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Druckmittelbetriebener Stellmotor Die Erfindung bezieht sich auf einen
druckmittelbetriebenen Stellmotor mit einem Arbeitszylinder, der einen den Arbeitszylinder
in zwei über Kanäle miteinander verbundene Teilkammern aufteilenden Differentialkolben,
zwei jeweils einer Stirnfläche des Differentialkolbens zugeordnete und an den beiden
Enden des Arbeitszylinders zugeordnete Druckmittelanschlüsse und zwei jeweils einer
Endstellung des Differentialkolbens im Arbeitszylinder zugeordnete Anschläge für
den Differentialkolben aufweist.
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Derartige Stellmotoren, bei denen der Differentialkolben nur die beiden
Endstellungen an den Anschlägen, nicht jedoch Zwischenstellungen im Arbeitsraum
des Arbeitszylinders einnehmen kann, werden gewöhnlich mit einem 4/2-Ventil gesteuert,
das in der das Druckmittel führenden Zuleitung für den Arbeitszylinder, d.h. im
Leistungszweig angeordnet ist. Es besteht zwar die Möglichkeit, das Steuerventil
durch ein vorgesteuertes Ventil zu ersetzen, wodurch die aufzubringende Steuerleistung
verringert werden kann; dieses hat jedoch zur Folge, daß der gesamte Servomotor
komplizierter aufzubauen ist, sehr viel bewegliche-Teile aufweist und somit in der
Herstellung teuer ist. Außerdem bieten die herkömmlichen Bauweisen derartiger Stellmotoren
nur beschränkte Möglichkeiten, den gesamten Aufbau zu miniaturisieren.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Stellmotor der eingangs genannten
Art durch eine neuartige An- und Zuordnung der Einzelteile, insbesondere durch Verringerung
und Vereinfachung der bewegten Teile, derart weiter zu entwickeln, daß der Stellmotor
insgesamt klein gebaut und leicht gefertigt werden kann, und daß fernerhin die zur
Umschaltung des Differentialkolbens notwendigen Steuerleistungen klein gehalten
werden.
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Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Arbeitszylinder
im Bereich desjenigen Anschlages, der der größeren Stirnfläche des Differentialkolbens
zugeordnet ist, Mittel aufweist zum Abdichten der die Teilkammern verbindenden Kanäle
(Arbeitsdrosseln) in der Endstellung des Kolbens an diesem Anschlag, daß ferner
zwischen den Teilkammern des Arbeitszylinders ein in der vorerwähnten Endstellung
des Differentialkolbens nicht abgedichteter Drosselkanal (Haltedrossel) vorgesehen
ist, daß der der kleineren Stirnfläche des Differentialkolbens zugeordnete Druckmittelanschluß
mit
einer Druckmittelquelle verbunden ist, und daß schließlich für
den anderen Druckmittelanschluß ein Absperrventil vorgesehen ist.
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Die Arbeitsdrosseln sind bevorzugt als Einschnitte am Um-und fang
des Differentialkolbens der der größeren Stirnfläche zugeordnete Anschlag für den
Differentialkolben ist als Dichtung für diese Arbeitsdrosseln in der Endstellung
des Differentialkolbens an diesem Anschlag ausgebildet. Die Haltedrossel kann entweder
eine Bohrung durch den Differentialkolben oder ebenfalls ein Einschnitt ähnlich
wie der von einer Arbeitsdrossel am Umfang des Kolbens sein, wobei dann selbstverständlich
in der Endstellung des Differentialkolbens, in der die Arbeitsdrosseln abgedichtet
sind, die Haltedrossel durch den als Dichtung ausgebildeten Anschlag nicht abgedichtet
werden darf.
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Ein Stellmotor gemäß der Erfindung wird demnach lediglich durch ein
einziges Absperrventil, also durch ein 2/2-Ventil gesteuert, das zudem durch die
spezielle Ausbildung des Arbeitszylinders nicht bei Systemdruck geschaltet zu werden
braucht.
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Ist das Absperrventil offen, so wirkt das Druckmittel auf die Stirnseite
des Differentialkolbens, an der die Kolbenstange befestigt ist, während auf der
gegenüberliegenden größeren Stirnseite ein niedriger Druck herrscht, da hier das
Druckmittel nahezu ungehindert über das Sperrventil abfließen kann: der Differentialkolben
bewegt sich in Richtung auf das Absperrventil.
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Sobald der Differentialkolben an den dortigen Anschlag gelangt, werden
die Arbeitsdrosseln abgedichtet, so daß jetzt das Druckmittel von der Einlaßseite
nur mehr über die Arbeitsdrossel
durch das Absperrventil strömt.
Da diese Menge sehr klein ist, kann nunmehr mit geringer Leistung das Absperrventil
geschlossen werden; in diesem Moment baut sich zwischen der größeren Stirnfläche
des Differentialkolbens und dem geschlossenen Absperrventil der Systemdruck über
die Haltedrossel aus und bewegt den Kolben ein klein wenig von dem Anschlag, der
die Arbeitsdrosseln abdichtet, weg. In diesem Moment strömt Druckmittel wiederum
über die Arbeitsdrosseln in die der größeren Stirnfläche des Differentialkolbens
zugewandte Teilkammer und schiebt den Differentialkolben in Richtung auf den Anschlag
am Einlaß für das Druckmittel zu.
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Sobald der Differentialkolben an diesem Anschlag angelangt ist, kann
die Bewegungsrichtung geändert werden, indem das Absperrventil mit Unterstützung
des Systemdruckes geöffnet wird.
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Zur Umschaltung der jeweiligen Bewegungsrichtung des Differentialkolbens
sind demnach nur geringe Leistungen erforderlich.
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Ebenso ist ersichtlich, daß die Konstruktion eines Stellmotors gemäß
der Erfindung gegenüber bekannten Ausführungen vereinfacht ist, da als einzige bewegte
Teile neben dem Differentialkolben nur die Teile des 2/2-Absperrventiles verbleiben.
Hier ergibt sich nün eine besonders einfache bauliche Ausführung des Stellmotors
dadurch, wenn das Absperrventil ein Sitzventil mit federbelastetem Sitzkörper ist,
wobei die Federkraft der Strömung des Druckmittels in dem dem Absperrventil zugeordnetem
Druckmittelanschluß entgegengerichtet ist. Vorzugsweise ist dabei der Sitzkörper
des Absperrventiles der Anker eines Magnetsystems.
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Auf diese Weise wird die Steuerleistung des Stellmotors weiterhin
verringert. Sobald nämlich der Differentialkolben in der
Endstellung
sich befindet, in dem die Arbeitsdrosseln abgedichtet sind, wird der Sitzkörper
des Sitzventiles durch die Federkraft wiederum soweit gegen seinen Sitz gedrückt,
daß gerade das durch die Haltedrossel strömende Druckmittel abfließt. Da diese Menge
des abfließenden Druckmittels nur sehr gering ist, kann der Sitzkörper nah an den
Kanal (Durchflußkanal) geschoben werden, so daß beim Schließen auch der Schaltweg
des Sitzkörpers sehr kurz ist. In dem bevorzugten Fall, bei dem der Sitzkörper als
Anker eines Magnetsystems ausgebildet ist, ergibt sich nun, daß zwangsläufig dadurch
bei geeigneter Konstruktion des gesamten Magnetsystems die zu überbrückenden Luftspalte
nur sehr gering sind; so kann mit kleinen Steuerleistungen das Sitzventil bereits
geschlossen und dann bei Umkehr der Bewegungsrichtung des Differentialkolbens auch
gegen den Systemdruck des Druckmittels gehalten werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die
besonders für kleinbauende Stellmotoren geeignet ist, ist das Sitzventil innerhalb
des Stellmotors angeordnet.
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Hierbei ist bevorzugt der Anker als durchbrochene, den Sitzkörper
tragende Platte ausgebildet, die mittels einer den als Auslaß dienenden Druckmittelanschluß
umfassenden Feder, insbesondere einer Tellerfeder abgestützt ist. Die Platte ist
durchbrochen, damit. das Druckmittel, das aus dem Arbeitszylinder strömt, ungehindert
durch den als Abfluß dienenden Druckmittelanschluß abfließen kann.
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Bei einem Stellmotor gemäß der Erfindung ist es nicht unbedingt notwendig,
daß das Sitzventil manuell oder magnetisch betätigt wird. Vielmehr ist eine Ausführungsform
möglich, durch die der Stellmotor die Charakteristik eines lastabhängigen Umschalters
erhält. Hierzu ist es nötig, daß beim Sitzventil die Federkraft des Sitzventiles,
die jeweils im offenen und im geschlossenen Zusand des Sitzventiles vom Druckmittel
beaufschlagten Flächen des Sitzkörpers, ferner die Arbeitsdrosseln
und
die Haltedrossel derart aufeinander abgestimmt sind, daß bei einer Bewegung des
Differentialkolbens in Richtung auf das Sitzventil dieses offen gehalten ist, jedoch
beim Anschlag des Differentialkolbens infolge der durch die Abdichtung der Arbeitsdrosseln
jetzt geringeren Strömung des Druckmittels durch die Haltedrossel schließt, wodurch
eine Bewegungsumkehr des Differentialkolbens erfolgt, und daß beim Anschlag des
Differentialkolbens an dem anderen Anschlage infolge des nunmehr auf den Sitzkörper
wirkenden vollen statischen Druckes der Druckmittelquelle das Sitzventil erneut
öffnet, so daß die Bewegungsrichtung des Differentialkolbens ebenfalls umgekehrt
wird.
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Die Erfindung ist in zwei Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung
näher erläutert. In dieser stellen dar: Figur 1 einen Querschnitt durch einen Stellmotor
gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung; Figur 2 einen Querschnitt
durch die Kolbenfläche eines Differentialkolbens für einen Stellmotor gemäß der
Figur 1; Figur 3 eine Aufsicht auf einen Anschlag für den Differentialkolben im
Stellmotor und Figur 4 einen Querschnitt durch einen Stellmotor gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ein Stellmotor 1 besteht aus einem Gehäuse, das seinerseits in drei
koaxiale Teile zerlegt ist, nämlich einen einen Arbeitszylinder 2 aufnehmenden Teil
, einen ein Magnetsystem 3 aufnehmenden und einen haubenförmigen, den Stellmotor
bis auf
einen als Auslaß dienenden Druckmittelanschluß 4 verschließenden
Teil 5. Der Stellmotor weist einen zweiten Druckmittelanschluß 6 auf, der in den
Arbeitszylinder 2 mündet und als Einlaß für ein Druckmittel dient, das von einer
in der Figur nur schematisch dargestellten Druckmittelquelle, z.B. einer Pumpe 7
geliefert wird. Der Auslaß 4 ist, hier ebenfalls nur schematisch dargestellt, mit
einem Tank 8 verbunden. Es ist selbstverständlich, daß der Stellmotor 1 nicht nur
in einem hier gezeigten offenen System, sondern auch in einem geschlossenen System
verwendet werden kann.
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Der Stellmotor weist auf seiner dem Einlaß 6 zugewandten Seite eine
Lagerung 9 für eine Kolbenstange 10 eines Differentialkolbens 11 auf, der den eigentlichen
im Gehäuseteil 2 befinalichen Arbeitsraum in zwei Teilkammern 12 und 13 unterteilt.
In dem Arbeitsraum kann sich der Differentialkolben 11 zwischen zwei Anschlägen,
in der Figur gesehen einem links sehr tigen Anschlag 14 und einem rechtsseitigen
Anschlag 15 ohne Zwischenstellungen bewegen. Der Differentialkolben 11, vgl.
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auch die Figur 2, weist an seinem Umfang hier als Arbeitsdrosseln
bezeichnete Einkerbungen 16 sowie eine weitere, hier als Haltedrossel 17 bezeichnete
Einkerbung auf.
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In dem haubenförmigen, den Stellmotor abschließenden Teil 5 des Gehäuses
ist ein plattenförmiger Anker 18 für das durch einen Dichtring R abgedichtete Magnetsystem
3 gelagert, der mit einem kegligen Sitzkörper 19 versehen ist, mit dem ein das Magnetsystem
3 durchdringender Kanal 20 abgesperrt werden kann. Der Anker 18 ist bei 21 jeweils
durchbohrt und auf seiner dem Auslaß 4 zugewandten Seite mittels einer Tellerfeder
22 abgestützt. Durch d-un Kanal 20 strömendes Druckmittel kann auf diese Weise über
die Bohrungen 21 aus dem Auslaß 4 in den Tank 8 abfließen. Der magnetische Kreis
für
den Anker 18 wird jeweils über die den Kanal 20 begrenzende
Schenkel 23 des Magnetsystems geschlossen, wobei der zu betrachtende Luftspalt der
Abstand zwischen dem Ende dieser Schenkel und dem Anker 18 ist. Magnetsystem 3,
Anker 18 und Tellerfeder 22 bilden demnach gemeinsam ein Sitzventil V.
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Die Funktionsweise des beschriebenen Stellmotors ist folgende: Wird
bei geöffnetem Sitzventil V von der Pumpe 7 über den Einlaß 6 Druckmittel in den
Arbeitsraum des Stellmotors geleitet, so besteht zwischen der linken und der rechten
Teilkammer 12 bzw. 13, wegen der im Differentialkolben 11 vorhandenen Drosseln 16
bzw. 17 ein Druckgefälle derart, daß der Druck in der Teilkammer 12 größer als derjenige
in der Teilkammer 13 ist. Der Differentialkolben wird in der Zeichnung gesehen nach
rechts geschoben, und zwar so lange, bis er an dem rechtsseitigen Anschlag 15 anliegt.
Dieser Anschlag ist nun derart gefertigt, daß er die Arbeitsdrosseln 16 in dieser
Endstellung des Differentialkolbens abdichtet; vgl. dazu die Figur 3 und in der
Figur 2 die gestrichelte Innenkontur des als Dichtring ausgebildeten Anschlages
15. Der Anschlag 15 läßt jedoch die oben mit Haltedrossel bezeichnete Einkerbung
17 am Differentialkolben frei, so daß Druckmittel weiterhin durch den Auslaß 4 in
den Tank abfließt. Da diese Strömung sehr gering ist, wird der Anker 18 des Sitzventiles
durch die Tellerfeder 22 so weit gegen das Magnetsystem gedrückt, daß die geringe
Strömung gerade noch ungehindert abfließen kann.
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Dadurch ist jedoch der Luftspalt zwischen Anker und den Schenkeln
23 des Magnetsystems 3 sehr schmal. Durch eine geringe Steuerleisting, die über
elektrische Leitungen 24 dem Magnetsystem zugeführt wird, kann der Anker 18 vollständig
an das Magnetsystem angezogen werden, derart, daß der Sitzkörper 19 e den Kanal
20 absperrt. In diesem Moment baut
sich in dem Kanal der statische
Systemdruck auf, wodurch der Differentialkolben 11 von dem Anschlag 15 abgehoben
wird.
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Da die diesem Anschlag zugewandte Stirnfläche des Differentialkolbens
größer als die mit der Kolbenstange 10 verbundene Fläche ist, wird der Kolben in
der Zeichnung gesehen nach links bis zu dem linksseitigen Anschlag 14 geschoben.
Obwohl in dieser Schließstellung des Sitzventiles V auf den Sitzkörper 19 der volle
Systemdruck wirkt, ist zum einen die beaufschlagte Fläche des Sitzkörpers klein
und zum anderen der Luftspalt zwischen Anker und Magnetsystem sehr schmal oder sogar-Null,
so daß zum Halten des Sitzventiles in der Schließstellung nur eine sehr geringe
Leistung erforderlich ist.
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Sobald der Kolben in der linken Endstellung angelangt ist, kann durch
Öffnen, d.h. durch Wegnehmen der Erregerleistung am Magnetsystem, das Sitzventil
geöffnet werden. Die Öffnung wird noch durch das nachströmende, in den Tank abfließende
Druckmittel unterstützt, und der Kolben bewegt sich wiederum nach rechts.
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Der beschriebene Stellmotor ist sehr einfach aufgebaut, kann ferner
mit geringen Steuerleistungen umgeschaltet werden und ist schließlich in der Formgebung
so, daß er auch in sehr kleinen Ausführungsformen gebaut werden kann.
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Der anhand der Figuren 1 bis 3 beschriebene Stellmotor kann, wenn
das Magnetsystem des Sitzventiles fortgelassen wird, die Charakteristik eines lastabhängigen
Umschalters annehmen.
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Ein solcher Umschalter ist in der Figur 4 dargestellt, in der gleiche
Teile wie in den Figuren 1 bis 3 mit gleichen Bezugsziffern versehen sind, denen
jedoch ein Beistrich bei gegeben ist. Bei diesem lastabhängig umschaltenden Stellmotor
müssen
allerdings die Einzelabmessungen verschiedener Teile aufeinander abgestimmt sein.
Das Sitzventil besteht hier lediglich aus der Platte 1d', die den Sitzkörper 19'
trägt, der seinerseits den Kanal 20' verschließen kann.
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Die Platte 18' ist durch eine Feder, hier eine Schraubenfeder 22'
abgestützt. Anstelle oder zusätzlich zur Schraubenfeder 22' kann selbstverständlich
auch ein Permanentmagnet verwendet werden, der den Sitzkörper auf seinen Sitz zieht,
wie durch 22" angedeutet. Hiercurch kann die Kraft-Weg-Kennlinie des Sitzkörpers
leicht verändert und speziellen Bedingungen angepaßt werden.
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Die Abstimmung in den einzelnen Dimensionen dieses Stellmotores sei
anhand dessen Wirkungsweise erklärt: Es soll angenommen werden, daß sich der Differentialkolben
11' in der Zeichnung gesehen nach rechts gegen den Anschlag 15' bewegt. Der Sitzkörper
19' ist von seinem Sitz abgehoben, sodaß das durch den Kanal 20' strömende Druckmittel
auf die gesamte Fläche der Platte 18' und des Sitzkörpers 19' drückt, so daß bei
entsprechender Dimensionierung der Federkraft der Feder 22' der Sitzkörper 19' von
seinem Sitz abgehoben bleibt.
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Sobald der Differentialkolben an dem Anschlag 15' anschlägt, werden
die Arbeitsdrosseln 16' verschlossen. In diesem Moment strömt Druckmittel lediglich
durch die Haltedrossel 17'. Dies bedeutet, daß in dem Kanal 20' die Kraft der Strömung
geringer wird, so daß der Sitzkörper 19' durch die Federkraft auf seinen Sitz gedrücktwird
und den Kanal 20' verschließt.
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Nun baut sich in dem Kanal 20' der statische Systemdruck der Druckmittelquelle
7' auf, so daß wie oben zum ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, der Differentialkolben
11' sich von dem Anschlag 15' abhebt und in der Zeichnung gesehen nach links zu
bewegen beginnt. Der Druck in dem Kanal 20 wirkt lediglich auf die geringe Fläche
des Sitzkörpers 19'
und ist während der Bewegung bedingt durch
den Druckabfall in den Arbeitsdrosseln kleiner als der statische Systemdruck der
Druckmittelquelle 7', so daß bei entsprechender Dimensionierung des Kanales 20t,
der Federkraft der Feder 22' und der Arbeitsdrosseln 16' der Sitzkörper 19' weiterhin
den Kanal 20' verschließt. Sobald der Differentialkolben 11' den linksseitigen Anschlag
14' berührt, baut sich in der Teilkammer 13' des Arbeitszylinders und somit auch
in dem Kanal 20' der volle statische Systemdruck der Druckmittelquelle 7' auf, der
nun bei entsprechender Dimensionierung den Sitzlcörper 19' wiederum von seinem Sitz
abhebt, so daß sich, wie oben beschrieben, der Differentialkolben von neuem nach
rechts bewegt und das Ventil offen hält. Dieses geschilderte Arbeitsspiel wiederholt
sich andauernd.
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Der beschriebene Stellmotor kann beispielsweise bei Falz-und Verpackungsmaschinen
oder Stempelmaschinen verwendet werden. Hierzu trägt die Kolbenstange l0' eine Druckplatte
30', die mit einem nicht gezeigten Stempel zum Bestempeln von in einem Stapel 31'
zusammengefaßten Platten dient. Sobald die Druckplatte 30' den Stapel 31' berührt,
der jetzt den linksseitigen Anschlag ersetzt, wird die oberste Platte gestempelt.
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Wirkt auf den Stapel eine Kraft, die aus dem statischen Systemdruck
der Druckmittelquelle 7' resultiert, wird wie oben beschrieben, die Bewegungsrichtung
des Differentialkolbens umgekehrt; Auf diese Weise ist der Stapel jeweils mit definierter
Kraft zusammengepreßt, so daß die Platten jeweils mit dem gleichen Druck und daher
immer mit gleicher Qualität gestempelt werden.
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Es ist festgestellt worden, daß ein derartiger Stellmotor mit hoher
Taktfrequenz betrieben werden kann, und daß bei entsprechender
Dimensionierung
der einzelnen Bauteile, also des Arbeitszylinders 11' mit den Arbeitsdrosseln 16'
und der Haltedrossel 17, des Kanales 20', des Sitzkörpers 19' und der Platte 18'
sowie der Federkraft der Feder 22' die Schalt- und Bewegungscharakteristik des Stellmotors
in weiten Grenzen verändert werden kann, so daß auf diese Weise ein lastabhängiger
Umschalter mit zwei bewegten Teilen geschaffen ist.
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Patentansprüche