DE102016015468A1 - Infrared radiator for heating a fiber-reinforced component - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Infrarotstrahler (13) zum Erwärmen eines thermoplastischen, insbesondere faserverstärkten, Bauteils (12), umfassend zumindest ein Infrarotheizelement zum Umwandeln von elektrischer Energie in Infrarotstrahlung, wobei das Infrarotheizelement ein Metallfilmelement (4) ist, welches an einem elektrisch isolierten Reflektor (1) zumindest im Wesentlichen vollflächig angeordnet und mittels einer Klemmfeder (7) endseitig an dem Reflektor (1) befestigt ist.The invention relates to an infrared radiator (13) for heating a thermoplastic, in particular fiber-reinforced, component (12), comprising at least one infrared heating element for converting electrical energy into infrared radiation, wherein the infrared heating element is a metal film element (4) attached to an electrically insulated reflector ( 1) arranged at least substantially over the entire surface and by means of a clamping spring (7) is fixed to the end of the reflector (1).
Description
Die Erfindung betrifft einen Infrarotstrahler zum Erwärmen eines thermoplastischen, insbesondere faserverstärkten, Bauteils der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.The invention relates to an infrared radiator for heating a thermoplastic, in particular fiber-reinforced, component specified in the preamble of
Zur Herstellung von Bauteilen aus thermoplastischen Kunststoffen und Kompositmaterialien werden häufig Infrarotstrahler verwendet, in denen Metallfilme oder Metallbänder mit elektrischem Strom durchflossen werden, und die nach Erreichen einer bestimmten Temperatur Infrarotstrahlung mit einer gewünschten Wellenlänge aussenden.For the production of components made of thermoplastic materials and composite materials, infrared radiators are often used in which metal films or metal strips are traversed by electric current, and emit infrared radiation having a desired wavelength after reaching a certain temperature.
Derartige Infrarotstrahler können zum Erwärmen faserverstärkter Bauteile, vor allem zum Erwärmen sogenannter Organobleche, verwendet werden. Organobleche sind Faserverbundwerkstoffe, die als Fasermatrixhalbzeuge ausgebildet sind. Sie bestehen aus einem Fasergewebe oder aus einem Fasergelege aus Glas, Kohlefasern oder aus biologischer Herkunft, die in eine thermoplastische Kunststoffmatrix eingebettet sind. Um die Organobleche umformen zu können, ist eine Erwärmung erforderlich, wobei beachtet werden muss, dass die entstehenden Temperaturen nicht zur Schädigung der thermoplastischen Matrix und/oder der Fasern der Organobleche führen. Für eine möglichst schnelle Aufheizung eines Infrarotstrahlers ist es wünschenswert, die Menge des abstrahlenden Materials so gering wie möglich zu gestalten.Such infrared radiators can be used for heating fiber-reinforced components, especially for heating so-called organo sheets. Organic sheets are fiber composites, which are formed as fiber matrix semi-finished products. They consist of a fiber fabric or a fiber fabric made of glass, carbon fibers or biological origin, which are embedded in a thermoplastic matrix. In order to be able to reshape the organic sheets, a heating is required, whereby it must be taken into account that the resulting temperatures do not lead to damage to the thermoplastic matrix and / or the fibers of the organic sheets. For the fastest possible heating of an infrared radiator, it is desirable to make the amount of radiating material as small as possible.
Bekannte, anschlussfertig gelieferte Infrarotstrahler umfassen üblicherweise ein Gehäuse, einen keramischen Wärmeisolator, eine Aufnahme für ein Infrarotheizelement bzw. Metallheizelement, einen Anschluss für elektrische Verbindungsleitungen, ein Metallbandheizelement und eine Abdeckung.Known ready-to-use infrared radiators typically comprise a housing, a ceramic heat insulator, a receptacle for an infrared heating element or metal heating element, a connection for electrical connecting lines, a metal strip heating element and a cover.
Bei der Erwärmung von Kunststoffen ist zu beachten, dass die Kunststoffmatrix von faserverstärkten Bauteilen zum einen vollständig und optimal erwärmt werden sollte, damit diese möglichst leicht umgeformt werden kann. Andererseits muss dabei beachtet werden, dass die Oberfläche des faserverstärkten Bauteils nicht über eine Zerstörungstemperatur hinaus erwärmt werden darf.When heating plastics, it should be noted that the plastic matrix of fiber-reinforced components should be completely and optimally heated, so that they can be formed as easily as possible. On the other hand, it should be noted that the surface of the fiber-reinforced component must not be heated above a destruction temperature.
Kunststoffe weisen stoffbedingte Absorptionsspektren auf, die Wellen von Infrarotlicht angeben, bei denen effektiv Energie in das Bauteil übertragen werden kann. Beispielhaft sind dies bei Polyamid etwa 2 bis 4 μm, bei Polypropylen 3 bis 5 μm. Um einen Energieeintrag mit diesen Wellenlängen zu ermöglichen, müssten Infrarotstrahler in kürzest möglicher Aufheizzeit auf die korrespondierenden Temperaturen gebracht werden, bei Polyamid bedeutet das eine Aufheizung auf 500 bis 1200°C.Plastics exhibit substance-related absorption spectra that indicate waves of infrared light that can effectively transfer energy into the device. By way of example, these are about 2 to 4 μm in the case of polyamide and 3 to 5 μm in the case of polypropylene. In order to enable an energy input with these wavelengths, infrared radiators would have to be brought to the corresponding temperatures in the shortest possible heating time, in the case of polyamide this means heating to 500 to 1200 ° C.
Ein gattungsgemäßer Infrarotstrahler zum Erwärmen eines faserverstärkten Bauteils ist in der
Nachteilig bei diesem Infrarotstrahler ist die einseitige Befestigung der Heizleiter mittels jeweiliger Zugfedern, da im Berührungspunkt zwischen Zugfedern und Heizleitern hohe Stromdichten entstehen, die zu unvorteilhaftem frühen Bauteilversagen aufgrund hoher Wärmeentwicklung führen können. Weiterhin ist die Anordnung mehrerer Reflektoren dahingehend nachteilig, dass zwischen den einzelnen Reflektoren Lücken entstehen, durch die Strahlung in nicht gewünschte Richtungen gelangt. Der Einsatz von Linsen als Strahlungsleiter ist dahingehend unvorteilhaft, dass die Linsen einen nicht unerheblichen Teil der Strahlung absorbieren und in nicht präferierter Wellenlänge und Richtung wieder emittieren. Zwischen den Linsen und den Heizleitern kommt es aufgrund unzureichender Wärmeableitung zu einem Wärmestau, der zu verfrühtem Bauteilversagen führen kann.A disadvantage of this infrared radiator is the one-sided attachment of the heating element by means of respective tension springs, since high current densities occur at the point of contact between tension springs and heating conductors, which can lead to unfavorable early component failure due to high heat development. Furthermore, the arrangement of a plurality of reflectors is disadvantageous in that gaps arise between the individual reflectors through which radiation passes in undesired directions. The use of lenses as radiation conductors is disadvantageous in that the lenses absorb a not inconsiderable part of the radiation and emit again in the non-preferred wavelength and direction. Due to insufficient heat dissipation, heat build-up between the lenses and the heating conductors can lead to premature failure of the component.
Aus
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Infrarotstrahler bereitzustellen, welcher eine besonders schnelle Erwärmung eines thermoplastischen, insbesondere faserverstärkten, Bauteils ermöglicht, dabei gleichzeitig eine besonders lange Lebensdauer aufweist und eine einfache Austauschbarkeit jeweiliger Heizelemente des Infrarotstrahlers gewährleistet.It is the object of the present invention to provide an infrared radiator, which allows particularly rapid heating of a thermoplastic, in particular fiber-reinforced, component, while at the same time having a particularly long life and ensures easy replacement of respective heating elements of the infrared radiator.
Diese Aufgabe wird durch einen Infrarotstrahler mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by an infrared radiator having the features of
Um eine besonders schnelle Erwärmung eines faserverstärkten Bauteils, insbesondere eines faserverstärkten Bleches bzw. Organobleches, zu ermöglichen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Infrarotheizelement ein Metallfilmelement ist, welches an einer als elektrisch isolierter Reflektor ausgebildeten Aufnahme zumindest im Wesentlichen vollflächig angeordnet und mittels einer Klemmfeder endseitig an dem Reflektor befestigt ist. Bei der Klemmfeder handelt es sich bevorzugt um einen Zugfederanschluss, mittels welchem das als Infrarotheizelement dienende Metallfilmelement an der Aufnahme befestigt ist. Die Ausgestaltung der Verbindung als Zugfederanschluss bzw. als Klemmfeder ermöglicht dem Metallfilmelement die notwendige Verformung während eines Aufheizvorgangs. Dabei belasten nur minimale Rückstellkräfte das Metallfilmelement mechanisch. In der Folge erhöht die erfindungsgemäße Lösung die Anzahl der tragbaren Aufheizrampen und deren zulässige Steilheit erheblich. Vorteilhaft ist ferner, dass die Montage schnell und werkzeuglos und im eingebauten Zustand des Strahlers erfolgen kann, wodurch sich erhebliche Kostenvorteile in der Montage erzielen lassen.In order to allow a particularly rapid heating of a fiber-reinforced component, in particular a fiber-reinforced sheet or organo sheet, it is provided according to the invention that the infrared heating element is a metal film element, which arranged on a trained electrically insulated reflector receptacle at least substantially over the entire surface and by means of a clamping spring attached to the end of the reflector. The clamping spring is preferably a tension spring connection, by means of which the metal film element serving as an infrared heating element is fastened to the receptacle. The configuration of the connection as Zugfederanschluss or as a clamping spring allows the metal film element the necessary deformation during a heating process. Only minimal restoring forces mechanically load the metal film element. As a result, the solution according to the invention significantly increases the number of portable heating ramps and their permissible steepness. A further advantage is that the assembly can be done quickly and without tools and in the installed state of the spotlight, which can achieve significant cost advantages in the assembly.
Der erfindungsgemäße Infrarotstrahler kann in kürzest möglicher Aufheizzeit auf diejenigen Temperaturen gebracht werden, bei welchen das Metallfilmelement Infrarotstrahlen in demjenigen Wellenlängenbereich aussendet, mit dem effektiv Energie in das faserverstärkte Bauteil eingebracht werden kann. Besteht beispielsweise ein Matrixmaterial des faserverstärkten Bauteils, welches mittels des Infrarotstrahlers zu erwärmen ist, aus Polyamid, so kann das Metallfilmelement innerhalb kürzester Zeit auf eine Temperatur von 500 bis 1200°C gebracht werden. Dadurch kann zum einen sichergestellt werden, dass die Kunststoffmatrix des zu erwärmenden faserverstärkten Bauteils in der Mitte optimal passend erwärmt werden kann, wobei zum anderen sichergestellt werden kann, dass die Oberfläche des zu erwärmenden faserverstärkten Bauteils nicht über die Zerstörungstemperatur hinaus erwärmt wird. Mit anderen Worten kann also das Metallfilmelement des erfindungsgemäßen Infrarotstrahlers besonders schnell auf diejenige Temperatur erhitzt werden, bei welcher das Metallfilmelement in demjenigen Wellenlängenbereich Infrarotstrahlen ausstrahlt, bei denen besonders effektiv Energie in das zu erwärmende faserverstärkte Bauteil eingebracht werden kann.The infrared radiator according to the invention can be brought in the shortest possible heating time to those temperatures at which the metal film element emits infrared rays in that wavelength range, can be effectively introduced into the fiber-reinforced component with the energy. If, for example, a matrix material of the fiber-reinforced component, which is to be heated by means of the infrared radiator, consists of polyamide, then the metal-film element can be brought to a temperature of 500 to 1200 ° C. within the shortest possible time. As a result, it can be ensured on the one hand that the plastic matrix of the fiber-reinforced component to be heated in the middle optimally can be suitably heated, on the other hand, it can be ensured that the surface of the fiber-reinforced component to be heated is not heated above the destruction temperature addition. In other words, therefore, the metal film element of the infrared radiator according to the invention can be heated particularly fast to the temperature at which the metal film element emits infrared rays in the wavelength range in which energy can be introduced into the fiber-reinforced component to be heated in a particularly effective manner.
Aufgrund der zumindest im Wesentlichen vollflächigen Anordnung des Metallfilmelements an der elektrisch isolierten Aufnahme kann das Metallfilmelement besonders dünnwandig, also mit einem besonders geringen Materialeinsatz, realisiert werden. Dadurch, dass das Metallfilmelement mittels der Klemmfeder endseitig an der Aufnahme befestigt ist, können thermisch bedingte Ausdehnungen und Schwindungen derart kompensiert werden, dass es zu einem besonders geringen thermomechanischen Verschleiß kommt.Due to the at least substantially full-surface arrangement of the metal film element on the electrically insulated receptacle, the metal film element can be realized in a particularly thin-walled manner, that is to say with a particularly low use of material. Due to the fact that the metal film element is fastened to the receptacle at the end by means of the clamping spring, thermally induced expansions and shrinkage can be compensated in such a way that particularly low thermo-mechanical wear occurs.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Klemmfeder einen Steckanschluss zum Befestigen des Metallfilmelements umfasst. Im Falle eines Defekts des Infrarotstrahlers, genauer des Metallfilmelements, kann ausgebildetes Personal dadurch das als Strahlereinheit dienende Metallfilmelement auf besonders einfache Weise austauschen. Das Metallfilmelement kann beispielsweise als vorgeformter Einsatz oder als Rollenware bereitgestellt werden, sodass dieses besonders einfach ausgetauscht werden kann. Dies, in Zusammenhang mit dem Steckanschluss, verkürzt die Wiederinbetriebnahmezeiten nach einem Strahlerausfall erheblich, da keine komplette Strahlereinheit vom Hersteller gefertigt und geliefert werden muss, wodurch sich erhebliche Stillstandszeiten ergeben könnten. Im Zuge einer erforderlichen Reparatur muss also lediglich ein neues Metallfilmelement eingesetzt werden, welches für das thermische Ansprechverhalten des Infrarotstrahlers von entscheidender Bedeutung ist.An advantageous embodiment of the invention provides that the clamping spring comprises a plug connection for fastening the metal film element. In the case of a defect of the infrared radiator, more precisely of the metal film element, trained personnel can exchange the metal film element serving as radiator unit in a particularly simple manner. The metal film element can be provided, for example, as a preformed insert or as a rolled product, so that it can be exchanged particularly easily. This, in connection with the plug-in connection, considerably reduces the restarting times following a radiator failure, since no complete radiator unit has to be manufactured and supplied by the manufacturer, which could result in considerable downtimes. In the course of a required repair so only a new metal film element must be used, which is for the thermal response of the infrared radiator of crucial importance.
Vorzugsweise werden statt monolithischer, großer Keramikblöcke besonders dünne nichtleitende Elemente als Aufnahme für das Metallfilmelement verwendet, welche eine tragfähige Anbindung an einem Gehäuse des Infrarotstrahlers ermöglichen. Hinter der Aufnahme für das Metallfilmelement kann vorzugsweise eine mechanische Anbindung an ein wärmeisolierendes Element eines Gehäuses des Infrarotstrahlers vorgesehen werden, zum Beispiel in Form eines Keramikkörpers, der einen hinreichenden Luftspalt zur nächsten Anbindung an ein wärmeabführendes Element sicherstellt.Preferably, instead of monolithic, large ceramic blocks, particularly thin non-conductive elements are used as a receptacle for the metal film element, which enable a load-bearing connection to a housing of the infrared radiator. Behind the receptacle for the metal film element can preferably be provided a mechanical connection to a heat-insulating element of a housing of the infrared radiator, for example in the form of a ceramic body, which ensures a sufficient air gap for the next connection to a heat-dissipating element.
Grundsätzlich bekannt sind keramische Grundkörper zur Führung und Fixierung des Metallfilmelements und zur Befestigung an einem umgebenden Gehäuse. Derartige Grundkörper nehmen während des Aufheizvorgangs des Metallfilmelements Wärmeenergie auf, die das Erreichen einer wunschgemäßen Temperatur, bei einer Polyamidmatrix beispielsweise im Bereich von 500 bis 1200°C, verlangsamen. Daher wird die Aufnahme für das Metallfilmelement vorzugsweise besonders materialarm ausgeführt, wodurch sich die Aufnahme von Wärmeenergie während des Aufheizvorgangs verringert, in Folge dessen die Aufheizzeit bis zum Erreichen der zur Aussendung der gewünschten Wellenlänge verringert wird.Basically known are ceramic base body for guiding and fixing the Metallfilmelements and for attachment to a surrounding housing. Such basic body take during the heating of the Metallfilmelements on thermal energy, which slow the achievement of a desired temperature, in a polyamide matrix, for example in the range of 500 to 1200 ° C. Therefore, the receptacle for the metal film element is preferably carried out particularly low in material, thereby reducing the absorption of heat energy during the heating process, as a result, the heating time is reduced until reaching the emission of the desired wavelength.
Die Aufnahme für das Metallfilmelement weist selbstverständlich eine geringe Leitfähigkeit auf, andererseits weist sie eine hohe Durchlässigkeit für Infrarotstrahlung auf, was für den Wirkungsgrad des Infrarotstrahlers positiv ist. Ferner weist die Aufnahme eine hohe Zyklenfähigkeit im Hinblick auf Aufheiz- und Abkühlvorgänge auf, wodurch der thermomechanische Verschleiß der Aufnahme sehr stark begrenzt werden kann, sodass spannungsführende Elemente keinen Kontakt zur Umgebung erhalten können.The receptacle for the metal film element, of course, has a low conductivity, on the other hand, it has a high permeability to infrared radiation, which is positive for the efficiency of the infrared radiator. Furthermore, the receptacle has a high cycle capability with regard to heating and cooling processes, as a result of which the thermo-mechanical wear of the receptacle can be very severely limited so that live elements can not get in contact with the environment.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Aufnahme auf ihrer von einer vorgegebenen Abstrahlrichtung abgewandten Seite eine infrarotstrahlenreflektieren Beschichtung aufweist. Dies erhöht den Wirkungsgrad des Infrarotstrahlers erheblich. Vorzugsweise ist die infrarotstrahlenreflektierende Beschichtung derart angeordnet und geformt, dass auf diese auftreffende Infrarotstrahlen in die vorgegebenen Abstrahlrichtung reflektiert werden.A further advantageous embodiment of the invention provides that the recording on its side facing away from a predetermined emission direction side has a infrared ray reflecting coating. This considerably increases the efficiency of the infrared radiator. The infrared-ray-reflecting coating is preferably arranged and shaped in such a way that infrared rays incident on it are reflected in the predetermined emission direction.
Darüber hinaus kann es vorgesehen sein, dass die infrarotstrahlenreflektierende Beschichtung eine Verspiegelung umfasst. Diese Verspiegelung kann die eintreffenden Infrarotstrahlen besonders effektiv und stark reflektieren, wobei die Verspiegelung beispielsweise durch eine passende Beschichtung mit metallischen Werkstoffen erfolgen kann.In addition, it can be provided that the infrared-ray-reflecting coating comprises a mirror coating. This mirroring can reflect the incoming infrared rays particularly effective and strong, the mirroring can be done for example by a suitable coating with metallic materials.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Aufnahme aus Bor-Silikat-Glas hergestellt ist. Bor-Silikat-Glas ist ein sehr chemikalien- und temperaturbeständiges Glas und daher besonders gut zur Aufnahme des als Infrarotheizelements dienenden Metallfilmelements geeignet.According to a further advantageous embodiment of the invention, it is provided that the receptacle is made of boron-silicate glass. Boron-silicate glass is a very chemical and temperature-resistant glass and therefore particularly well suited for receiving the serving as infrared heating element Metallfilmelements.
Darüber hinaus kann es vorgesehen sein, dass der Infrarotstrahler ein Zertifikat umfasst, das die Einhaltung bestimmter Spezifikationen bestätigt, insbesondere die Kompatibilität mit erforderlichen Stell- und Regelsystemen bestätigt. Ein derartiges Zertifikat kann beispielsweise mit den Begriffen „Rapid”, „Infrared” oder „IR” gekennzeichnet sein.In addition, it may be provided that the infrared radiator includes a certificate that confirms compliance with certain specifications, in particular the compatibility with the required control systems and confirmed. Such a certificate may for example be marked with the terms "Rapid", "Infrared" or "IR".
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment and from the drawing. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the figure description and / or alone in the single figure can be used not only in the respectively indicated combination but also in other combinations or alone, without the frame to leave the invention.
Die Zeichnung zeigt inThe drawing shows in
Gleiche oder funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen worden.Same or functionally identical elements have been provided with the same reference numerals.
Ein insgesamt mit
Die Aufheizung eines Metalls führt zu seiner Ausdehnung, die Abkühlung zu einer Schwindung. Die wiederholten Zustandsänderungen führen zu thermomechanischem Verschleiß. Daher ist es bei dem hier gezeigten Infrarotstrahler
Darüber hinaus ist das Metallfilmelement
Wie in
Es kann vorgesehen sein, verschiedene Größen von Infrarotstrahlern
Um eine besonders schnelle Erwärmung eines faserverstärkten Bauteils, insbesondere eines faserverstärkten Bleches bzw. Organobleches, zu ermöglichen, ist es vorgesehen, dass das Metallfilmelement
Die Verstärkung
Vorzugsweise wird das Metallfilmelement
Der als Aufnahme für das Metallfilmelement
Die Größe und Lage zur Montage des Infrarotstrahlers
Der als Aufnahme für das Metallfilmelement
Gelöst wird die Aufnahme des Metallfilmelementes
Das Metallfilmelement
Um dem, im heißen Zustand mechanisch instabilem, Metallfilmelement
Dadurch kann das Metallfilmelement
Zudem kann es vorgesehen sein, dass statt eines ebenen ausgebildeten Reflektors
In den
Die gezeigten Ausführungsformen des Reflektors
Für Anwendungen, die eine stärkere Fokussierung der Strahlung erfordern, eignen sich Reflektoren
Um den Bediener vor gefährlichen Spannungen oder gefährdenden Oberflächentemperaturen zu schützen, wird zwischen dem als Heizleiter dienenden Metallfilmelement
To protect the operator from dangerous voltages or hazardous surface temperatures, between the serving as heating element
Wie in den
Insbesondere kann die Geometrie des Eingriffschutzes
Für eine besonders homogene Verteilung der Infrarotstrahlung eignet sich die in
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 102009008318 [0012] DE 102009008318 [0012]
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R230 | Request for early publication | ||
| R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: HEGER, STEPHAN, DE Free format text: FORMER OWNER: DAIMLER AG, 70327 STUTTGART, DE |
|
| R084 | Declaration of willingness to licence | ||
| R005 | Application deemed withdrawn due to failure to request examination |