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Die Erfindung betrifft eine Umformvorrichtung zur Herstellung eines Bauteils durch inkrementelles Umformen eines Blechteils, mit einer Halteeinrichtung zum randseitigen Einspannen eines Bereichs des Blechteils und mit mindestens einer bezüglich der Halteeinrichtung verfahrbaren Werkzeugeinheit, die ein dornartiges Umformwerkzeug zur lokalen inkrementellen Umformung des Blechteils innerhalb des Bereichs aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Werkzeugeinheit mit entsprechendem dornartigem Umformwerkzeug für eine solche Vorrichtung und ein entsprechendes Umformverfahren.
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Eine derartige Umformvorrichtung und eine derartige Werkzeugeinheit sind beispielsweise aus der Druckschrift
DE 10 2006 002 146 A1 bekannt. Diese zeigt eine Werkzeugvorrichtung zur Herstellung eines Blechbauteils durch inkrementelle Umformung eines Metallblechs mit einem Blechhalter zum randseitigen Einspannen des Blechs und mit einem CNC-geführten Umformdorn (CNC: Computerized Numerical Control – computergestützte numerische Steuerung) zur lokalen Umformung des Blechs.
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Bei der Umformvorrichtung zur Herstellung eines Bauteils durch inkrementelles Umformen eines Blechteils wird auf eine bauteilspezifische Werkzeuggeometrie zugunsten einer bezüglich mehrerer Achsen verfahrbaren Werkzeugeinheit mit universeller Werkzeuggeometrie verzichtet. Die gewünschte Geometrie des herzustellenden Bauteils wird bei einem Umformen mit Hilfe dieser Umformvorrichtung inkrementell mittels des dornartigen Umformwerkzeugs erstellt. Bei dem inkrementellen Blechumformen wird die dreidimensionale Teilegeometrie quasi direkt aus den CAD-Daten (CAD: Computer-Aided Design – rechnerunterstütztes Konstruieren) ins Blech übertragen. Mit anderen Worten ersetzt die Kinematik der Werkzeugeinheit die bei anderen Umformverfahren nötige bauteilspezifische Werkzeuggeometrie, durch die das entsprechende Werkzeug in seiner Anwendung auf das konkrete Bauteil beschränkt ist. Mit Hilfe der inkrementellen Blechumformung lassen sich somit individuelle Bauteile kostengünstig als Prototypen und/oder in Kleinserien herstellen, ohne dass hohe Kosten für eine entsprechende Anzahl von speziellen Werkzeugen entstehen.
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Bedingt durch die geringe Kontaktzone des eingesetzten Umformwerkzeugs können während der Bearbeitungen ungewollte (sekundäre) Formänderungen des Blechteils außerhalb des direkten Kontaktbereichs zwischen Umformwerkzeug und Blechteil entstehen. Diese ungewollten Formänderungen müssen in einem nachgeschalteten Arbeitsschritt beseitigt werden. Derartige ungewollte Formänderungen treten insbesondere bei der randseitigen Umformung beziehungsweise beim Abkanten und Kragenziehen auf. Sie stellen Abweichungen zur Sollgeometrie dar, welche gegebenenfalls durch einen nachgeschalteten Arbeitsschritt gar nicht mehr korrigiert werden können.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Umformvorrichtung für ein effektiveres inkrementelles Umformen eines Blechteils, eine entsprechende Werkzeugeinheit für eine solche Umformvorrichtung und ein entsprechendes effektives Umformverfahren anzugeben.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei der erfindungsgemäßen Umformvorrichtung zur inkrementellen Blechumformung ist vorgesehen, dass die mindestens eine Werkzeugeinheit der Umformvorrichtung weiterhin eine Niederhalteeinrichtung zum Niederhalten mindestens einer sich bei dem Umformen in der Umgebung ihres Umformwerkzeugs befindlichen Region des Blechteils aufweist. Mittels einer solchen Umformvorrichtung mit Niederhalteeinrichtung können ungewollte (sekundäre) Formänderungen beim inkrementellen Umformen des Blechteils vermieden oder zumindest stark reduziert werden.
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Die ungewollten Formänderungen beim Umformen des Blechteils entstehen zum einen durch ein Aufwölben des Bleches in der unmittelbaren Umgebung des Umformwerkzeugs. Unter bestimmten Umständen können sich die ungewollten Formänderungen jedoch auch in der weiteren Umgebung des Umformortes ergeben. Wird das Blechteil beispielsweise über eine Kante umgeformt, so ist das dornartige Umformwerkzeug auf einer Seite der Kante in Eingriff. Auf der anderen Seite der Kante fehlt eine entsprechende Gegenkraft und das Blechteil wölbt sich. Die Aufwölbung kann durchaus in größerer Entfernung vom Umformort auftreten. Die Niederhalteeinrichtung drückt in diesem Falle das Blechteil auf die nicht im Kontakt mit dem Umformwerkzeug stehende Seite der Kante und liefert so die Gegenkraft, die eine Aufwölben verhindert. Die Kante wird dabei beispielsweise von einem Element der Halteeinrichtung gebildet.
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Um die Prozessflexibilität des Umformprozesses nicht unnötig einzuschränken ist es jedoch wichtig, dass auch zur Unterdrückung der ungewollten Formänderungen keine bauteilspezifischen Werkzeuge eingesetzt werden. Daher ergänzt die Niederhalteeinrichtung das Umformwerkzeug innerhalb der Werkzeugeinheit und ist somit in der Umgebung des Umformwerkzeugs angeordnet.
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Ein der Niederhalteeinrichtung ähnliches Werkzeug ist für Tiefziehvorrichtungen bekannt und wird dort als Niederhalter bezeichnet. Im Gegensatz zu der bauteilspezifische Werkzeuggeometrie der Werkzeuge für Tiefziehvorrichtungen hat jedoch sowohl das Umformwerkzeug als auch die Niederhalteeinrichtung der erfindungsgemäßen Umformvorrichtung zur Herstellung eines Bauteils durch inkrementelles Blechumformen eine bauteilunabhängige Werkzeuggeometrie.
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Die erfindungsgemäße Umformvorrichtung zur inkrementellen Blechumformung mit der Niederhalteeinrichtung hat den Vorteil, dass ungewollte Formänderungen in der Umgebung des Umformwerkzeugs unterdrückt werden, sodass diese nicht in zusätzlichen Arbeitsschritten mittels des Umformwerkzeugs selbst beseitigt werden müssen. Dadurch wird ein effektiveres inkrementelles Umformen des Blechteils mit erhöhter Geometriegenauigkeit erreicht.
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Bei der erfindungsgemäßen Umformvorrichtung ist insbesondere vorgesehen, dass die Niederhalteeinrichtung entlang der Längsachse des dornartigen Umformwerkzeugs linear verschiebbar gelagert ist. Die Niederhalteeinrichtung ist somit eine adaptive Niederhalteeinrichtung. Dabei kann die Bewegungssteuerung der Niederhalteeinrichtung ge- oder entkoppelt zum Umformwerkzeug ausgelegt sein. Die Wirkrichtung der Niederhalteeinrichtung ist mit dem Werkzeug gleichgerichtet und die Kraftübertragung kann entweder positions- oder kraftgesteuert sein.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Niederhalteeinrichtung das dornartige Umformwerkzeug in zumindest einem Umfangsbereich umfänglich umgibt. Vorzugsweise umgibt die Niederhalteeinrichtung das dornartige Umformwerkzeug vollumfänglich. Dazu ist die Niederhalteeinrichtung beispielsweise hülsenartig ausgebildet.
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Mit Vorteil ist dabei vorgesehen, dass die Halteeinrichtung den von ihr eingespannten Bereich des Blechteils in einer Einspannebene oder auf einem Unterwerkzeug hält. Die Halteeinrichtung ist bevorzugt rahmenartig ausgestaltet. Die Einspannebene ergibt sich dabei durch die vom Rahmen (Einspannrahmen) aufgespannte Rahmenebene der Halteeinrichtung.
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Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Umformvorrichtung weiterhin eine Gegenhalteeinrichtung aufweist, die auf der der Werkzeugeinheit gegenüberliegenden Seite der Einspannebene beziehungsweise des eingespannten Blechteils angeordnet ist. Die zuvor erwähnte Kante, über die das Blechteil umgeformt werden kann, kann alternativ auch von einem Element der Gegenhalteeinrichtung gebildet werden.
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Die Gegenhalteeinrichtung weist bevorzugt ebenfalls eine Bauteilunabhängige Geometrie auf. Die Einspannebene ergibt sich dabei durch eine vom Rahmen und der Gegenhalteeinrichtung definierte Ebene. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Gegenhalteeinrichtung parallel zu der Rahmenebene verfahrbar ist.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Gegenhalteeinrichtung bezüglich der Halteeinrichtung starr angeordnet ist oder nur senkrecht zur Einspannebene verfahrbar ist. Dabei ist die Gegenhalteeinrichtung insbesondere als Patrize ausgebildet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Werkzeugeinheit mindestens eine Antriebseinrichtung zum Verfahren der Werkzeugeinheit und/oder zum verschieben der Niederhalteeinrichtung bezüglich des dornartigen Umformwerkzeugs aufweist. Die mindestens eine Antriebseinrichtung oder zumindest eine der Antriebseinrichtungen ist vorzugsweise eine pneumatische Antriebseinrichtung. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine elektrische Antriebseinrichtung und/oder eine elektromechanische Antriebseinrichtung und/oder eine hydraulische Antriebseinrichtung vorgesehen sein.
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Bei der erfindungsgemäßen Werkzeugeinheit für eine Umformvorrichtung zum inkrementellen Umformen eines Blechteils, mittels eines dornartigen Umformwerkzeuges ist vorgesehen, dass die Werkzeugeinheit weiterhin eine Niederhalteeinrichtung zum Niederhalten mindestens einer sich bei dem Umformen in der Umgebung des Umformwerkzeugs befindlichen Region des Blechteils aufweist. Die Umformvorrichtung ist vorzugsweise eine vorstehend genannte Umformvorrichtung zur Herstellung eines Bauteils durch inkrementelles Umformen eines Blechteils.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Werkzeugeinheit ist vorgesehen, dass die Niederhalteeinrichtung entlang der Längsachse des dornartigen Umformwerkzeugs linear verschiebbar gelagert ist. Die Niederhalteeinrichtung ist somit eine adaptive Niederhalteeinrichtung.
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Bei dem erfindungsgemäßen Umformverfahren zur Herstellung eines Bauteils durch inkrementelles Umformen eines Blechteils ist eine Halteeinrichtung zum randseitigen Einspannen eines Bereichs des Blechteils und mindestens eine bezüglich der Halteeinrichtung verfahrbaren Werkzeugeinheit vorgesehen, die ein dornartiges Umformwerkzeug aufweist, wobei das Blechteil mittels des Umformwerkzeugs innerhalb des Bereichs lokal inkrementell umgeformt wird. Die mindestens eine Werkzeugeinheit weist weiterhin eine Niederhalteeinrichtung auf, mittels der mindestens eine sich bei dem Umformen in der Umgebung des Umformwerkzeugs befindliche Region des Blechteils niedergehalten wird. Dadurch werden ungewollte sekundäre Verformungen vermieden oder zumindest reduziert.
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Die Umformung erfolgt mit Hilfe des universell nutzbaren Umformwerkzeugs, das während der Formgebung so verfährt, dass durch inkrementelle Umformung nach und nach das gewünschte Bauteil entsteht. Der Pfad des Umformwerkzeuges besteht dabei zumeist aus einer Folge einzelner Höhenlinien, zwischen denen eine Zustellbewegung erfolgt. Entweder wird kein Gegenwerkzeug (»Innen”-Umformung), ein Gegenwerkzeug in Form einer Teilpatrize oder Vollpatrize („Außen”-Umformung) oder ein zweites Umformwerkzeug („Roboforming') eingesetzt.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt die
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1 eine Umformvorrichtung zum inkrementellen Umformen eines Blechteils gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Schnittdarstellung,
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2 eine Werkzeugeinheit der Umformvorrichtung und
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3 die in 2 gezeigte Werkzeugeinheit in einer Schnittdarstellung entlang der eingezeichneten Schnittlinie A-A.
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In 1 ist eine Umformvorrichtung 10 zur inkrementellen Blechumformung (IBU) sowie ein entsprechendes Blechteil 12 in einer schematischen Schnittdarstellung gezeigt. Die Umformvorrichtung 10 weist eine rahmenartige Halteeinrichtung 14 auf, in der das Blechteil 12 derart eingespannt ist, dass ein für das Umformen vorgesehener Bereich 16 des Blechteils 12 von der Halteeinrichtung 14 rahmenartig umgeben wird. Das Blechteil 12 befindet sich im Wesentlichen in einer von der Halteeinrichtung 14 vorgegebenen Einspannebene 18. Dabei ist in 1 jedoch nur eine Hälfte der Halteeinrichtung 14 und des Blechteils 12 bis zu einer quer zur Einspannebene 18 verlaufenden Ebene 20 dargestellt. Die andere Hälfte dieser Komponenten 12, 14 ist dann beispielsweise spiegelsymmetrisch zu dieser Ebene 20 aufgebaut.
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Zum eigentlichen Umformen weist die Umformvorrichtung 10 weiterhin auf einer Seite 22 der Einspannebene 18 eine bezüglich der Halteeinrichtung 14 verfahrbare Werkzeugeinheit 24 auf. Diese Werkzeugeinheit 24 weist ihrerseits ein dornartiges Umformwerkzeug 26 zur lokalen inkrementellen Umformung des Blechteils 12 sowie eine Niederhalteeinrichtung 28 zum Niederhalten einer sich bei dem Umformen in der Umgebung des Umformwerkzeugs 26 befindlichen Region des Blechteils 12 auf. Die Niederhalteeinrichtung 28 ist hülsenartig ausgebildet und umgibt das dornartige Umformwerkzeug 26 vollumfänglich. Die Niederhalteeinrichtung 28 ist weiterhin entlang der Längsachse 30 des dornartigen Umformwerkzeugs 26 linear verschiebbar gelagert. Das dornartige Umformwerkzeugs 26 ragt in der Regel mit seinem freien Ende 32 aus der Niederhalteeinrichtung 28 hinaus. Besagtes freies Ende 32 des Umformwerkzeugs 26 ist halbkugelförmig ausgestaltet und weist in Richtung des umzuformenden Bereichs 16 des Blechteils 12. Somit formt das Umformwerkzeug 26 das Blechteil 12 in Richtung einer der einen Seite 22 gegenüberliegenden Seite 34 der Einspannebene 18 um. Auf dieser gegenüberliegenden Seite 34 der Einspannebene 18 ist weiterhin eine Gegenhalteeinrichtung 36 der Umformvorrichtung 10 angeordnet. Diese ist im gezeigten Beispiel ebenfalls dornartig ausgebildet und wie auch die Werkzeugeinheit 24 gegenüber der Halteeinrichtung 14 verfahrbar. Somit ist die gezeigte Gegenhalteeinrichtung 36 selbst eine weitere Werkzeugeinheit 38, die ihrerseits ebenfalls ein Umformwerkzeug aufweist beziehungsweise als Umformwerkzeug ausgebildet ist. Die rahmenartige Halteeinrichtung 14 weist auf der einen Seite 22 ein erstes Spannelement 40 und auf der gegenüberliegenden Seite 34 ein zweites Spannelement 42 auf, zwischen denen das Blechteil 12 randseitig eingespannt ist. Das zweite Spannelement 42 ragt dabei deutlich weiter in Richtung des Bereichs 16 hinein und bildet eine Kante 44, über die das Blechteil 12 mittels des Umformwerkzeuges umgeformt wird.
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Die 2 zeigt die Werkzeugeinheit 24 der Umformvorrichtung 10 im Detail in einer Seitenansicht. Neben dem freien Ende 32 des Umformwerkzeugs 26 und der Niederhalteeinrichtung 28 ist auch ein Ende eines das Umformwerkzeug 26 tragenden, stabförmigen Basiskörpers 46 der Werkzeugeinheit 24 und ein ebenfalls vom Basiskörper 46 getragener Pneumatikzylinder 48 erkennbar. Dieser Pneumatikzylinder 48 der Werkzeugeinheit 24 ist die Antriebseinrichtung für die Linearbewegung (das Verschieben) der Niederhalteeinrichtung 28 gegenüber dem Umformwerkzeug 26.
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Schließlich zeigt die 3 die in 2 gezeigte Werkzeugeinheit 24 in einer Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie A-A, in der auch die Längsachse 30 des Umformwerkzeugs 26 liegt. Der stabförmige Basiskörpers 46 und das dornartige Umformwerkzeug 26 sind hintereinander koaxial auf der Längsachse 30 angeordnet und starr, in diesem Falle sogar einstückig, miteinander verbunden. Basiskörper 46 und Umformwerkzeug 26 sind derart gelagert und angetrieben, dass sich die drei linearen Freiheitsgrade und der Rotationsfreiheitsgrad ergeben, die durch das Ensemble von Doppelpfeilen 50 angedeutet sind. Die Niederhalteeinrichtung 28 ist entlang der Längsachse 30 des dornartigen Umformwerkzeugs 26 und des stabförmigen Basiskörpers 46 linear verschiebbar gelagert und mittels des Pneumatikzylinders 44 als Antriebseinrichtung auch angetrieben, was durch die Doppelpfeile 52 angedeutet ist.
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Es ergibt sich die folgende Funktion: Bei dem Umformvorgang zur Herstellung eines (Blech-)Bauteils durch inkrementelles Umformen des Blechteils 12 wird das Blechteil 12 mittels des Umformwerkzeugs 26 lokal inkrementell umgeformt. Das Umformwerkzeug 26 wird dazu während der Formgebung CNC gesteuert verfahren, sodass durch inkrementelle Umformung nach und nach das gewünschte Bauteil entsteht. Der Pfad des Formwerkzeuges 26 besteht dabei zumeist aus einer Folge einzelner Höhenlinien bezüglich der Einspannebene 18, zwischen denen eine Zustellbewegung parallel zur Einspannebene 18 erfolgt. Die mindestens eine Werkzeugeinheit 24 weist weiterhin eine Niederhalteeinrichtung 28 auf, mittels der mindestens eine sich bei dem Umformen in der Umgebung des Umformwerkzeugs 26 befindliche Region des Blechteils 12 niedergehalten wird um ungewollte (sekundäre) Formänderungen zu reduzieren. Derartige ungewollten Formänderungen beim Umformen des Blechteils 12 entstehen zum einen durch ein Wölben des Bleches in der unmittelbaren Umgebung des Umformwerkzeugs 26 aber auch in der weiteren Umgebung des Umformortes. Wird das Blechteil 12, wie in 1 gezeigt, über die Kante 44 umgeformt, so ist das dornartige Umformwerkzeug 26 auf einer Seite der Kante 44 in Eingriff mit dem Blechteil 12. Auf der anderen Seite der Kante 44 bringt die Niederhalteeinrichtung 28 eine entsprechende Gegenkraft auf, die ein Aufwölben des Blechteils an entsprechender Stelle verhindert.
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Kern der Erfindung ist mit anderen Worten ein das primär formgebende Umformwerkzeug 26 umgebendes, sekundäres Werkzeug, nämlich die Niederhalteeinrichtung 28, zum Niederhalten mindestens einer sich bei dem Umformen in der Umgebung des Umformwerkzeugs 26 befindlichen Region des Blechteils 12. Dabei kann die Bewegungssteuerung dieser Niederhalteeinrichtung 28 ge- oder entkoppelt vom Umformwerkzeug 26 ausgelegt sein. Die Wirkrichtung der Niederhalteeinrichtung 28 ist mit dem Werkzeug 26 gleichgerichtet und die Kraftübertragung kann entweder positions- oder kraftgesteuert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Umformvorrichtung zur inkrementellen Blechumformung
- 12
- Blechteil
- 14
- Halteeinrichtung
- 16
- Bereich
- 18
- Einspannebene
- 20
- Ebene
- 22
- Seite, eine
- 24
- Werkzeugeinheit
- 26
- Umformwerkzeug
- 28
- Niederhalteeinrichtung
- 30
- Längsachse
- 32
- Ende, freies
- 34
- Seite, gegenüberliegend
- 36
- Gegenhalteeinrichtung
- 38
- Werkzeugeinheit, weitere
- 40
- Spannelement, erstes
- 42
- Spannelement, zweites
- 44
- Kante
- 46
- Basiskörper (Werkzeugeinheit)
- 48
- Pneumatikzylinder
- 50
- Doppelpfeile
- 52
- Doppelpfeile
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006002146 A1 [0002]
