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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Aufnahmevorrichtung zur lösbaren Befestigung einer Düse an einem Laserbearbeitungskopf, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bearbeitungsköpfe für das Laserschneiden sind üblicherweise mit einer Düse ausgestattet, durch die das Schneidgas und der Laserstrahl gemeinsam austreten und auf das zu bearbeitende Werkstück gerichtet werden. Des Weiteren arbeiten Schneidköpfe bzw. Schneidanlagen mit einer kapazitiven Abstandssensorik, die es ermöglicht, den Abstand zwischen der Düsenspitze und dem Werkstück zu ermitteln und durch eine entsprechende Regelungsvorrichtung konstant zu halten. Eine korrekte Funktionsweise der kapazitiven Abstandsmessung setzt voraus, dass die Schneiddüse elektrisch isoliert am Bearbeitungskopf angebracht werden kann. Zu diesem Zweck umfasst die Aufnahmevorrichtung für die Düse ein zylindrisches Isolatorteil aus Keramik mit einer zentralen Ausnehmung, die einen Einsatz aufnimmt, in welchen die Düse lösbar eingesetzt ist. Eine derartig gestaltete Aufnahmevorrichtung ist in
DE 10 2007 040 843 A1 offenbart.
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Der Einsatz ist gewöhnlich als Gewindeeinsatz ausgebildet, mit einem Innengewinde, in welches die Düse eingeschraubt ist. Ein Außengewinde an der Umfangsseite des Einsatzes erlaubt ein Einschrauben desselben in ein Innengewinde, das in einer Umfangswand eines radial erweiterten Abschnitts der Ausnehmung des Isolatorteils vorgesehen ist. An diesen erweiterten Abschnitt schließt sich axial ein Abschnitt kleineren Durchmessers an, der von diesem erweiterten Abschnitt durch eine Stufe getrennt ist.
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Zum Wechseln der Düse existieren automatisierte Düsenwechselvorrichtungen. Durch die maschinelle Handhabung wird die Aufnahmevorrichtung stark beansprucht. Es kann insbesondere an dem Isolatorteil, das aus einem spröden Keramikmaterial besteht, zu Schädigungen führen, da die in dieses Teil eingeleiteten Lasten und Kräfte hoch sind und mitunter schlagartig auftreten.
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Die bekannten Isolatorteile und Einsätze eignen sich daher nicht für eine Verwendung mit automatisierten Düsenwechselvorrichtungen. Durch die filigrane Struktur der Bauteile und die hohe Sprödigkeit des Materials neigen die bekannten Aufnahmevorrichtungen zu einem Versagen bei hohen Belastungen, die bei einer maschinellen Handhabung entstehen können.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Aufnahmevorrichtungen der eingangs beschriebenen Art derart zu verbessern, dass die vorstehend genannten Probleme überwunden werden und sie sich auch zur Verwendung mit maschinellen Düsenwechselvorrichtungen eignen, ohne dass Beschädigungen der Aufnahmevorrichtung oder der Düse selbst auftreten.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Aufnahmevorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Der Einsatz der erfindungsgemäßen Aufnahmevorrichtung ist aus einem Werkstoff mit hoher Duktilität hergestellt, wie etwa Stahl, Edelstahl oder austenitischem Edelstahl. Ein solcher Werkstoff mit hoher Duktilität ermöglicht, dass der Einsatz die über die Düsenwechselvorrichtung und die Düse eingeleitete Last elastisch aufnehmen kann. Externe Belastungen im der Düse zugewandten Bereich der Aufnahmevorrichtung führen dann zu einer Verformung des Einsatzes. Die Last wird somit im Einsatz abgebaut und nicht oder nur zu einem sehr kleinen Anteil in das Isolatorteil eingeleitet. Beispielsweise kann der Einsatz aus austenitischem Edelstahl X8CrNi18-9 (1.4305 nach DIN EN 10088) hergestellt sein. Dieses Material weist die gewünschte hohe Duktilität auf, die eine Verformung des Einsatzes zulässt.
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Ferner weist das Isolatorteil günstige Proportionen auf, nämlich ein Verhältnis seines maximalen äußeren Durchmessers D2 zu seiner Höhe H3 entsprechend H3/D2 < 0,4. Hierdurch wird sichergestellt, dass auftretende radiale Belastungen, die sie beim Einschrauben der Düse auftreten können, nicht zu übermäßigen Biegebeanspruchungen des zylindrischen Isolatorteils führen. Durch die flache Form des Isolatorteils wird der Hebelarm einer radialen Kraft bezüglich der Aufnahmestelle am Laserbearbeitungskopf reduziert. Radiale Belastungen der Aufnahmevorrichtung können beispielsweise beim horizontalen Anfahren des Schneidkopfes an die Wechseleinrichtung auftreten.
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Ferner verbleibt erfindungsgemäß zwischen dem Einsatz im vollständig aufgenommenen Zustand und der Seite der Stufe, die dem Einsatz zugewandt ist, ein Zwischenraum. Dieser bildet einen Luftspalt zwischen dem Einsatz und dem Isolatorteil im mittleren Bereich der Aufhahmevorrichtung, durch welchen auftretende Belastungen nicht vom Einsatz auf den Isolatorteil übertragen werden. Dies bedeutet, dass eine in den Einsatz eingeleitete Last nicht in die Stufe eingeleitet wird, die den radial erweiterten Abschnitt der Ausnehmung von dem Abschnitt kleineren Durchmessers trennt.
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Die erfindungsgemäße Merkmalskombination sorgt für eine Minimierung der Beanspruchungen, die in dem Isolatorteil während eines maschinell durchgeführten Düsenwechsels auftreten können. Die Gefahr einer Beschädigung insbesondere des Isolatorteils wird infolgedessen minimiert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Übergang zwischen der Umfangswand des erweiterten Abschnitts der Ausnehmung und der dem Einsatz zugewandten Unterseite der Stufe einen konkav ausgerundeten Querschnitt auf. Hierdurch wird ein gleichförmiger Übergang zwischen der Stufe und dem erweiterten Abschnitt geschaffen. Hierdurch werden Spannungen im Material des Isolatorteils weiter reduziert. Die Widerstandsfähigkeit gegenüber radial angreifenden Kräften wird erhöht.
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Vorzugsweise weist dieser konkav ausgerundete Abschnitt am Übergang zwischen der Umfangswand des erweiterten Abschnitts der zentralen Ausnehmung und der dem Einsatz zugewandten Unterseite der Stufe einen Kerbradius R2 zwischen 0,3 mm und 0,5 mm auf.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Isolatorteil an seinem vom Einsatz abgewandten axialen Ende einen sich radial nach außen erstreckenden Flansch auf, dessen Durchmesser den maximalen äußeren Durchmesser des Isolatorteils bildet und welcher gegenüber einer benachbarten äußeren Umfangsfläche des Isolatorteils mit kleinerem Durchmesser abgestuft ist, wobei der Übergang zwischen der äußeren Umfangsfläche kleineren Durchmessers und der dem Einsatz zugewandten Seite des Flansches einen konkav ausgerundeten Querschnitt aufweist. Auch in diesem Fall dient die konkave Ausrundung des Querschnitts zur Minimierung auftretender Spannungen und zur Erhöhung der Widerstandsfähigkeit gegenüber radial angreifenden Kräften.
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Vorzugsweise weist der Flansch des Isolatorteils eine axiale Dicke H1 zwischen 4 mm und 6 mm auf.
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Weiter vorzugsweise weist der Flansch des Isolatorteils einen Durchmesser D2 zwischen 30 mm und 32 mm auf.
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Weiter vorzugsweise weist die äußere Umfangsfläche kleineren Durchmessers D1 einen Durchmesser zwischen 25 und 28 mm auf.
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Weiter vorzugsweise weist dieser konkav ausgerundete Querschnitt am Übergang zwischen der äußeren Umfangsfläche kleineren Durchmessers und der dem Einsatz zugewandten Seite des Flansches einen Kerbradius R1 zwischen 0,8 mm und 1,2 mm auf. Weiter vorzugsweise ist die zentrale Öffnung des Einsatzes mit einem Innengewinde versehen, welches ein Maß G1 zwischen M14x1 und M16x1(DIN 13) aufweist. Ein derart großes Gewinde stellt eine ausreichende Toleranz gegenüber der Lage und Position der Düse während des Einschraubvorgangs sicher und ermöglicht die Übertragung großer axialer Kräfte, die beim maschinellen Einschrauben der Düse entstehen können. Diese axialen Kräfte werden dann ausschließlich im Einsatz aufgenommen.
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Weiter vorzugsweise weist der Einsatz einen sich radial nach außen erstreckenden Flansch auf, der im vollständig aufgenommenen Zustand des Einsatzes flächig am Isolatorteil anliegt. Durch die flächige Anlage bzw. Auflage wird das Auftreten punktueller Spannungsspitzen im Isolatorteil verhindert und so ein schlagartiges Versagen des spröden Materials unterbunden.
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Weiter vorzugsweise weist der Flansch des Einsatzes eine axiale Dicke zwischen 0,4 mm und 0,6 mm auf.
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Weiter vorzugsweise weist das Isolatorteil eine axiale Dicke H3 zwischen 9 mm und 11 mm auf.
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Weiter vorzugsweise weist das Innengewinde des erweiterten Abschnitts ein Maß G2 zwischen M17x0,75 und M19x0,75 (DIN 13) auf.
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Die Erfindung betrifft ferner einen Laserbearbeitungskopf, umfassend eine Aufnahmevorrichtung der oben beschriebenen Art und eine Düse, die lösbar in die zentrale Öffnung des Einsatzes der Aufnahmevorrichtung aufgenommen ist.
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Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
- 1 stellt einen axialen Schnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Aufnahmevorrichtung dar.
- 2 und 3 sind weitere Darstellungen der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Aufnahmevorrichtung aus 1.
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Die in der
1 dargestellte Aufnahmevorrichtung
10 ist zur lösbaren Befestigung einer nicht näher dargestellten Düse an einen Laserbearbeitungskopf vorgesehen. Die Düse wird in diesem Fall von unten (entsprechend der Orientierung in der Zeichnung) in die Aufnahmevorrichtung
10 eingesetzt. Bei der Düse kann es sich beispielsweise um eine konische Düse handeln, wie sie in
DE 10 2007 040 843 dargestellt ist und an ihrer der Aufnahmevorrichtung
10 zugewandten Seite einen Gewindeansatz aufweist, der auf noch näher zu beschreibende Weise in die Aufnahmevorrichtung
10 einschraubbar ist. Die Düsenöffnung, die dem Werkstück zugewandt ist, weist in diesem Fall nach unten. Ein Laserstrahl passiert den Laserbearbeitungskopf axial von oben nach unten und durchquert einen zentralen Durchgangskanal
12 in der Aufnahmevorrichtung
10. Zusätzlich wird während der Laserbearbeitung ein Prozessgas durch den zentralen Durchgangskanal
12 geleitet.
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Die Aufnahmevorrichtung 10 umfasst ein zylindrisches Isolatorteil 14, das aus einem Keramikmaterial hergestellt ist, wie beispielsweise einer Glaskeramik, die spanend bearbeitet werden kann. Der Begriff „zylindrisch“ soll in diesem Zusammenhang auch Formen einschließen, die gegeneinander radial abgestufte Außenflächen unterschiedlichen Durchmessers aufweisen. Bei der vorliegenden Ausführungsform weist das Isolatorteil 14 an seinem axial oberen Ende, das der Düse abgewandt ist, einen sich radial nach außen erstreckenden Flansch 16 auf. Unterhalb dieses Flansches 16 schließt sich eine Umfangsfläche 18 kleineren Durchmessers an, die gegenüber dem Flansch 16 nach innen abgestuft ist.
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Das Isolatorteil 14 umfasst ferner eine zentrale Ausnehmung 20, die sich axial durch das gesamte Isolatorteil 14 erstreckt und den zentralen Durchgangskanal 12 für den Laserstrahl und das Prozessgas bildet. Diese Ausnehmung 20 umfasst am unteren Ende des Isolatorteils 14 einen radial erweiterten Abschnitt 22, dessen Umfangswand mit einem Innengewinde 24 versehen ist, und einen Abschnitt 26 kleineren Durchmessers am oberen Ende des Isolatorteils 14, der von dem erweiterten Abschnitt 22 durch eine Stufe 28 getrennt ist, die sich radial nach innen erstreckt. Diese Stufe 28 weist eine flache ringförmige Unterseite 30 auf.
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Radial nach außen ist der Abschnitt 26 kleineren Durchmessers durch eine kegelstumpfförmige Umfangswand 32 begrenzt, durch welche sich der Abschnitt 26 kleineren Durchmessers axial nach oben leicht erweitert.
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In die zentrale Ausnehmung 20 des Isolatorteils 14 ist von dessen Unterseite her ein Einsatz 34 eingesetzt, der eine im Wesentlichen zylindrische Buchse 36 mit einem Außengewinde 38 an deren Umfangsseite umfasst, welches in das Innengewinde 24 des erweiterten Abschnitts 22 eingeschraubt ist. Vom unteren Ende der Buchse 36 aus erstreckt sich ein ringförmiger Flansch 40 radial nach außen, der im vollständig eingeschraubten Zustand des Einsatzes 34 flächig an der Unterseite des Isolatorteils 14 anliegt. Der Flansch 40 begrenzt somit die Einschraubtiefe des Isolatorteils 34 in den erweiterten Abschnitt 22 des Isolatorteils 14.
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Die Buchse 36 des Einsatzes 34 weist ferner auf nicht näher dargestellte Weise ein Innengewinde 42 auf, in welches ein Außengewinde der Düse einschraubbar ist. Dieses Einschrauben kann insbesondere durch eine maschinelle Düsenwechselvorrichtung erfolgen. Um die mechanischen Lasten beim Düsenwechsel zu verringern und insbesondere Beschädigungen des spröden Keramikmaterials des Isolatorteils 14 zu vermeiden, weist die erfindungsgemäße Aufnahmevorrichtung 10 besondere Merkmale auf, die im Folgenden näher beschrieben werden.
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Der Einsatz 34 besteht erfindungsgemäß aus Stahl, vorzugsweise aus austenitischem Edelstahl, also einem Werkstoff mit einer hohen Duktilität. Aus diesem Grund kann der Einsatz 34 die beim Düsenwechsel eingeleiteten Lasten besser aufnehmen und abbauen, so dass sie nicht oder nur in geringem Umfang in das Isolatorteil 14 eingeleitet werden. Bei dem austenitischen Edelstahl, aus welchem der Einsatz 34 hergestellt ist, kann es sich beispielsweise um X8CrNil8-9 (1.4305 nach DIN EN 10088) handeln.
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Der äußere Durchmesser des Flansches 16 bestimmt den maximalen äußeren Durchmesser D2 des Isolatorteils 14. Dieser maximale äußere Durchmesser D2 steht zu der Gesamthöhe H3 des Isolatorteils 14 in einem Verhältnis, das ausgedrückt wird durch H3/D2 < 0,4. Das Isolatorteil 14 ist somit relativ flach ausgebildet, so dass auftretende radiale Belastungen auf das Isolatorteil 14 gut aufgenommen werden können.
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Im vollständig aufgenommenen Zustand des Einsatzes 34 in die zentrale Ausnehmung 20, also in vollständig eingeschraubten Zustand der Buchse 36 in den erweiterten Abschnitt 22, verbleibt ein spaltförmiger Zwischenraum 44 zwischen dem Einsatz 34 und der ringförmigen Unterseite 30 der Stufe 28. Hierdurch wird verhindert, dass axiale Lasten an dieser Stelle über den Einsatz 34 in das Isolatorteil 14 eingeleitet werden. Ferner dient der Flansch 40 des Einsatzes 34 zu einer flächigen Verteilung solcher axialen Lasten auf den Körper des Isolatorteils 14.
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Das Innengewinde 42 in der zentralen Öffnung des Einsatzes 34 weist ein Maß G1 zwischen M14×1 und M16×1 (metrisches Iso-Feingewinde nach DIN 13) auf. Der Gewindedurchmesser ist somit relativ groß gewählt, so dass ausreichende Toleranzen gegenüber der Lage und Position der Düse während des Einschraubvorgangs sichergestellt werden. Die axialen Kräfte, die beim maschinellen Einschrauben auftreten können, lassen sich hierdurch gut übertragen und vom Einsatz 34 aufnehmen.
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In der zentralen Ausnehmung 20 des Isolatorteils 14 ist der Übergang zwischen dem erweiterten Abschnitt 22 und der Unterseite 30 der Stufe, die dem Einsatz 34 zugewandt ist, als ausgerundeter Querschnitt ausgebildet. Hierdurch wird verhindert, dass die sich radial erstreckende Fläche der Unterseite 30 und die im wesentlichen zylindrische Umfangswand des erweiterten Abschnitts 22 im Querschnitt exakt senkrecht aufeinanderstoßen und sich infolgedessen ein scharfer Übergang zwischen diesen im Querschnitt senkrecht zueinander stehenden Flächen ergibt, der zu Spannungsspitzen bei in das Isolatorteil 14 eingeleiteten Lasten führen kann. Solche Spannungsspitzen werden durch den ausgerundeten Querschnitt 46 gemildert. Bei der vorliegenden Ausführungsform weist dieser konkav ausgerundete Querschnitt 46 am Übergang zwischen dem erweiterten Abschnitt 22 der zentralen Ausnehmung 20 und der Unterseite 30 der Stufe 28 einen Kerbradius R2 zwischen 0,3 mm und 0,5 mm auf.
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In vergleichbarer Weise ist an der Außenseite des Isolatorteils 14 der Übergang zwischen der äußeren Umfangsfläche 18 kleineren Durchmessers und der Unterseite des Flansches 16, d. h. der Seite 48, dem Einsatz 34 zugewandt ist, als konkav ausgerundeter Querschnitt 50 ausgebildet. Auch dieser ausgerundete Querschnitt 50 dient zur Verminderung von Spannungsspitzen. Dieser konkav ausgerundete Querschnitt 50 auf der Außenseite des Isolatorteils 14 weist bei der vorliegenden Ausführungsform einen Kerbradius R1 zwischen 0,8 mm und 1,2 mm auf.
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Die vorliegend dargestellte Aufnahmevorrichtung 10 ist Bestandteil eines Laserbearbeitungskopfes, der ferner die nicht gezeigte Düse umfasst, die lösbar im Einsatz 34 der Aufnahmevorrichtung 10 eingeschraubt ist.
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2 zeigt die Aufnahmevorrichtung 10 ohne den Einsatz 34 in einer Schnittansicht entsprechend 1, einschließlich Angaben von Abmessungen, die spezifisch für die vorliegende bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sind.
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R2 bezeichnet den Kerbradius zwischen 0,3 mm und 0,5 mm am Übergang zwischen dem erweiterten Abschnitt 22 der zentralen Ausnehmung 20 und der Unterseite 30 der Stufe 28. R1 bezeichnet den Kerbradius des konkav ausgerundeten Querschnitt 50 auf der Außenseite des Isolatorteils 14 zwischen 0,8 mm und 1,2 mm. Der Flansch 16 des Isolatorteils 14 weist eine axiale Dicke H1 zwischen 4 mm und 6 mm und einen Durchmesser D2 zwischen 30 mm und 32 mm auf. Die äußere Umfangsfläche 18 kleineren Durchmessers weist einen Durchmesser D1 zwischen 25 und 28 mm auf. Das Isolatorteil 14 weist eine axiale Dicke H3 zwischen 9 mm und 11 mm auf. Das Innengewinde 24 des erweiterten Abschnitts 22 weist ein Maß G2 zwischen M17×0,75 und M19×0,75 (DIN 13) auf. Der Abschnitt 26 kleineren Durchmessers am oberen Ende des Isolatorteils 14 weist einen maximalen Durchmesser D3 zwischen 10 mm und 12 mm und einen Öffnungswinkel W1 zwischen 10° und 12° auf.
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3 zeigt die Aufnahmevorrichtung 10 aus den 1 und 2 einschließlich des Einsatzes 34 mit Bemaßungen. Demnach weist der Flansch 40 des Einsatzes 34 eine axiale Dicke zwischen 0,4 mm und 0,6 mm, so dass die Aufnahmevorrichtung 10 einschließlich des Isolatorteils 14 und des Einsatzes 34 eine Gesamtdicke H2 zwischen 9,4 mm und 11,6 mm aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007040843 A1 [0002]
- DE 102007040843 [0025]
