2 der hinterlegten Kennlinie in der Steuer- oder Regeleinheit 7. Somit ging es beim Stand der Technik im Wesentlichen darum, herauszufinden, bei wie viel Spannung, die der Pumpe 2 zugeführt wird, welcher Volumenstrom Qist erzeugt werden kann. Dieser Volumenstrom Qist wird dann in der Hydraulikausgangsleitung 3 durch einen Volumenstromsensor 8 gemessen und der Steuer- und Regeleinheit 7 übermittelt.
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Demgegenüber ist gemäß der vorliegenden Erfindung auch die Motordrehzahl n des Motors 4 über einen Drehzahlregler 5 (Servoregler bzw. Frequenzumrichter) einstellbar. Damit kann der Volumenstrom Qist und der Hydraulikdruck pist in der Hydraulikausgangsleitung 3 sowohl durch Veränderung der Antriebsleistung des Motors 4 als auch durch Veränderung des Hubvolumens V der Pumpe 2 beeinflusst werden. Dazu ist in der Steuerung 7 eine 3D-Kennlinie hinterlegt, die bevorzugt auf einer Fuzzy-Logik-Methode FL beruht. Dabei beeinflussen sozusagen drei Berechnungskomponenten (Hubvolumen V, Drehzahl n und Volumenstrom Q) die Ausgabesignale nsoll und Qsoll und bilden die Basis für die Berechnung dieser Steuerungssignale. Durch das Ansteuerungssignal Qsoll wird der Kolben der Pumpe 2 derart geschwenkt bzw. eingerichtet, dass ein bestimmtes Volumen V an Hydraulikflüssigkeit pro Hub aus dem Hydraulikflüssigkeitstank 9 durch die Pumpe 2 in die Hydraulikausgangsleitung 3 gelangen kann. Um nun die Häufigkeit dieses Hubes pro Zeiteinheit t zu beeinflussen, wird entsprechend die Motordrehzahl n des die Pumpe 2 antreibenden Motors 4 eingestellt bzw. verändert, wodurch sich in der Hydraulikausgangsleitung 3 ein bestimmter Hydraulikdruck pist und ein bestimmter Volumenstrom Qist ergibt. Diese beiden Kennzahlen werden durch einen Drucksensor 6 bzw. einen Volumenstromsensor 8 in der Hydraulikausgangsleitung 3 gemessen und an die Steuer- und Regeleinheit 7 gemeldet, die daraus zumindest einmal in einem Antriebszyklus – bevorzugt kontinuierlich – eine neue Berechnung startet und wiederum entsprechende Ansteuerungssignale nsoll und Qsoll ausgibt. Das Signal psoll dient im Wesentlichen nur der Begrenzung des maximal möglichen Drucks in der Pumpe 2.
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In 3 ist ein Hydraulikantrieb 1 gezeigt, der zumindest aus einer Hauptpumpe 2 und einer Nebenbewegungspumpe 21 besteht. Die Nebenbewegungspumpe 21 wird dabei von einem eigenen Nebenbewegungsmotor 41 angetrieben. Je nach Antriebsleistung der Maschine können auf dem Hauptmotor 4 mehrere Pumpen 2, 22 und 23 oder auch ein weiterer Hauptmotor 42 mit Pumpen 24 und 25 installiert sein. Die Kombination aus einem Motor 4, 41 bzw. 42 und einer oder mehrerer Pumpen 2, 21, 22, 23, 24 und 25 bildet dabei eine Antriebsgruppe, die jeweils unterschiedliche Volumenströme Qist in die Hydraulikausgangsleitungen 3 ausgeben und somit den gerade ablaufenden Antriebszyklen Z entsprechende Hydraulikenergie der bzw. den jeweils angetriebenen Einheit(en) 10 zur Verfügung stellen.
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Somit ist durch die vorliegende Erfindung eine hydraulische Antriebseinheit 1 für Spritzgießmaschinen gezeigt, bei der durch eine sogenannte 3D-Berechnung in Abhängigkeit gespeicherter und gemessener (z. B. Hydraulikdruck pist) Parameter E die Motordrehzahl n und das Pumpenvolumen V derart einstellbar sind, dass zum Erreichen eines bestimmten Volumenstroms Q der Hydraulikflüssigkeit in der Ausgangsleitung 3 ein optimaler gemeinsamer Wirkungsgrad von Motor 2 und Pumpe 4 erreicht wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 69103228 T3 [0002, 0015]
