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Die Erfindung betrifft Wälzlager (Kugellager, Rollenlager) und deren Komponenten Innenring, Außenring, Wälzkörper und/oder Käfig. Darüber hinaus betrifft die Erfindung Teile der Komponenten, wie Laufbahnen von Innenring und Außenring.
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Bereits seit langer Zeit bekannt sind Wälzlager, deren wesentliche Komponenten aus Metallen gefertigt sind. Dabei sind in der Regel die Komponenten Innenring, Außenring und Wälzkörper aus Stahl, wobei die Wälzkörper mittels eines Käfigs oder mittels zwischen den Wälzkörpern angeordneter kleinerer Wälzkörpern aus Stahl auf Abstand gehalten werden. Der Käfig wird je nach Anforderung in der Regel aus Stahl, Messing oder Kunststoff hergestellt.
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Für Anwendungen, die besondere Anforderungen stellen, werden spezielle Werkstoffe eingesetzt. Beispielsweise in der Nahrungsmittelindustrie werden Wälzlager verwendet, deren Komponenten aus nichtrostenden Stählen hergestellt sind. Weiterhin bekannt sind Wälzlager mit Innenringen und Außenringen aus Kunststoff sowie mit Wälzkörpern, die beispielsweise aus Glas gefertigt sind. Derartige Lager werden in der Verfahrenstechnik eingesetzt und können zum Beispiel in säurehaltigen Substanzen verwendet werden. Darüber hinaus beschreibt beispielsweise die Schrift
EP2249052 (A4) – Member for rolling Bearing and rolling Bearing die Herstellung von Wälzlagern bzw. deren Komponenten aus einer polymerischen Matrix mittels eines Formprozesses.
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Es bestehen jedoch Anwendungen, in denen die beschriebenen Lager wesentliche Nachteile aufweisen: Lager aus metallischen Werkstoffen sind in der Regel in der Lage, Strom zu leiten, wobei es insbesondere durch den Stromübergang in den Laufringen zu Erosionsschäden kommen kann, die das Lager zerstören. Für viele Anwendungen ist daher der Einsatz eines isolierten Lagers sinnvoll. Hier sind beispielsweise Lager mit Kunststoffringen zu verwenden, wobei jedoch der Nachteil besteht, dass aufgrund der geringen Belastbarkeit des Kunststoffs die Lager nur relativ kleine Kräfte übertragen können. Weiterhin bieten Wälzlager mit Wälzkörpern aus Glas den Nachteil, dass aufgrund der Sprödheit des verwendeten Werkstoffs die Lager besonders stoßempfindlich sind.
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Außerdem werden bei Lagern nach dem Stand der Technik weitgehend homogene Werkstoffe angewendet. Bei Lagern mit Kunststoff-Innenringen und -Außenringen bestehen nur wenige Möglichkeiten der Anpassung der einzelnen Bereiche eines Rings an spezielle Anforderungen. Bei Lagerringen aus Stahl kann z. B. die Laufbahn gehärtet sein, eine weitere Anpassung der Werkstoffeigenschaften an unterschiedliche Anforderungen kann innerhalb eines Lagerrings jedoch kaum erfolgen. Es ist beispielsweise kaum möglich, hoch belastbare Randschichten eines Lagerrings mit einer elektrisch isolierenden Schicht oder mit einer stoßdämpfenden Schicht im Inneren des Lagerrings zu kombinieren. Dies könnte allenfalls durch eine Verbundkonstruktion aus mehreren ineinander angeordneten Ringen aus unterschiedlichen Materialien erfolgen, was jedoch einen sehr hohen fertigungstechnischen Aufwand bedeutet. Weiterhin ist es nur sehr aufwändig möglich, Messgrößen wie beispielsweise die Temperatur im Inneren eines herkömmlichen Lagerrings zu erfassen. Insbesondere ist es bei den Herstellverfahren für die Komponenten nach dem Stand der Technik nicht möglich, wenige Zehntel Millimeter dicke Schichten mit unterschiedlichen Eigenschaften innerhalb der Komponenten zu ermöglichen.
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Ziel der Erfindung ist es daher, ein Wälzlager zu realisieren, das die beschriebenen Nachteile nicht aufweist. Das erfindungsgemäße Wälzlager soll einen sehr hohen elektrischen Widerstand aufweisen, also praktisch elektrisch nicht leitfähig bzw. isolierend sein, und es soll funkenlöschend sein, so dass beispielsweise auch ein Einsatz in explosionsgeschützten Bereichen (z. B. in Bereichen mit flammbaren Gasen) möglich ist. Außerdem soll es eine hinreichende Belastbarkeit sowie eine ausreichende Stoßunempfindlichkeit und eine Dämpfungswirkung besitzen. Insbesondere sollen Komponenten des erfindungsgemäßen Wälzlagers aus dünnen Schichten aufgebaut sein, so dass ermöglicht wird, dass innerhalb der feinstufig gegliederten, wenige Zehntel Millimeter dicken Schichten eine Anpassung an besondere Anforderungen erfolgen kann und dass zwischen diesen Schichten Stoffe und Elemente eingebettet werden können, die bestimmte Eigenschaften aufweisen bzw. bestimmte Funktionen erfüllen können. Derartige Möglichkeiten bestehen bei nach dem Stand der Technik hergestellten Wälzlagern nicht, da bisher keine Herstellverfahren verwendet werden, die dieses ermöglichen.
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Zur Erreichung der beschriebenen Ziele wird mindestens eine Komponente des Wälzlagers oder ein Teil einer Komponente nach dem sog. Vulkanfiberverfahren hergestellt, da dieses Verfahren besonders gut geeignet ist, einerseits einen schichtweisen Aufbau aus dünnen Schichten zu ermöglichen, andererseits das Bauteil weitgehend homogen ist.
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Zur Verdeutlichung wird im Folgenden die Herstellung von Komponenten von Wälzlagern gemäß der Erfindung mittels des Vulkanfiberverfahrens beschrieben. Prinzipiell wird dabei eine Papierbahn eines baumwollhaltigen Papiers durch eine Zinkchloridhaltige Lösung laufen gelassen und anschließend auf einen Dorn aufgewickelt. Sofern erforderlich, wird die aufgewickelte Bahn beispielsweise mittels einer Rolle verpresst bzw. vergautscht. Die Zinkchlorid-haltige Lösung wird danach ausgewaschen. Dieses Verfahren ermöglicht den Aufbau eines Körpers aus einzelnen Schichten aus baumwollhaltigem Papier, die nach dem Trocknen dennoch einen massiven, weitgehend homogenen Körper bilden, wobei die Schichten nicht mehr unmittelbar erkennbar sind.
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Die Komponenten des erfindungsgemäßen Wälzlagers sind entweder als Fertigteil nach dem beschriebenen Verfahren hergestellt oder aus einem Rohteil oder Halbzeug aus dem Werkstoff Vulkanfiber hergestellt. Dieses kann entweder unmittelbar als Komponente (Innenring, Außenring oder Wälzkörper) in das Wälzlager eingebaut werden, oder vor dem Einbau können noch ein oder mehrere Fertigungsschritte vorgelagert sein, um eine exaktere Formgebung oder eine höhere Präzision zu erreichen. Weiterhin kann ein weitgehend rohrförmiges Halbzeug hergestellt werden, aus dem durch Ablängen die Komponenten eines Wälzlagers hergestellt werden können. Diese Komponenten können der Innenring, der Außenring, die Wälzkörper und der Käfig sein.
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Außenringe können aus einer auf einen Dorn aufgewickelten Papierbahn bestehen. Wenn die Anforderungen an die Präzision des Wälzlagers nicht zu hoch sind und wenn geringfügige Wanddickenunterschiede nicht stören, die sich aus dem Anfang und dem Ende der aufgewickelten Papierbahn ergeben, kann der so gefertigte Außenring unmittelbar verwendet werden. Bei höheren Genauigkeitsanforderungen kann ein so hergestelltes Außenring-Rohteil eine Bearbeitungszugabe aufweisen, die genutzt wird, um den Außenring spangebend auf ein exaktes Maß und eine gewünschte Oberflächengüte hin zu bearbeiten. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das Außenring-Rohteil beispielsweise nach Einwirkung von Wasser in einem umformenden Arbeitsgang auf ein exaktes Maß und eine gewünschte Oberflächengüte zu formen.
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Innenringe können analog hierzu hergestellt werden, wobei Innenringe mit einer zylindrischen Außenkontur (für Zylinderrollenlager) ohne nachträgliche Bearbeitung hergestellt werden können.
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Besonders wirtschaftlich ist die Fertigung eines weitgehend zylindrischen längeren Halbzeuges durch Aufwickeln der Papierbahn auf einen Dorn. Hieraus können die Außenringe oder die Innenringe hergestellt werden, indem sie von dem Halbzeug in der gewünschte Länge bzw. Ringbreite abgeschnitten werden. Danach können sie bei geringeren Genauigkeitsanforderungen direkt verwendet oder bei höheren Ansprüchen spangebend oder umformend bearbeitet werden. Zur Herstellung von Außenringen mit innenliegenden Laufbahnen, beispielsweise für Rillenkugellager, kann der Dorn außen eine entsprechende Konturierung aufweisen, die den späteren innenliegenden Laufbahnen der Außenringe entspricht. Zum Entnehmen der Außenringe können diese dann von dem Dorn heruntergeschnappt werden, oder der Dorn muss so in Segmente aufgeteilt sein, dass er sich nach innen entnehmen lässt.
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Auf ähnliche Art können zylindrische Wälzkörper gefertigt werden, wobei der durch den Wickeldorn verursachte zylindrische Hohlraum im Inneren des Wälzkörpers nicht störend ist. Tonnenförmige, kegelförmige und kugelförmige Wälzkörper können aus einem Rohteil oder aus einem weitgehend zylindrischen Halbzeug spangebend oder umformend hergestellt werden. Beispielsweise kann analog zur Herstellung von herkömmlichen Stahlkugeln zunächst ein zylindrisches Halbzeug gefertigt werden, von dem dann Abschnitte abgetrennt werden. Diese werden, ggf. nach Einwirkung von Wasser, umformend in eine weitgehend kugelige Form gebracht und ggf. anschließend geschliffen und ggf. poliert.
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Auch die Käfige von Wälzlagern können schichtweise aufgebaut sein, indem sie aus einem Rohteil oder Halbzeug bestehen, in das die Taschen für die im Käfig geführten Wälzkörper spangebend oder umformend eingebracht worden sind.
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Auf die beschriebene Art und Weise können praktisch alle Bauformen von Wälzlagern hergestellt werden. Dies sind insbesondere die gängigen Bauformen wie Rillenkugellager, Schrägkugellager, Axial-Rillenkugellager, Zylinderrollenlager, Kegelrollenlager, Tonnenlager, Nadellager und sonstige Bauformen. Ebenfalls werden von der Erfindung Wälzlager umfasst, bei denen der Innenring dadurch eingespart wird, dass die Wälzkörper direkt auf einer Welle laufen. Außerdem umfasst die Erfindung Wälzlager, bei denen der Außenring dadurch eingespart wird, dass die Wälzkörper direkt in einem Gehäuseteil laufen.
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Die Eigenschaften der Komponenten der Wälzlager können beeinflusst werden, indem die jeweilige Komponente nicht aus einer einzigen Papierbahn hergestellt wird, sondern stattdessen Papierbahnen mit unterschiedlichen Eigenschaften übereinander gewickelt werden. Für die Außenkonturen der Komponenten, d. h. für die innersten und äußersten Lagen des Körpers, können Papierbahnen verwendet werden, die eine höhere Festigkeit und eine bessere Oberflächengüte aufweisen. Für die mittleren Lagen können z. B. Papierbahnen mit besseren Dämpfungseigenschaften eingesetzt werden.
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Um bei Komponenten von Wälzlagern die vorteilhaften Eigenschaften des beschriebenen Vulkanfibermaterials mit den bekannten Vorteilen metallischer Werkstoffe zu kombinieren, können dünnwandige Ringe aus Stahl in bekannter Weise gefertigt werden. Diese werden dann mit Vulkanfiberringen verbunden. Dieses Verbinden kann z. B. durch Verkleben oder eine andere geeignete Welle-Nabe-Verbindung erfolgen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, einen dünnwandigen Ring aus Stahl direkt als Wickeldorn zum Aufwickeln der Papierbahn zu verwenden. Auf diese Weise können Innen- und Außenringe von Wälzlagern mit Laufbahnen aus Stahl kombiniert werden. Weiterhin können Innenringe aus Vulkanfiber mit wellenseitigen Stahlbuchsen, Außenringe aus Vulkanfiber mit gehäuseseitigen Stahlbuchsen versehen werden. Auf Wälzkörper, beispielsweise Zylinderrollen, aus Vulkanfiber können dünnwandige, rohrförmige Buchsen aus Stahl aufgebracht werden. Anstelle der Stahlteile können auch andere metallische und nichtmetallische Teile verwendet werden.
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Sehr vorteilhaft sind die erfindungsgemäßen Komponenten von Wälzlagern, wenn zwischen den einzelnen Lagen der Papierbahn Verstärkungsmaterialien zur Erhöhung der Festigkeit und der Steifigkeit eingebracht werden. Hierzu können Verstärkungsfasern aus Metall, Glas, Kohlenstoff oder sonstigen Materialien eingebracht werden, die eine höhere Festigkeit oder einen höheren Elastizitätsmodul als der Grundwerkstoff aufweisen.
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Besonders vorteilhaft kann ein Lager gestaltet werden, wenn innerhalb seiner Komponenten Sensoren zur Aufnahme der Temperatur, der mechanischen Belastung (Spannung, Dehnung), der Umfangsgeschwindigkeit und sonstiger mechanischer und physikalischer Kenngrößen vorhanden sind. Hierzu können zwischen den einzelnen Lagen der gewickelten Papierbahn faserförmige oder folienförmige Sensoren, wie z. B. Dehnungsmessstreifen (DMS) oder Faser-Bragg-Gitter-Sensoren (FBG-Sensoren, in Lichtwellenleiter eingeschriebene optische Interferenzfilter) sowie Sensoren zur Messung der Beschleunigung (z. B. Piezokristalle) oder Sensoren zur Messung von Körperschall oder akustischer Emission eingebracht werden. Mit deren Hilfe kann eine Zustandsüberwachung des Lagers („Condition Monitoring” bzw. „Structural Health Monitoring”) durchgeführt werden. Durch den lagenförmigen Aufbau ist dies problemlos möglich, im Gegensatz zu Komponenten von Wälzlagern, die aus einem weitgehend homogenen massiven Material, wie Stahl oder Kunststoff, bestehen.
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Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Komponenten von Wälzlagern bestehen darin, dass sie lediglich aus den ursprünglichen Naturfasern und deren Abbauprodukten bestehen und damit auch umweltverträgliche Eigenschaften aufweisen. Der Werkstoff hat außerdem einen sehr hohen Innenwiderstand und wirkt damit isolierend, so dass Wälzlager mit Komponenten aus Vulkanfiber in vielfältigen elektrotechnischen Anwendungen verwendet werden können. Außerdem ist eine relativ gute Temperaturbeständigkeit vorhanden, und der verwendete Werkstoff ist funkenlöschend und schwer entflammbar. Weiterhin ist der Werkstoff aufgrund der inneren Faserstruktur schwingungsdämpfend, so dass Wälzlager mit Komponenten aus Vulkanfiber nur geringe Laufgeräusche erzeugen, wobei insbesondere hochfrequente Schwingungen gedämpft werden. Vulkanfiber ist resistent gegenüber Maschinenölen. Vorteilhaft ist, dass Öl die Oberfläche der Vulkanfiber versiegelt und äußere Umwelteinflüsse fernhält. Weiterhin kann Vulkanfiber durch Spezialfasern verstärkt und durch mineralische Füllstoffe ergänzt werden. Dies ist insbesondere für selbstschmierende Lager im Hinblick auf umweltgerechte Lagerung unter Verzicht auf Öle und Fette als Schmiermittel von großem Vorteil. Darüber hinaus haben Wälzlager mit Komponenten aus Vulkanfiber ein deutlich geringeres Gewicht als herkömmliche metallische Lager, so dass sie sich für Leichtbaukonstruktionen anbieten.
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Die 1 bis 7 zeigen Ausführungsbeispiele. Im Einzelnen zeigt
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1 ein Zylinderrollenlager mit Komponenten gemäß der Erfindung,
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2 den Innenring eines Zylinderrollenlagers während der Herstellung,
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3 den Innenring eines Zylinderrollenlagers, mit Bereichen unterschiedlicher Belastbarkeit,
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4 den Innenring eines Zylinderrollenlagers während seiner Herstellung bei gleichzeitiger Einbringung von Verstärkungsfasern,
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5 den Innenring eines Rillenkugellagers mit Laufbahnen in Form von eingebetteten im Wesentlichen ringförmige metallischen Elementen,
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6 den Innenring eines Rillenkugellagers mit einem wellenseitigen und einem gehäuseseitigen zusätzlichen im Wesentlichen ringförmigen metallischen Element,
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7 den Innenring eines Zylinderrollenlagers während seiner Herstellung bei gleichzeitiger Einbringung eines Dehnungsmessstreifens.
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Das Zylinderrollenlager besteht aus einem Innenring 1, einem Außenring 2, den Wälzkörpern (Zylinderrollen) 3 und dem Käfig 4. Der Innenring 1 und die Zylinderrollen 3 sind dadurch hergestellt worden, dass eine baumwollhaltige Papierbahn nach Tränkung in einer Zinkchlorid-haltigen Lösung um einen Wickeldorn gewickelt worden ist, dessen Mittelachse weitgehend konzentrisch zu der Mittelachse der Komponente ist. „Weigehend konzentrisch” bedeutet hierbei, dass beispielsweise kleinere fertigungsbedingte Abweichungen zulässig sind. Der Außendurchmesser des Wickeldorns für die Zylinderrollen 3 entspricht dem Durchmesser der zylindrischen Ausnehmung 5 innerhalb der Zylinderrollen 3, der Außendurchmesser des Wickeldorns für den Innenring 1 entspricht dem Durchmesser der Innenkontur 6 des Innenrings 1. Der Außenring 2 ist ähnlich entstanden, wobei dessen Laufbahn 7 nachträglich durch spangebende Bearbeitung auf das gewünschte Maß gebracht worden ist. Zur Herstellung des Käfigs 4 wurde zunächst in der beschriebenen Weise ein Rohteil hergestellt, in das anschließend die Aussparungen für die Zylinderrollen 3 durch spangebende oder umformende Bearbeitung eingebracht worden sind.
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Der Innenring 1 eines Zylinderrollenlagers besteht aus einer baumwollhaltigen Papierbahn 8, die nach Tränkung in einer Zinkchlorid-haltigen Lösung um einen Wickeldorn 9 gewickelt worden ist, wobei die Mittelachse 10 des Wickeldorns 9 mit der Mittelachse 11 des Innenrings 1 weitgehend übereinstimmt. Je nach Bedarf kann die Breite der baumwollhaltigen Papierbahn 8 an die Form des Innenrings 1 angepasst worden sein. In 2 ist sie schmaler als die Breite des Innenrings 1, um dessen Wandstärke im mittleren Bereich größer zu fertigen als die Wandstärke in seinen abgeschrägten Randbereichen.
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3 zeigt, dass jeweils eine baumwollhaltige Papierbahn 14 mit hoher Festigkeit verwendet werden kann, um den inneren Bereich 12 und den äußeren Bereich 13 des Innenrings 1 mit einer höheren Belastbarkeit zu versehen. Damit wird sowohl der innere Bereich 12, der die Kräfte aus der gelagerten Welle überträgt, als auch der äußere Bereich 13, der die Laufbahn für die Wälzkörper darstellt, verstärkt. Der mittlere Bereich 15 wird aus einer anderen Papierbahn hergestellt, die andere gewünschte Eigenschaften als die Papierbahn 14 aufweisen kann, also beispielsweise eine geringere Festigkeit hat, kostengünstiger ist oder bessere Dämpfungseigenschaften aufweist.
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Wahlweise können, wie in 4 gezeigt, beim Aufwickeln der baumwollhaltigen Papierbahn 8 Verstärkungsfasern 16 aus Metall, Glas, Kohlenstoff oder sonstigen Materialien an einer oder mehreren Stellen zwischen den Lagen eingebracht worden sein.
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5 zeigt ein Rillenkugellager, bei dem zum Erreichen einer hohen Belastbarkeit der Laufbahnen im Wesentlichen ringförmige metallische Elemente 17 z. B. aus Wälzlagerstahl verwendet werden, die in die aus der baumwollhaltigen Papierbahn gewickelten Lagerringe 18 und 19 eingebettet sind. Diese Lagerringe 18 und 19 gewährleisten beispielsweise die isolierenden und dämpfenden Eigenschaften.
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In 6 ist ein Rillenkugellager dargestellt, das ringförmige metallische Elemente als wellenseitige Verstärkung 20 und als gehäuseseitige Verstärkung 21 aufweist.
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Wie 7 zeigt, kann sich zwischen den Lagen der baumwollhaltigen Papierbahn 8 z. B. ein Dehnungsmessstreifen (DMS) 22 befinden, der als Sensor genutzt werden kann, um im Betrieb die innerhalb des Lagerrings wirkende Spannung/Dehnung, Temperatur oder ähnliche Daten erfassen zu können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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