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Die
Erfindung betrifft eine Schweißzange, insbesondere zum
Widerstandspunktschweißen, mit zwei Zangenarmen, die jeweils
eine Elektrode aufnehmen, wobei die Elektroden zum Verschweißen
eines zwischen den Elektroden positionierbaren Werkstücks
gegeneinander beweglich sind.
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Weiterhin
betrifft die Erfindung ein Schweißverfahren, insbesondere
Widerstandspunktschweißverfahren, bei dem ein Schweißpunkt
an einem Werkstück zwischen zwei Elektroden erzeugt wird, wobei
die Elektroden mittels Zangenarmen einer Schweißzange gegeneinander
bewegt werden.
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Widerstandspunktschweißen
wird zur Verbindung von Metallen, insbesondere Stahlblechen, in der
Automobilindustrie, im Karosserie- und Fahrzeugbau und allgemein
in der Blech verarbeitenden Fertigung angewendet. Die entscheidenden
Parameter des Widerstandspunktschweißens sind die Schweißdauer,
der Schweißstrom und die Druckkraft, welche die Elektroden
auf die Fügestelle aufbringen. Der große Vorteil
dieser Schweißtechnik besteht in der Möglichkeit,
innerhalb kürzester Zeit eine hohe Energie in Form von
elektrischem Strom auf eine kleine Fläche eines Werkstückes
zu konzentrieren, wobei unter Zuführung einer hohen Druckkraft eine
unlösbare Verbindung entsteht.
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Die
Druckkraft wird üblicherweise mittels hydraulischer, pneumatischer
und/oder elektrischer Systeme erzeugt. Zur Kraftaufbringung und
zur Krafteinhaltung des gewünschten Kraftwertes vor, während
und nach dem Schweißen sind aufwändige und teure
Steuerungen notwendig. Dennoch ist es nicht immer möglich,
eine gewünschte Elektrodenkraft zu erzeugen. So können
zum Beispiel bei pneumatisch angetriebenen Schweißzangen
durch Druckschwankungen im Druckluftnetz keine konstanten Druckkräfte
in den Elektroden realisiert werden. Die Einhaltung der gewünschten
Druckkraft ist ein entscheidendes Qualitätsmerkmal.
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Die
Schweißzangen zum Widerstandspunktschweißen werden
in der Automobilindustrie als Werkzeuge an Industrierobotern eingesetzt,
als handbediente Schweißzangen manuell bedient oder als
Standautomaten verwendet. Beim Widerstandspunktschweißen
unterscheidet man zwei grundsätzlich verschiedene Typen
von Schweißzangen, die X-Zange und die C-Zange.
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Die
X-Zange ist gekennzeichnet durch das scherenartige Grundprinzip,
wobei die Elektroden senkrecht zum Zangenarm angeordnet sind. Die Elektroden
werden beim Öffnen und Schließen der Schweißzange
von den Zangenarmen auf einer Kreisbahn rotatorisch um das Gelenk
der Zangenarme bewegt. Eine solche Schweißzange ist aus
der Druckschrift
DE
196 51 329 B4 bekannt. X-Zangen können Fügestellen
in schwer zugänglichen Bereichen von Werkstücken,
zum Beispiel an Hinterschneidungen, Engstellen und/oder in Fugen,
erreichen. Nachteilig ist bei einer X-Zange das undefinierte Verhalten
der Druckkraft in den Elektroden mit zunehmender Länge
des Zangenarms. Beim Schließen der X-Zange führt
die ausgeübte Druckkraft zum Durchbiegen der Zangenarme
und damit zu einer Verschiebung der Schweißposition. Um
diese Verschiebung zu verhindern und die gewünschte Druckkraft
der Elektroden im Werkstück zu erreichen, muss entweder
mittels einer Regelung die Position der Schweißzange korrigiert
oder die Steifigkeit der Zangenarme erhöht werden, damit
die Zangenarme die auftretenden Biegemomente aufnehmen können. Letzteres
führt aber zu enormen Querschnitts- und Massenzunahmen
der Zangenarme. Auch wirken sich die Abroll- und Gleitbewegungen
der Elektroden negativ auf das Schweißergebnis aus.
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Der
Bedarf an Schweißzangen mit großer Ausladung ist
durch die Forderung der Industrie nach Flexibilität in
der Fertigung begründet. Mit zunehmender Zangenausladung
und der damit verbundenen Verlängerung der Zangenarme erreicht
man eine bessere Zugänglichkeit der Fügestellen.
Eine große Ausladung bedeutet immer ein höheres
Gewicht bei einer konstanten Aufbiegung. Die notwendige Steifigkeit
wird üblicherweise durch den Einsatz massiver Träger
gesichert. Mit höherer Masse steigt auch die Komplexität
der Schweißzange und leistungsstärkere und teurere
Roboter werden erforderlich. Die größere Masse
der Schweißzange verringert die Bewegungsgeschwindigkeit
und die Präzision des Roboters.
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Bei
der C-Zange sind die Elektroden in einer Wirkachse angeordnet. Dadurch
ist es möglich, eine höhere Druckkraft auch bei
langen Zangenarmen zu erzeugen. Auch sind die ungewünschten
Relativbewegungen der Elektroden geringer, wodurch die Schweißergebnisse
im Vergleich zur X-Zange besser sind. Nachteilig bei der C-Zange
ist die erheblich eingeschränkte Zugänglichkeit
zu Fügestellen. Eine solche C-Zange ist aus der Druckschrift
DE 196 51 329 C1 bekannt.
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Allgemein
erhöht die ungenaue Steuerung von Bewegung und Druckkraft
die Zyklusdauer und vermindert die Qualität der Schweißpunkte.
Dabei kommt es zu einem übermäßigen Elektrodenverschleiß,
Schweißspritzern, dem Durchbrennen des Werkstücks,
Anlöten der Elektroden an dem Werkstück, ungleichmäßiger
Schweißqualität, einem Verzug des Werkstücks
und/oder dem übermäßigem Eindrücken
der Elektrode in das Werkstück.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine
Schweißzange der eingangs genannten Art derart auszuführen,
dass die Zangenarme für eine gute Zugänglichkeit
zu den Fügestellen eine geringe Masse, eine hohe Steifigkeit sowie
eine große Ausladung aufweisen und dass von der Schweißzange
das Aufbringen einer über die Kontaktfläche der
Elektrode und die Dauer des Schweißvorgangs gleichmäßigen
Druckkraft auf das Werkstück realisierbar ist.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der Erfindung weiterhin die Aufgabe zu
Grunde, ein Schweißverfahren der eingangs genannten Art
derart auszuführen, dass mittels einer Schweißzange
auf das Werkstück eine über die Kontaktfläche
der Elektrode und die Dauer des Schweißvorgangs gleichmäßige Druckkraft
aufgebracht wird.
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Die
erstgenannte Aufgabe wird gelöst mit einer Schweißzange
gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die
Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige
Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist
also eine Schweißzange mit zwei Zangenarmen, die jeweils
eine Elektrode aufnehmen, vorgesehen, bei der die Elektroden zum Verschweißen
eines zwischen den Elektroden positionierbaren Werkstücks
auf einer Kreisbahn und einer Geraden gegeneinander beweglich sind.
Hierdurch ist es möglich, dass die Elektroden an schwer
zugänglichen Stellen eines Werkstücks geführt
werden können und zwischen den Elektroden präzise
eine große Druckkraft aufgebracht werden kann. Die Druckkraft
kann dabei über die Kontaktfläche und die Schweißdauer
gleichmäßig und schwankungsfrei gehalten werden,
ohne dass die Elektroden verkanten und/oder verrutschen.
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Dabei
ist es günstig, dass die Zangenarme seriell rotatorisch
und translatorisch gegeneinander beweglich sind. Hierdurch ist es
möglich, die unterschiedlichen Bewegungen der Elektroden
nacheinander und damit unabhängig voneinander kontrolliert durchzuführen.
Es ist möglich die rotatorische und die translatorische
Bewegung in beliebiger Reihenfolge und Häufigkeit nacheinander
auszuführen. Dabei hat es sich als günstig erwiesen,
dass die Schweißzange die Elektroden zunächst
rotatorisch und anschließend translatorisch bewegt. Dabei
wird die rotatorische Bewegung ausgeführt bis die Elektroden
beiderseits der Schweißstelle an dem Werkstück
anliegen oder gerade noch nicht anliegen. Die translatorische Bewegung
dient dann im Wesentlichen dem Aufbau der für den Schweißvorgang
benötigten Druckspannung.
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Vorteilhaft
ist es, dass die Schweißzange zumindest ein Kraftelement
aufweist. Das Kraftelement ermöglicht es, die notwendige
Druckkraft sowohl einfach, gleichmäßig, exakt
und sicher zu erzeugen, als auch die aufgebaute Druckkraft über
einen gewünschten Zeitraum mit geringem technischem Aufwand
konstant zu halten. Dabei erfolgt der Kraftaufbau durch eine geradlinige
Bewegung der Elektroden aufeinander zu.
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Günstig
ist es, dass das Kraftelement eine Kraftaufbauvorrichtung und/oder
einen Energiespeicher aufweist, die gelenkig mit einem Zangenarm oder
beiden Zangenarmen verbunden sind. Hierdurch ist es möglich,
die Zangenarme, die Kraftaufbauvorrichtung und/oder den Energiespeicher
relativ zueinander zu bewegen und so die Zangenarme rotatorisch
und translatorisch zu bewegen. Günstig ist es, dass das
Kraftelement ein Führungselement aufweist.
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Für
eine rotatorische Bewegung der Zangenarme ist es günstig,
dass die Schweißzange zumindest ein Gelenk zwischen den
Zangenarmen aufweist, wobei das Kraftelement zwischen den Zangenarmen
positioniert ist. Hierdurch können auf einfache Weise nach
dem Arbeitsprinzip der Schere die Zangenarme rotatorisch bewegt
werden. Darüber hinaus ist es günstig, dass der
Energiespeicher zwischen dem Gelenk und einem Zangenarm oder innerhalb eines
Zangenarms angeordnet ist. Hierdurch ist es möglich, diesen
Zangenarm translatorisch zu dem anderen Zangenarm präzise
zu bewegen und dabei eine hohe Druckkraft zu erzeugen.
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Bei
einer besonders günstigen Ausführungsform der
Schweißzange ist ein Zangenarm beim Öffnen und
Schließen der Schweißzange relativ zu einer Schweißstelle
unbeweglich. Hierdurch ist es einerseits möglich, die Schweißzange
als feststehendes Werkzeug auszuführen, bei dem das Werkstück
zu der Schweißzange geführt wird, und andererseits
ist es möglich diesen relativ zu einer Schweißstelle
unbeweglichen Zangenarm derart an das Werkstück zu führen,
dass die eine Elektrode vor dem Schließen der Schweißzange
an dem Werkstück anliegt. Dies ermöglicht es,
dass die aus der Positionierungsbewegung resultierenden Schwingungen
im Roboter abklingen können während die Schweißzange schließt.
Das Werkstück und die Schweißzange zeigen beim
Schweißvorgang dann weniger Relativbewegungen.
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Günstig
in der Herstellung und im Betrieb der Schweißzange ist
es, dass der Energiespeicher ein Federelement, ein Elastomer und/oder
ein Maschinenelement, insbesondere einen Pneumatik- und/oder Hydraulikzylinder,
aufweist. Hierdurch ist es möglich, mit oder in Kombination
von einfachen technischen Mitteln einen leichten, robusten, wartungsarmen
und präzisen Energiespeicher herzustellen.
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Vorteilhaft
ist es, dass die Schweißzange und/oder die Zangenarme aus
einem Profil mit wellenförmiger Ausfachung gebildet sind.
Hierdurch ist es möglich, eine Schweißzange aus
hochfesten Stählen in besonders leichter Bauweise zu fertigen. Die
Elemente der Schweißzange, wie die Zangenarme, bestehen
aus einem Profil, insbesondere einem gelochten Hohlprofil, welches
bei geringer Masse hohe Torsionsmomente aufnehmen kann, mit einem eingesetzten
Stabwerk als Ausfachung. Das Stabwerk ist in den Umlenkpunkten stark
abgerundet, sodass das gesamte Stabwerk eine wellenförmige Struktur
aufweist. Ein solches Stabwerk ist einfach zu fertigen und mit geringem
Aufwand in dem Profil integrierbar.
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Eine
solche Ausgestaltung der Elemente der Schweißzange mit
hochfesten Biegeträgern ermöglicht die Ausnutzung
des Leichtbaupotentials moderner hochfester Stähle.
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Die
zweitgenannte Aufgabe wird gelöst mit einem Schweißverfahren
gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 9. Die
Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige
Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist
also ein Schweißverfahren vorgesehen, bei dem eine Schweißnaht
an einem Werkstück zwischen zwei Elektroden erzeugt wird,
wobei die Elektroden mittels Zangenarmen einer Schweißzange
auf einer Kreisbahn und einer Geraden gegeneinander bewegt werden.
Durch die Bewegung auf einer Kreisbahn wird es möglich,
die Elektroden auch an schwer zugängliche Stellen eines
Werkstücks zu führen. Durch die Bewegung auf einer
Geraden kann anschließend präzise eine große Druckkraft
zwischen den Elektroden aufgebracht werden, die über die
Kontaktfläche und die Schweißdauer gleichmäßig
und schwankungsfrei ist, ohne dass die Elektroden verkanten und/oder
verrutschen. Dabei hat es sich als günstig erwiesen, dass
die Bewegung der Elektroden auf der Kreisbahn und die Bewegung der
Elektroden auf der Geraden nacheinander erfolgen. Die Schweißnaht
hat beim Widerstandspunktschweißen üblicherweise
eine punktförmige Geometrie.
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Vorteilhaft
ist es, dass zuerst die Elektroden auf der Kreisbahn rotatorisch
um ein Gelenk bewegt werden und unmittelbar vor dem Kontakt beider
Elektroden mit dem Werkstück die Elektroden auf der Geraden
bewegt werden. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Elektroden
mit ihrer Kontaktfläche plan an der Oberfläche
des Werkstücks anliegen. So ist es möglich, dass
die eingeleitete Druckkraft gleichmäßig ist, wodurch
auch der Schweißstrom gleichmäßig fließen
kann. Somit ist eine hohe Qualität der Schweißnaht
auch an schwer zugänglichen Schweißstellen möglich.
Besonders günstig ist es, dass mittels eines Kraftelements
die Bewegung auf der Geraden erzeugt wird und nach dem Ausschöpfen
des Weges durch Erreichen eines Anschlags eine Kraft zwischen den
Elektroden aufgebaut und gehalten wird.
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Die
Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu.
Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in
der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese
zeigt in
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1 eine schematische Darstellung von aus
dem Stand der Technik bekannten Schweißzangen;
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2 eine
Ansicht einer Schweißzange nach Anspruch 1;
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3 eine
Ansicht einer Schweißzange nach Anspruch 1;
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4 einen Ausschnitt der Schweißzange;
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5 einen
Zangenarm.
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1 zeigt zwei aus dem Stand der Technik bekannte
Schweißzangen 1 mit Zangenarmen 2, 3, an
denen jeweils eine Elektrode 4 befestigt ist. In Abbildung
A ist eine Schweißzange 1 dargestellt, bei der die
Zangenarme 2, 3 nach dem Scherenprinzip beweglich
sind, sodass die Elektroden 4 relativ zueinander auf einer
Kreisbahn entsprechend dem Pfeil 13 bewegt werden können.
Eine solche Schweißzange 1 wird nach ihrer optischen
Erscheinung auch X-Zange genannt. Abbildung B der 1 zeigt
eine Schweißzange 1, bei der die Zangenarme 2, 3 derart beweglich
sind, dass die Elektroden 4 relativ zueinander auf einer
Geraden, wie durch Pfeil 13 dargestellt, bewegt werden
können. Diese Schweißzange 1 wird auch
C-Zange genannt. Die Bewegung der Zangenarme 2, 3 ist
von einer Kraftaufbauvorrichtung 9 beeinflussbar.
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2 und 3 zeigen
eine Ansicht der Schweißzange 1 gemäß Anspruch
1. Diese Schweißzange 1 vereint die unterschiedlichen
Arbeitsprinzipien der X-Zange und der C-Zange in einer Schweißzange 1.
Die 2 und 3 zeigen dabei zwei Arbeitszustände
der Schweißzange 1. In 2 ist die
Schweißzange 1 geöffnet. Die Zangenarme 2, 3 der
Schweißzange 1 halten eine solche Position, wenn
ein zu bearbeitendes Werkstück 5 zwischen den
Elektroden 4 positioniert oder aus dieser Position entfernt
wird. Zwischen den Zangenarmen 2, 3 ist die Kraftaufbauvorrichtung 9 zur
Bewegung der Zangenarme 2, 3 angeordnet. Wird
die Schweißzange 1 geschlossen, so bewegen sich
die Zangenarme 2, 3 aufeinander zu, wie es durch
den Pfeil 13 angedeutet wird. Für diese rotatorische
Bewegung sind die Zangenarme 2, 3 über
ein Gelenk 6 miteinander verbunden. Die Elektroden 4 bewegen
sich dabei auf einer Kreisbahn. Diese Bewegung endet kurz bevor
beide Elektroden 4 an dem Werkstück 5 anliegen.
Dabei setzt der Zangenarm 2 auf einem Anschlag 12 des Zangenarms 3 auf.
Sobald der Zangenarm 2 an dem Anschlag 12 des
Zangenarms 3 anliegt, endet die rotatorische Bewegung der
Zangenarme 2, 3. Durch die Kraftaufbau-vorrichtung 9 wird
die Druckkraft zwischen den Zangenarmen 2, 3 weiter
erhöht. Nun bewegen sich die Zangenarme 2, 3 auf
einer Geraden aufeinander zu. Diese Bewegung ist in 3 mit
Pfeil 14 angedeutet. Dabei übertragen die Elektroden 4 die
Druckkraft an einer Schweißstelle 8 auf das Werkstück 5.
Die Kraftaufbauvorrichtung 9 ist Teil eines Kraftelements,
welches auch einen Energiespeicher 10 aufweist. Mittels
des Energiespeichers 10 wird die Druckkraft gleichmäßig
auf- beziehungsweise abgebaut und während des Schweißvorgangs konstant
gehalten.
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4 zeigt einen Ausschnitt der Schweißzange 1,
wobei das Wirkprinzip eines Kraftelements 7 der Schweißzange 1 in
den drei Abbildungen A, B, C dargestellt wird. Das Kraftelement 7 besteht
aus einer Kraftaufbauvorrichtung 9 und einem Energiespeicher 10.
Der Energiespeicher 10 umfasst unter anderem einen primären
Energiespeicher 15, einen sekundären Energiespeicher 16 und
ein Führungselement 11. Der primäre Energiespeicher 15 ist
für die Niederhaltung des Zangenarms 2 verantwortlich.
Abbildung A zeigt, wie durch den Anschlag 12 der Zangenarm 2 in
seiner Rotationsbewegung gestoppt wird. Abbildung B zeigt, wie durch
eine weitere Kraftaufbringung der Kraftaufbauvorrichtung 9 das
Führungselement 11 einen Weg zurücklegt.
Dadurch wird zusätzlich der sekundäre Energiespeicher 16 mit
Kraft beaufschlagt und bewegt den Zangenarm 2. Der Zangenarm 2 legt
einen Weg zurück, der abschließend durch den Kontakt
der Elektroden mit dem Werkstück begrenzt wird. Nach Herstellung
des Kontaktes zwischen dem Werkstück und den Elektroden
wird an der in 2 dargestellten Schweißstelle eine
Druckkraft aufgebaut. Dazu übt die Kraftaufbauvorrichtung 9 weiter
eine Kraft auf die Zangenarme 2, 3 aus, wobei
des Führungselement 11 einen weiteren Weg zurücklegt.
Dabei wird die Druckkraft in der Schweißstelle über
den sekundären Energiespeicher 16 weiter erhöht.
Durch einen Anschlag 17 wird der Weg des Führungselements 11 begrenzt.
Abbildung C zeigt, wie die erreichte Druckkraft an der Schweißstelle 8 von
dem Energiespeicher 16 konstant gehalten wird, während
mittels eines Stromflusses zwischen den Elektroden das Werkstück
geschweißt wird. Durch den mechanischen Aufbau des Kraftelements
ist es möglich, ohne Kraftsteuerung oder Kraftregelung – innerhalb
der natürlichen Grenzen der Mechanik der Schweißzange 1 – eine
beliebige Druckkraft auf das Werkstück aufzubringen.
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5 zeigt
einen Zangenarm 2, 3 der Schweißzange
in Leichtbauweise. Der Zangenarm 2, 3 besteht
aus einem gelöteten, gelochten Kastenprofil 18 mit
einer wellenförmigen Ausfachung 19 mit Aussparungen 20 zum
Durchführen einer in der Figur nicht dargestellten Kupferleitung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19651329
B4 [0006, 0010]
- - DE 19651329 C1 [0008]
- - DE 102005017172 B4 [0010]
- - DE 202004015924 U1 [0010]