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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung für die additive Fertigung eines generativ gefertigten Bauteils umfassend eine Stützstruktur nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren zur additiven bzw. generativen Fertigung von Bauteilen bekannt, wie beispielsweise Pulverbettverfahren oder Flüssigmaterialverfahren. Bei einigen Verfahren ist es dabei erforderlich bei der Herstellung des Bauteils Stützstrukturen zu verwenden um das generativ gefertigte Bauteil zu stützen. Insbesondere bei Flüssigmaterialverfahren, wie beispielsweise der Stereolithografie, sind Stützstrukturen erforderlich, um Überhänge von Bauteilen abzustützen, wodurch die Bereiche des Bauteils in der gewünschten geometrischen Zuordnung gehalten werden.
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Aus der deutschen Patentanmeldung
DE 199 54 891 A1 geht beispielsweise ein Stereolithographie-Verfahren hervor, bei dem zusammen mit dem in aufeinander folgenden Schichten anzufertigenden Bauteil ein Stützgerüst hergestellt wird. Das Stützgerüst dient dabei dazu, vorbestimmte Bereiche des Bauteils, insbesondere überhängende Bereiche, zu stützen. Das Bauteil und das Stützgerüst sind hierfür über nadelartige Pfosten miteinander verbunden. Um die Stützstruktur von dem Bauteil zu trennen ist in der Regel ein entsprechender Nachbearbeitungsschritt erforderlich.
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Bei Pulverbettverfahren wird ein pulverförmiges Material oder ein Granulat schichtweise aufgetragen und anschließend selektiv verfestigt. Als Pulverbettverfahren sind aus dem Stand der Technik beispielsweise das Binder Jetting, das selektive Lasersintern, das selektive Laserschmelzen sowie das Elektronenstrahlschmelzen bekannt. Bei dem Binder Jetting wird das pulverförmige Material an ausgewählten Stellen mit einem Binder verklebt und so verfestigt. Beim selektiven Lasersintern und dem selektiven Laserschmelzen wird das pulverförmige Material hingegen mit Hilfe eines Lasers und beim Elektronenstrahlschmelzen mit Hilfe eines Elektronenstrahls verfestigt. Da das aufgetragene pulverförmige Material das Bauteil bereits ausreichend stützt, sind zusätzliche Stützstrukturen bei Pulverbettverfahren nicht erforderlich. Allerdings konnte bei Pulverbettverfahren beobachtet werden, dass durch eine ungewollte Bewegung des bereits aufgetragenen, nicht verfestigten Pulvermaterials Ungenauigkeiten bei der schichtweisen, generativen Anfertigung des Bauteils entstehen. Einzelne Teilchen können sich dabei beispielsweise in vorhandene nicht durch das pulverförmige Material gefüllte Zwischenräume bewegen. Insbesondere ein Rakeln oder Rütteln, bei dem eine neu aufgetragene Schicht des Pulvermaterials geglättet wird, bewirkt dabei oftmals eine Bewegung des pulverförmigen Materials. Damit ist oftmals auch eine ungewollte Bewegung der bereits gefertigten Strukturen verbunden. Da die akzeptablen Fertigungstoleranzen oftmals nur sehr gering sind, können derartige Ungenauigkeiten zu einem hohen Ausschuss gefertigter Bauteile führen. Die aus der ungewollten Bewegung der Teilchen des pulverförmigen Materials resultierenden Ungenauigkeiten sind insbesondere auch von der Teilchengröße des pulverförmigen Materials bzw. des verwendeten Granulats sowie weiterer Parameter, wie z.B. den Umgebungsbedingungen, abhängig und können daher nur schwer kontrolliert werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es eine Einrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils bereitzustellen, bei dem eine Ungenauigkeit bei der generativen Herstellung des Bauteils aufgrund einer ungewollten Bewegung des aufgetragenen pulverförmigen Materials verhindert oder zumindest verringert wird.
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Diese Aufgabe löst die Erfindung durch eine Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung umfasst eine Einrichtung für die additive Fertigung eines generativ gefertigten Bauteils mit vorgegebener Außenkontur innerhalb einer als Begrenzung des Baufelds dienenden Bildbox. Die Einrichtung umfasst dabei eine Stützstruktur, wobei die Stützstruktur zusätzlich zum Bauteil generativ gefertigt ist und sich über den gesamten Bereich zwischen der Bildbox und der Außenkontur ohne Kontakt zum herzustellenden Bauteil erstreckt. Die Erzeugung der Einrichtung umfasst dabei die bei Pulverbettverfahren üblichen Schritte:
- a) Auftragen einer Schicht eines pulverförmigen Materials,
- b) Selektive Verfestigung des pulverförmigen Materials basierend auf Konstruktionsdaten der Schicht,
- c) Wiederholen der Schritte a) und b) bis zur Auftragung und selektiven Verfestigung aller für eine generative Anfertigung des Bauteils erforderlichen Schichten.
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Bevorzugt ist der Boden der Bildbox dabei durch eine bewegliche Trägerplatte gebildet, die nach dem Auftragen einer Schicht bzw. nach der selektiven Verfestigung des pulverförmigen Materials einer Schicht, um je eine Schichtdicke abgesenkt wird. Das aufgetragene pulverförmige Material kann dabei insbesondere mit Hilfe einer Rakel oder einer Walze vollflächig aufgebracht werden. Die Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb jeder Schicht eine Stützstruktur zusätzlich zum Bauteil angefertigt ist, wobei die Stützstruktur den Bereich zwischen der Bildbox, speziell zwischen den Innenkanten der Bildbox, die das Baufeld begrenzen, und den Außenkonturen des Bauteils durchzieht. Die Stützstruktur wird dabei bevorzugt simultan zum Bauteil gefertigt und erfordert somit keine zusätzlichen Verfahrensschritte bei der Erzeugung der Einrichtung, beispielsweise Verfahrensschritte bei denen eine entsprechende Stützstruktur von außen eingebracht wird. Durch die Ausgestaltung der Stützstruktur in jeder Schicht wird die Bewegungsfreiheit des aufgetragenen pulverförmigen Materials stark reduziert. Die Stützstruktur trägt dabei wesentlich dazu bei, dass das bereits aufgetragene und nicht verfestigte pulverförmige Material innerhalb der Bildbox gegen Fließen, Verrutschen oder andere Bewegungen der Partikel des Materials gestützt wird. Ungenauigkeiten des additiven Verfahrens aufgrund ungewollter Bewegungen des pulverförmigen Materials, die insbesondere während dem Auftragen oder dem Glätten einer weiteren Schicht entstehen können, werden dadurch verringert bzw. unterbunden. Weiter ist die Stützstruktur erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass diese keinen Kontakt zum anzufertigenden Bauteil, insbesondere zu dessen Außenkontur aufweist. In dem Bereich zwischen dem Bauteil und der Stützstruktur ist ein Zwischenraum mit nicht verfestigtem bzw. nicht gebundenem pulverförmigem Material angeordnet. Aufwendige und zeitintensive Nachbearbeitungsschritte zum Trennen des Bauteils von der Stützstruktur sind dadurch nicht erforderlich. Der Zwischenraum zwischen dem Bauteil und der Stützstruktur kann um die Kontur des Bauteils herum stets dieselbe Breite aufweisen oder, insbesondere in Abhängigkeit von der geometrischen Form des Bauteils, variieren. Bevorzugt weist die Stützstruktur dabei auch keine Verbindung mit der Bildbox auf. Das Entfernen der Stützstruktur von der Bildbox nach der Bauteilherstellung ist dadurch ohne weitere Bearbeitungsschritte möglich. Allerdings ist es auch denkbar, die Stützstruktur mit der Bildbox zu verbinden. Dies kann insbesondere fertigungstechnische Vorteile sowie eine Stabilisierung der Stützstruktur mit sich bringen und dadurch zu einer zusätzlichen Fixierung des pulverförmigen Materials beitragen.
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Die jeweilige Ausgestaltung der an ein anzufertigendes Bauteil angepassten Stützstruktur kann dabei beispielsweise durch vorprogrammierte Stützgerüstgeneratoren auf Basis der Konstruktionsdaten des Bauteils sowie der geometrischen Ausgestaltung der Bildbox erzeugt werden. Um die Genauigkeit der additiven Fertigung zu prüfen, können zusätzlich zum Bauteil Prüfkörper angefertigt werden. Durch eine Vermessung der Prüfkörper kann eine Aussage über die Genauigkeit bzw. die Qualität und die Fertigungstoleranzen des Bauteils erfolgen, ohne das Bauteil selbst vermessen zu müssen. Eine Vermessung des Prüfkörpers kann dabei auch während des Verfahrens zur Erzeugung der erfindungsgemäßen Einrichtung erfolgen, um bei einem auftretenden Fehler frühzeitig, insbesondere bereits während des additiven Verfahrens, korrigierend eingreifen zu können.
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Bevorzugt durchzieht die Stützstruktur dabei im Wesentlichen den gesamten, nicht für das Bauteil vorgesehenen Bereich der Bildbox. Die Stützstruktur weist auch dabei keinen Kontakt zum Bauteil auf. Insbesondere bei speziellen Ausgestaltungen des Bauteils, beispielsweise bei einer Hinterschneidung oder einer Öffnung, wie z.B. bei einem ringförmigen Bauteil, ist es vorteilhaft, wenn neben dem Bereich zwischen der Bildbox und der Außenkontur des Bauteils auch der von den Konturen des Bauteils eingeschlossene innere Bereich von der Stützstruktur durchzogen ist. Die Stützstruktur kann nach Beendigung der additiven Fertigung, insbesondere bei einer durchgehenden Öffnung bzw. Hinterschneidung des Bauteils, leicht aus der Bildbox entfernt und dabei die Stützstruktur beseitigt werden. Dadurch kann die Genauigkeit der additiven Fertigung eines Bauteils insbesondere auch im Bereich von Hinterschneidungen und Öffnungen weiter erhöht werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Stützstruktur generativ, insbesondere durch die selektive Verfestigung des pulverförmigen Materials, gefertigt wird. Durch die generative Fertigung ist es möglich, die geometrische Ausgestaltung der Stützstruktur auf einfache Weise individuell an das anzufertigende Bauteil, die Bildbox sowie das verwendete pulverförmige Material anzupassen. Bevorzugt bestehen die Stützstruktur und das Bauteil dabei aus demselben Material bzw. denselben Materialien. Dadurch ist eine effiziente generative Fertigung ohne zusätzliche Vorrichtungen, beispielsweise durch zusätzliche Anlagen zum Auftragen oder Verfestigen unterschiedlicher pulverförmiger Materialien, und ohne zusätzliche Verfahrensschritte gegeben. Allerdings ist es auch möglich, das Bauteil und die Stützstruktur aus unterschiedlichen Materialien zu fertigen. Hierdurch können Bauteil und Stützstruktur mit beispielsweise unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften, insbesondere einer unterschiedlichen Festigkeit, gefertigt werden. Dabei ist insbesondere denkbar, die Stützstruktur aus einem Material herzustellen, dass eine einfache Wiederaufbereitung des für die Stützstruktur verwendeten Materials ermöglicht. Beispielsweise ist dies durch die Verwendung eines thermoplastischen Kunststoffs als Bindemittel für die Stützstruktur beim Binder Jetting denkbar.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Stützstruktur dabei zumindest teilweise geschlossene Stützstruktureinheiten auf, beispielsweise in Form geschlossener Kammern. Die absolute Größe einer Stützstruktureinheit kann dabei abhängig von der Bauteilgeometrie, des verwendeten Pulvers und/oder der Größe der Bildbox gewählt werden. Durch die geschlossenen Stützstruktureinheiten wird die Bewegungsfreiheit des pulverförmigen Materials im Bereich der Stützstruktur weiter verringert. Dies wirkt sich positiv auf die Genauigkeit der additiv hergestellten Strukturen aus. Insbesondere im Bereich des Bauteils kann die Stützstruktur von den geschlossenen Stützstruktureinheiten abweichen. Hierbei können die Stützstruktureinheiten in Abhängigkeit von der Geometrie des anzufertigenden Bauteils beispielsweise teilweise offen oder durch entsprechend angepasste Verbindungen geschlossen sein.
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Besonders bevorzugt ist die Stützstruktur eine Hohlkammerstruktur. Die erforderliche Stabilität der Stützstruktur ist dadurch besonders hoch. Im Gegensatz zu einer vollvolumigen Stützstruktur ist dadurch eine materialsparende Ausgestaltung der Stützstruktur gegeben bei der das zwischen den Hohlkammern angeordnete nicht verfestigte pulverförmige Material anschließend wiederverwendet werden kann. Außerdem wird für das generative Anfertigen der Stützstruktur dadurch weniger Zeit als beispielsweise bei einer vollflächigen Ausgestaltung der Stützstruktur benötigt. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weist die Stützstruktur ein Wabenmuster auf. Insbesondere im Hinblick auf deren Stabilität ist die Stützstruktur dadurch besonders vorteilhaft ausgestaltet. Außerdem ist die Verwendung eines Wabenmusters auch bei der Anpassung der Stützstruktur an die Kontur des Bauteils vorteilhaft. Allerdings sind auch Stützstrukturen mit anderen Mustern, beispielsweise einem im Querschnitt quadratischen oder rauten- oder oktaederförmigen Muster, denkbar.
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Bevorzugt ist die Stützstruktur als eine Mehrzahl von parallel und im Abstand zueinander angeordneten Platten mit Kammern zwischen benachbarten Platten ausgebildet. Der Freiraum für eine ungewollte Bewegung des pulverförmigen Materials, die beispielsweise durch das Rakeln, Rütteln oder Absenken der Trägerplatte auftreten kann, wird dadurch weiter verringert. Die Genauigkeit des resultierenden Bauteils wird somit weiter verbessert. Die Platten sind dabei bevorzugt parallel zur Trägerplatte angeordnet. Dadurch ist auch die Möglichkeit einer kontinuierlich fortlaufenden generativen Fertigung gegeben. Dabei kann nach der Auftragung der letzten Schicht eines anzufertigenden Bauteils eine parallel zur Trägerplatte angeordnete Zwischenplatte ausgebildet werden, die als Boden für das nächste Bauteil dient. Dadurch ist eine besonders effiziente Ausgestaltung der generativen Fertigung gegeben, die die Herstellung mehrerer Bauteile in einem kontinuierlichen Prozess ermöglicht.
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Besonders vorteilhaft für die erfindungsgemäße Einrichtung ist dabei die Verfestigung des pulverförmigen Materials durch einen Binder beim sogenannten Binder Jetting. Weiter ist auch die selektive Verfestigung durch Laserschmelzen, Lasersintern oder Elektronenstrahlschmelzen möglich. Derartige Verfahren sowie deren jeweiligen Vorteile sind aus dem Stand der Technik bekannt und ermöglichen neben der simultanen Anfertigung insbesondere die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Stützstruktur auf vorteilhafte Weise.
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Bevorzugt ist das pulverförmige Material Sand oder ein Metallpulver oder ein Polymergranulat oder ein Keramikpulver. Hierdurch ist eine vorteilhafte Fertigung der Bauteile sowie der erfindungsgemäßen Stützstruktur möglich. Dabei ist es möglich für einzelne Bereiche unterschiedliche pulverförmige Materialien, beispielsweise unterschiedliche Metallpulver, zu verwenden. Für das Bauteil kann zum Beispiel ein anderes pulverförmiges Material als für die Stützstruktur verwendet werden, um unterschiedliche Eigenschaften der jeweiligen Bereiche zu erhalten.
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Besonderheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen. Diese zeigen:
- 1 eine Draufsicht auf eine Schicht eines aufgetragenen und bereichs- bzw. teilweise verfestigten pulverförmigen Materials;
- 2 ein Schnitt durch die Schnittebene A-A aus 1;
- 3 ein Schnitt durch die Schnittebene B-B aus 1;
- 4 eine Draufsicht auf eine Schicht des aufgetragenen und verfestigten pulverförmigen Materials in einem Bereich ohne Bauteil.
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1 zeigt beispielhaft eine Ausgestaltung einer Schicht bei der additiven Fertigung zweier Bauteile 3, 3' unter Verwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung. Das Baufeld in dem das pulverförmige Material aufgetragen und selektiv verfestigt wird, ist dabei randseitig durch eine quadratische Bildbox 1 begrenzt. Die Grundfläche, die den Boden der Bildbox 1 bildet und auf der die erste Schicht des pulverförmigen Materials aufgebracht ist, ist durch eine in 1 nicht gezeigte Trägerplatte 2 gebildet. Der Bereich zwischen den Außenkonturen der Bauteile 3, 3' und der Bildbox 1 ist dabei von einer Stützstruktur 4 durchzogen. Die Stützstruktur 4 besteht hierbei aus wabenförmigen Stützstruktureinheiten 5. Zwischen der Außenkontur der Bauteile 3, 3' und der Stützstruktur 4 ist ein Zwischenraum 7 ausgebildet, der keine Stützstruktur 4 aufweist. Durch das im Zwischenraum 7 angeordnete, nicht gebundene pulverförmige Material besteht keine feste Verbindung zwischen den Bauteilen 3, 3' und der Stützstruktur 4. An den Ecken der quadratischen Bildbox 1 sind Prüfkörper 8 zur Kontrolle der Genauigkeit des additiven Fertigungsverfahrens bzw. der resultierenden Bauteile 3, 3' im additiven Fertigungsprozess gefertigt.
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In 2 ist ein Schnitt durch die Schnittebene A-A aus 1 in einem Bereich der additiv gefertigten Bauteile 3, 3' und in 3 ein Schnitt durch die Schnittebene B-B aus 1 in einem Bereich ohne Bauteil 3, 3' gezeigt. Die Stützstruktur 4 erstreckt sich dabei durch alle Schichten. Außerdem weist die Stützstruktur 4 Platten 6 auf, die parallel zur Trägerplatte 2 in bestimmten Abständen angeordnet sind und die Stützstruktureinheiten 5, die Kammern zwischen den Platten 6 bilden, horizontal begrenzen. In 2 ist insbesondere zu erkennen, dass die Breite der Zwischenräume 7 zwischen einem Bauteil 3, 3' und der Stützstruktur 4 in Abhängigkeit von der geometrischen Form des Bauteils 3, 3' variieren kann. Insbesondere kann die Breite der Zwischenräume 7 dabei auch schichtweise variieren.
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4 zeigte eine Draufsicht auf eine Schicht, die ausschließlich aus der Stützstruktur 4 mit den wabenförmigen Kammern der Stützstruktureinheiten 5 besteht. An den Längsseiten L der Bildbox 1 sind die Stützstruktureinheiten 5 dabei nur punktuell über die Wabenecken und an den Querseiten Q über die Wabenkanten mit der Bildbox 1 verbunden. Allerdings sind dabei auch andere Ausgestaltungen möglich, insbesondere derart, dass zwischen der Bildbox 1 und der Stützstruktur 4 ein weiterer Zwischenraum und somit keine feste Verbindung zwischen Bildbox 1 und Stützstruktur 4 besteht.
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Für die additive Fertigung eines Bauteils wird zunächst basierend auf den Konstruktionsdaten des Bauteils 3, 3' sowie der verwendeten Bildbox 1 eine geometrisch angepasste Stützstruktur 4 berechnet, die sich durch den gesamten Zwischenraum 7 zwischen der Außenkontur der Bauteile und der Bildbox 1 erstreckt. Dabei können insbesondere auch Öffnungen in dem Bauteil 3, 3' mit der Stützstruktur 4 versehen werden. Die Berechnung der Ausgestaltung der Stützstruktur 4 kann insbesondere computergesteuert durch einen Stützgerüstgenerator erfolgen. Für die additive Herstellung eines Bauteils wird das pulverförmige Material schichtweise innerhalb des als Begrenzung des Baufelds dienenden Bildbox 1 gleichmäßig aufgetragen. Basierend auf den Konstruktionsdaten der jeweiligen Schicht, wird das pulverförmige Material dabei selektiv verfestigt, beispielsweise durch das Auftragen und Verkleben mit einem geeigneten Binder. Anschließend wird die Trägerplatte 2 um eine Schichtdicke abgesenkt und die nächste Schicht des pulverförmigen Materials aufgetragen. Nach dem vollständigen Auftragen aller für das Bauteil 3, 3' erforderlichen Schichten wird das Bauteil 3, 3' aus der Bildbox 1 entnommen und die nicht mit dem Bauteil 3, 3' verbundene Stützstruktur 4 entfernt. Aufwendige Nachbearbeitungsschritte zum Trennen von Stützstruktur 4 und Bauteil 3, 3' sind aufgrund der Zwischenräume 7 zwischen dem Bauteil 3, 3' und der Stützstruktur 4 nicht erforderlich. Nach dem Entfernen der Stützstruktur 4 und dem Bauteil 3, 3' aus der Bildbox 1 kann das nächste Bauteil 3, 3' innerhalb der Bildbox gefertigt werden. Alternativ ist auch eine kontinuierliche additive Fertigung denkbar, wobei nach der Auftragung der letzten Schicht für ein anzufertigendes Bauteil 3, 3' eine parallel zur Trägerplatte 2 angeordnete Zwischenplatte, die als Boden für das nächste Bauteil 3, 3' dient, durch ein vollflächiges Verfestigen des pulverförmigen Materials innerhalb der Bildbox 1 ausgebildet werden kann. Anstelle der vollflächigen Verfestigung des pulverförmigen Materials ist es auch denkbar, eine bereits vorgefertigte Zwischenplatte von außen einzubringen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bildbox
- 2
- Trägerplatte
- 3, 3'
- Bauteil
- 4
- Stütz struktur
- 5
- Stützstruktureinheit
- 6
- Platte
- 7
- Zwischenraum
- 8
- Prüfkörper
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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