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Die Erfindung betrifft ein regeneriertes Bohrgestänge, insbesondere für gewindegekoppelte Bohrgestänge, und ein Verfahren zur Herstellung eines Regenerationsbohrgestänges.
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Aus dem Stand der Technik sind Bohrgestänge für Bohrungen im Erdreich als solche bekannt. Diese werden regelmäßig mehrteilig ausgebildet und weisen hierfür Kopplungsgewinde auf, an denen die einzelnen Gestänge in axialer Abfolge gekoppelt werden um so ausreichende Bohrtiefen oder Bohrlängen zu erreichen.
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Hierbei besteht das technische Problem, dass die Bohrgestänge einer erheblichen abrasiven Belastung durch die Mantelreibung gegenüber dem umliegenden Erdreich unterliegen. Die Bohrgestänge sind üblicherweise tailliert ausgebildet, so dass an den sogenannten Köpfen, also nahe den Kopplungsgewinden, der größte Materialabtrag stattfindet. Zudem ist dieser Bereich auch maßgeblich für das Verschleißmaß.
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Um einen kostenaufwändigen Austausch der Bohrgestänge zu vermeiden ist es dem Grunde nach bekannt, den abrasiven Materialverlust durch Auftragsschweißen wieder aufzufüllen und so die Bohrgestänge wieder zu ertüchtigen.
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Beispielsweise beschreibt
US 2004 206 726 A1 ein Verfahren zum Verstärken von Verbindungstücken an Bohrgestängen, bei dem durch ein Elektroauftragsschweißverfahren unter Schutzgas das Material einer Füllelektrode im Lichtbogen geschmolzen und aufgetragen wird.
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Ferner beschreibt
DE 35 33 344 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Auftragen einer hartstopppartikelhaltigen Schmelze auf einen Bohrgestängeverbinder. Hierbei wird Pulver, welches sowohl schmelzbares Material als auch Hartstoffpartikel aufweist, mittels eines Dosiergerätes aufgetragen und mittels eines Schweißbrenners aufgeschmolzen.
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Die beschriebenen Lösungen nach den Stand der Technik weisen den Nachteil auf, dass zusätzliche Maßnahmen zur Erzielung einer gleichmäßigen Auftragsdicke erforderlich sind und dass stets ein Kompromiss zwischen den abrasiven Eigenschaften und der Schweißfähigkeit des Auftragsmaterials eingegangen werden muss.
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Aufgabe der Erfindung ist es, unter Überwindung der Nachteile des Standes der Technik ein regeneriertes Bohrgestänge aufzuzeigen, dass eine hohe abrasive Beständigkeit aufweist, aus Bohrgestänge unterschiedlichen Verschleißgrades erstellbar sowie prozesssicher und kostengünstig herstellbar ist. Ferner ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Regenerationsbohrgestänges anzugeben.
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Die Aufgabe wird in Bezug auf das Regenerationsbohrgestänge durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale und in Bezug auf das Verfahren durch die im Patentanspruch 5 aufgeführten Merkmale gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Mit dem erfindungsgemäßen Regenerationsbohrgestänge wird eine Lösung aufgezeigt, wie aus einem verschlissenen Bohrgestänge ein ertüchtigtes Bohrgestänge, nachfolgend Regenerationsbohrgestänge bezeichnet, bereitgestellt wird. Als Regenerationsbohrgestänge sind alle Bohrgestänge für Bohrungen im Erdreich zu verstehen, wobei es sich insbesondere um Bohrgestänge für Vertikalbohrungen und um Bohrgestänge für Horizontalbohrungen handeln kann.
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Das erfindungsgemäße Bohrgestänge weist als Grundkomponenten einen Bohrgestängegrundkörper, eine Regenerationshülse und eine Kopplungszone auf.
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Der Bohrgestängegrundkörper liegt als ein gebrauchtes Bohrgestänge vor und weist mindestens einen endseitigen Verbindungsabschnitt auf. In der Regel liegt jedoch an beiden Enden jeweils ein Verbindungsabschnitt vor. An dem Verbindungsabschnitt erfolgt die axiale Ankopplung an ein weiteres Bohrgestänge, so dass sich im bestimmungsgemäß montierten Zustand die Verbindungsabschnitte der verbunden Bohrgestänge gegenüberliegen. An den Verbindungsabschnitten sind die Bohrgestänge bevorzugt mit einem größeren Durchmesser ausgebildet, so dass sich eine taillierte Grundform eines solchen Bohrgestänges ergibt.
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Der Bohrgestängegrundkörper weist an dem endseitigen Verbindungsabschnitt eine Verbindungsabschnittaußenmantelfläche auf. Es handelt sich dabei um den Abschnitt der Bohrgestängeaußenmantelfläche im Bereich des Verbindungsabschnitts.
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Erfindungsgemäß weist das Regenerationsbohrgestänge ferner eine Regenerationshülse auf. Die Regenerationshülse ist hohlzylindrisch ausgebildet. Als hohlzylindrisch wird im Sinne der vorliegenden Erfindung nicht eine geometrische Kategorie, sondern eine rohrförmige Grundform verstanden, so dass beispielsweise auch Konizitäten des Innenmantels und/oder des Außenmantels erfasst sind.
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Die Regenerationshülse ist in einer Montagelage konzentrisch zu der Hauptlängsachse des Bohrgestängegrundkörpers angeordnet und umschließt konzentrisch zumindest abschnittsweise den Verbindungsabschnitt.
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Die Regenerationshülse weist erfindungsgemäß einen Hülsenkörper und eine Hülseninnenmantelfläche auf.
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Hierbei weist der Hülsenkörper einen Hartstoffkörpereinschluss auf. Als Hartstoffkörpereinschluss wird vorliegend jede Anordnung von Hartstoff in oder an der Regenerationshülse verstanden. Insbesondere kann der Hartstoffkörpereinschluss als Einlassung mehrerer diskreter Körper wie Stäbe, Kugeln, Prismen oder Ähnlichem mit definierten Anordnungen bestehen. Daneben sind auch unregelmäßige Einschlüsse in Form von Granulaten oder auch Aufträge beispielsweise an der Außenmantelfläche der Regenerationshülse erfasst. Der Hartstoffkörpereinschluss kann insbesondere aus hochwertigen Industriekeramiken wie beispielsweise Siliziumcarbid, Wolframcarbid, Tantalscarbid oder Kompositen hiervon bestehen.
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Das erfindungsgemäße Regenerationsbohrgestänge ist ferner insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungszone die Verbindungsabschnittaußenmantelfläche und die Hülseninnenmantelfläche flächig verbindet.
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Dabei liegt die Kopplungszone erfindungsgemäß als eine Hybridkopplung einerseits stoffschlüssig mittels einer Reibschweißnaht und andererseits kraftschlüssig mittels einer Aufschrumpfung vor.
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Dem liegt zu Grunde, dass die Regenerationshülse mit Untermaß auf den Verbindungsabschnitt aufgeschoben wird. Um ein definiertes Untermaß zu erhalten ist es insbesondere vorgesehen, das verschlissene Bohrgestänge an dem Verbindungsabschnitt durch Längsdrehen auf den passenden Durchmesser abzudrehen. Durch eine Verdrehung der Regenerationshülse und des Bohrgestängegrundkörpers wird an der durch das Untermaß erhaltenden umlaufenden Druckkontaktfläche zwischen der Hülseninnenmantelfäche und der Verbindungsabschnittaußenfläche mittels Reibung Wärme erzeugt, bis ein Verschmelzen der Oberflächen der Reibungspartner eintritt. Hierdurch wird die flächige Reibschweißnaht und damit der erfindungsgemäße Stoffschluss erzeugt.
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Ferner tritt eine stärkere Erwärmung der Regenerationshülse als des Verbindungsabschnitts ein, weil der Bohrgestängegrundkörper zum einen dort eine größere Masse und damit eine größere Wärmekapazität als die Regenerationshülse aufweist und zum anderen die Wärme durch den Bohrgestängegrundkörper aus diesem Abschnitt schneller abgeleitet wird. Vorzugsweise kann dies durch eine Vorerwärmung der Regenerationshülse und durch eine Kühlung des Bohrgestängegrundkörpers unterstützt werden. Infolge der nachfolgenden Abkühlung und der stärkeren thermischen Schrumpfung der Regenerationshülle liegt diese über den Umfang gespannt auf und stellt so den Kraftschluss durch die Aufschrumpfung bereit.
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Der Stoffschluss und der Kraftschluss bilden zusammen die erfindungsgemäße Hybridkopplung aus.
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Die erfindungsgemäße Lösung weist insbesondere nachfolgende Vorteile auf:
- Die Verwendung einer vorgefertigten Regenerationshülse ermöglicht es, ein Bauteil in höchster Industriequalität einzusetzen, so dass eine besonders hohe Materialgüte und eine besonders hohe Abrasionsbeständigkeit erreicht werden kann, wie dies mittels Auftragsschweißens nur bedingt möglich ist.
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Zugleich besteht dadurch der Vorteil der hohen Prozesssicherheit und einer stets reproduzierbaren Qualität.
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Insbesondere ist es möglich, hochwertige Hartstoffeinschlüsse in der Regenerationshülse bereitzustellen und so besonders hohe Standzeiten des Regenerationsbohrgestänges zu erreichen.
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Weiterhin besteht der Vorteil einer kostengünstigen Fertigung, da weniger Zeit für die Herstellung der Hybridkopplung als beispielsweise für einen helixartigen und unter Umständen sogar lagenweisen Aufbau einer Auftragsschicht durch Auftragsschweißverfahren benötigt wird.
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Zudem wird durch die Regenerationshülse zugleich eine definierte Dicke der Materialergänzung bei der Ertüchtigung ohne etwaige Zusatzmaßnahmen erreicht.
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Es ist ferner eine Modularität der Fertigung möglich, indem Regenerationshülsen mit standardisierten Maßabstufungen sowohl im Innenmaß, im Außenmaß als auch in der Länge gefertigt werden können. Zudem können je nach Anforderung Regenerationshülsen mit unterschiedlichen definierbaren Abrasionsfestigkeiten bereitgestellt werden.
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Vorteilhaft kann auch bei einer etwaigen erneuten Ertüchtigung eines Regenerationsbohrgestänges eine verschlissene Regenerationshülse durch eine Auftrennung an deren Umfang leichter demontiert werden, weil somit in einfacher Weise die Kraftschlusskomponente der erfindungsgemäßen Hybridkopplung aufgehoben werden kann.
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Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung ist der Hartstoffkörpereinschluss als ein Ringkörper ausgebildet.
Durch die Ausbildung als Ringkörper gemäß dieser Weiterbildung wird vorteilhaft erreicht, dass der unmittelbare abrasive Kontakt zwischen dem Erdreich und dem darin rotierenden Regenerationsbohrgestänge im Wesentlichen ausschließlich an einer Hartstoffoberfläche erfolgt, so dass lediglich ein sehr geringer Materialabtrag erfolgt. Ferner werden so vorteilhaft Absätze und sonstige Versprünge an der Umlauffläche vermieden, so dass der Hartstoffkörper mechanisch weniger belastet wird. Der Ringkörper kann dabei an seiner Innenmantelfläche und/oder an den axialen Ringflächen Formabschnitte aufweisen, die einen sicheren und verdrehfesten Formschluss zu dem übrigen Hülsenkörper herstellen. Es ist auch möglich, mehrere Hartstoffringkörper in einer axialen Abfolge vorzusehen.
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Entsprechend einer weiterführenden vorteilhaften Weiterbildung ist die Regenerationshülse mehrteilig ausgebildet.
Eine solche mehrteilige Ausbildung ermöglicht es vorteilhaft insbesondere, Hartstoffkörper, insbesondere solche mit einer Ringgeometrie zuverlässig aufzunehmen und verdrehfest festzulegen.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist das Regenerationsbohrgestänge dadurch gekennzeichnet, dass der Bohrgestängegrundkörper einen weiteren endseitigen Verbindungsabschnitt mit einer weiteren Verbindungsabschnittaußenmantelfläche aufweist, dass das Regenerationsbohrgestänge eine weitere Regenerationshülse und eine weitere Kopplungszone aufweist, dass die weitere Regenerationshülse hohlzylindrisch ausgebildet ist und konzentrisch zumindest abschnittsweise den weiteren endseitigen Verbindungsabschnitt umschließt, und einen weiteren Hülsenkörper mit einer weiteren Hülseninnenmantelfläche und einem weiteren Hartstoffkörpereinschluss aufweist, und dass die weitere Kopplungszone die weitere Verbindungsabschnittaußenmantelfläche und die weitere Hülseninnenmantelfläche flächig als weitere Hybridkopplung mittels einer weiteren Reibschweißnaht stoffschlüssig und mittels einer weiteren Aufschrumpfung kraftschlüssig miteinander verbindet.
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Gemäß dieser vorteilhaften Weiterbildung weist das Regenrationsgestänge an seinen beiden Enden, an denen sich jeweils die Verbindungsstellen zu dem jeweils anschließenden weiteren Bohrgestänge befinden, eine Regenerationshülse mit einer erfindungsgemäßen Hybridkopplung auf. Insbesondere kann beispielsweise bei dem endseitigen Verbindungsabschnitt als Verbindungsmittel ein Gewindepin und an dem weiteren endseitigen Verbindungsabschnitt als Verbindungsmittel eine Gewindedose angeordnet sein. Die Regenerationshülse und die weitere Regenerationshülse sind dabei bevorzugt in gleicher Weise aufgebaut und mit dem Bohrgestängegrundkörper gekoppelt. Für besondere Anwendungen ist es aber auch möglich, die beiden Regenerationshülsen unterschiedliche auszubilden. Dies kann beispielsweise bei unterschiedlichen Geometrien der beiden Enden oder auch bei unterschiedlichen Verschleißgraden sinnvoll sein.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf.
- a) Bereitstellen der Regenerationshülse,
- b) Herstellen eines Übermaßes der Verbindungsabschnittaußenmantelfläche des Bohrgestängegrundkörpers gegenüber der Hül-seninnenmantelfläche durch Abdrehen,
- c) axiales Fügen der Regenerationshülse auf den endseitigen Verbindungsabschnitt unter elasischer Aufweitung der Regenerationshülse und Herstellung einer Flächenpressung zwischen der Verbindungsabschnittaußenmantelfläche und der Hülseninnenmantelfläche,
- d) Verdrehen des Bohrgestängegrundkörpers relativ zu der Regenerationshülse unter Überwindung der Reibung zwischen der Verbindungsabschnittaußenmantelfläche und der Hülseninnenmantelfläche und Erzeugung von Wärme bis zur Ausbildung einer Aufschmelzung,
- e) Beenden des Verdrehens und Abkühlenlassen des Bohrgestängegrundkörpers und der Regenerationshülse unter Erstarren der Aufschmelzung und Ausbilden der flächigen Reibschweißnaht zwischen der Verbindungsabschnittaußenmantelfläche und der Hülseninnenmantelfläche,
- f) weiteres Abkühlenlassen der Regenerationshülse mit thermischer Schrumpfung und Ausbilden einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen der Verbindungsabschnittaußenmantelfläche und der Hülseninnenmantelfläche als Aufschrumpfung.
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Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren stellt durch die beschriebenen Verfahrensschritte eine Hybridkopplung aus einer stoffschlüssigen Verbindung als Reibschweißverbindung - insbesondere erhalten durch Verfahrensschritt e) - und aus einer kraftschlüssigen Verbindung als Haftreibung - insbesondere erhalten durch Verfahrensschritt f) - bereit. Es gelten die Beschreibungsinhalte zu dem Regenerationsbohrgestänge in entsprechender Weise zugleich für das Verfahren zu dessen Herstellung.
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Die Erfindung wird als Ausführungsbeispiel anhand von
- 1 Teilgeschnittene schematische Seitenansicht als Ausschnitt
näher erläutert.
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Hierbei beziehen sich gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Figuren auf jeweils gleiche Merkmale oder Bauteile. Die Bezugszeichen werden in der Beschreibung auch dann verwandt, sofern sie in der betreffenden Figur nicht dargestellt sind.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel in einer teilgeschnittenen schematischen Seitenansicht.
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Der Bohrgestängegrundkörper 10 weist einen endseitigen Verbindungsabschnitt 11 auf, der gegenüber dem übrigen Gestänge einen größeren Durchmesser aufweist. In dem Ausführungsbeispiel liegt ein Bohrgestängegrundkörper 10 mit einer Länge von ca. 3 m vor. Die endseitigen Verbindungsabschnitte 11 weisen dabei eine Länge von ca. 25 cm auf und sind aus einer abriebbeständigen Chrom-Molybdän-Stahllegierung gebildet. In dem Bereich zwischen den Verbindungsabschnitten 11 ist der Bohrgestängegrundkörper aus einem Stahl mit höherer Elastizität, beispielsweise ST 52 hergestellt. Der eine - hier dargestellte - Verbindungsabschnitt 11 weist an seinem Ende den Gewindepin mit einem konischen Außengewinde auf. Der weitere - hier nicht dargestellte Verbindungsabschnitt weist die Gewindedose mit einem konischen Innengewinde auf. Gewindepin und Gewindedose korrespondieren zueinander, so dass der Gewindepin in die Gewindedose des axial nachfolgenden Bohrgestänges eingeschraubt werden kann.
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Bei der Mantelfläche des Verbindungsabschnitts 11 handelt es sich um die Verbindungsabschnittaußenmantelfläche 12, die hier überwiegend von der Regenerationshülse 20 überdeckt ist.
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Die Regenerationshülse 20 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem zweiteiligen Hülsenkörper 21 gebildet, der den Hartstoffkörpereinschluss trägt, der hier als ein Ringkörper aus einer hochabrasionsbeständigen Industriekeramik besteht. Durch den zweiteiligen Hülsenkörper 21 ist der Ringkörper zuverlässig formschlüssig und verdrehfest gefasst. Die beiden Teile des Hülsenkörpers sind vor der Ankopplung der Regenerationshülse 20 an den Bohrgestängegrundkörper 10 miteinander verbunden worden, so dass die Regenerationshülse als eine einheitliche Vorbaugruppe vorliegt. Die innere Mantelfläche der Regenerationshülse 20 ist die Hülseninnenmantelfläche 22.
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Zur Herstellung der Hybridkopplung ist die Verbindungsabschnittmantelfläche 12 auf einen definierten Durchmesser abgedreht worden, so dass ein geringfügiges Übermaß gegenüber dem Durchmesser an der Hülseninnenmantelfläche 21 vorliegt. Die Regenerationshülse 20 wird unter elastischer Beulung auf den endseitigen Verbindungsabschnitt 11 aufgeschoben, so dass sich die Verbindungsabschnittmantelfläche 12 in dem überdeckten Bereich und die Hülseninnenmantelfläche 22 in einer geeigneten Flächenpressung gegenüberliegen. Die Regenerationshülse 20 und der Bohrgestängegrundkörper werden unter Überwindung des Reibungswiderstands mit hoher Drehzahl gegeneinander verdreht, wodurch aufgrund der Flächenreibung eine starke Erhitzung direkt an der Oberfläche der Reibungspartner mit der Folge der Entstehung einer flächigen Reibschweißnaht zwischen den beiden Mantelflächen 12, 22 und damit eine stoffschlüssige Verbindung bereitgestellt wird. Ferner wird durch die nachfolgende Abkühlung der Regenerationshülse 20 die Flächenpressung an den beiden Mantelflächen 12, 22 erhöht und somit die zweite Komponente der Hybridkopplung bereitgestellt.
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Zur besseren Darstellung sind die Längen- und Durchmesserrelationen bei dem Verbindungsabschnitt 11 und der Regenerationshülse 20 in 1 nicht maßstäblich wiedergegeben.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Bohrgestängegrundkörper
- 11
- endseitiger Verbindungsabschnitt
- 12
- Verbindungsabschnittaußenmantelfläche
- 13
- Gewindepin
- 20
- Regenerationshülse
- 21
- Hülsenkörper
- 22
- Hülseninnenmantelfläche
- 23
- Hartstoffkörpereinschluss
- 30
- Kopplungszone
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2004206726 A1 [0005]
- DE 3533344 A1 [0006]
