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Die Erfindung betrifft eine Werkstoffplatte mit einer oder mehreren Schichten, die aus einer Matte aus (vorzugsweise mit einem Bindemittel versehenen oder mit einem Bindemittel gemischten) Partikeln unter Anwendung von Druck und/oder Wärme, insbesondere durch Pressen, hergestellt ist,
wobei die Matte als Partikel einerseits Basispartikel aus Lignin enthaltendem pflanzlichem Fasermaterial und andererseits Zusatzpartikel aus einem Füllmaterial aufweist. Bevorzugt ist die Werkstoffplatte mehrschichtig, z.B. mit äußeren Deckschichten und zumindest einer zwischen den Deckschichten angeordneten Mittelschicht, ausgebildet.
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Die Werkstoffplatte oder zumindest eine ihrer Schichten wird auf Basis der Lignin enthaltenden, pflanzlichen Basispartikel hergestellt. Diese Basispartikel können insbesondere aus Mehrjahrespflanzen, wie z. B. Holz, gewonnen werden. Dabei kann es sich z.B. um Holzfasern handeln, die üblicherweise für die Herstellung von Holzfaserplatten, z.B. MDF-Platten verwendet werden. Alternativ kann es sich bei den Partikeln um Späne handeln, die für die Herstellung von Spanplatten verwendet werden. Schließlich kann es sich auch um sogenannte Strands bzw. Langspäne handeln, die für die Herstellung von OSB-Platten (Oriented Strand Board) verwendet werden. Alternativ zu Holzpartikeln können Partikel aus Einjahrespflanzen, z.B. Gräsern oder Stroh, verwendet werden, und zwar in der Regel als Fasern. Stets ist es zweckmäßig, die aus pflanzlichem Material hergestellten Basispartikel mit einem Bindemittel zu versehen oder mit einem Bindemittel zu mischen, so dass bevorzugt beleimte Basispartikel eingesetzt werden. Aus den Partikeln wird im Zuge der Herstellung eine Matte erzeugt, die anschließend unter Anwendung von Druck und gegebenenfalls Wärme zu der Werkstoffplatte verpresst wird.
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Die Herstellung der Werkstoffplatte erfolgt kontinuierlich oder taktgebunden. Dazu werden z.B. kontinuierlich arbeitende Presse mit endlos umlaufenden Pressbändern verwendet. Alternativ kommen Taktpressen zum Einsatz, z.B. Einetagenpressen oder Mehretagenpressen.
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Die Auswahl des Materials und insbesondere die Auswahl der ligninhaltigen Basispartikel beeinflusst maßgeblich die Eigenschaften der Werkstoffplatte und insbesondere die mechanischen Eigenschaften, wie z.B. ihre Steifigkeit, Biegefestigkeit oder Biegeelastizität.
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Im Zusammenhang mit mehrschichtigen Werkstoffplatten und insbesondere mehrschichtigen Holzwerkstoffplatten ist es grundsätzlich bekannt, die einzelnen Schichten unterschiedlich auszugestalten, z.B. aus unterschiedlichen Partikelarten und/oder Partikelorientierungen. Dabei kommt der Ausgestaltung der (äußeren) Deckschichten in der Regel besondere Bedeutung zu, da die für den Anwender relevanten mechanischen Eigenschaften, wie insbesondere die Biegesteifigkeit, Biegefestigkeit oder Biegeelastizität, maßgeblich durch die äußeren Schichten beeinflusst werden, die auch als Deckschichten bezeichnet werden.
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Neben den mechanischen Eigenschaften der Werkstoffplatte sind bei der Herstellung auch wirtschaftliche Aspekte zu berücksichtigen, so dass in der Praxis insbesondere das Bedürfnis nach kostengünstigen Werkstoffplatten besteht. Da die Fertigungskosten maßgeblich durch die Kosten der im Zuge der Herstellung eingesetzten Rohstoffe beeinflusst werden, wurde bereits vorgeschlagen, die natürlichen Rohstoffe teilweise durch preiswertere Rohstoffe zu ersetzen und die Werkstoffplatten mit Füllmaterialien zu versehen. Besonders hohe Einsparpotenziale lassen sich erzielen, wenn für die Produktion recyclierte Rohstoffe oder Werkstoffe als Füllmaterialien genutzt werden. Allerdings sind die technischen bzw. mechanischen Eigenschaften dieser Werkstoffplatten oft stark eingeschränkt. Insbesondere dann, wenn der Einsatz von Füllmaterialien zu einer erheblichen Reduzierung der Festigkeitswerte führt, ist der praktische Einsatz trotz des erheblich günstigeren Preises stark begrenzt. Nachteilig sind bei diesen kostengünstigen Platten auch starke Schwankungen der ohnehin schon geringen Festigkeitswerte, so dass bei der Herstellung häufig unerwünschte und teure Sicherheitsreserven, wie z.B. größere Wandstärken, höherer Leimanteil usw. vorgesehen werden müssen.
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Ausgehend von dem vorbekannten Stand der Technik und den beschriebenen Nachteilen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Werkstoffplatte zu schaffen, die sich nicht nur kostengünstig herstellen lässt, sondern sich auch durch gute mechanische Eigenschaften auszeichnet. Außerdem soll ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Werkstoffplatte angegeben werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Werkstoffplatte mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Außerdem wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Werkstoffplatte gemäß Patentanspruch 13.
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Die Erfindung schlägt bei einer Werkstoffplatte der eingangs beschriebenen Art vor, dass die Zusatzpartikel, d. h. die Partikel, die aus dem (kostengünstigen) Füllmaterial bestehen, (teilweise oder vollständig) in ihren strukturellen Eigenschaften an die strukturellen Eigenschaften der Basispartikel angepasst sind.
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Die Anpassung der strukturellen Eigenschaften der Zusatzpartikel meint im Rahmen der Erfindung, dass vorzugsweise zumindest 80 % der Zusatzpartikel, z.B. zumindest 90 %, besonders bevorzugt alle Zusatzpartikel in ihren strukturellen Eigenschaften an die strukturellen Eigenschaften der Basispartikel angepasst sind.
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Dabei geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass sich die Fertigungskosten einer Werkstoffplatte, die aus natürlichen Rohstoffen, wie z.B. Einjahrespflanzen oder Mehrjahrespflanzen, hergestellt wird, durch den zusätzlichen Einsatz von kostengünstigem Füllmaterial stark reduzieren lassen. Die bei herkömmlichen kostenreduzierten Platten auftretenden Nachteile durch reduzierte mechanische Eigenschaften werden erfindungsgemäß dadurch vermieden, dass die eingesetzten Zusatzpartikel in ihren wichtigen strukturellen Eigenschaften gezielt an die strukturellen Eigenschaften der (naturbasierten) Basispartikel angepasst werden.
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Strukturelle Eigenschaften meint im Rahmen der Erfindung z.B. die Grundform der Partikel und/oder deren Dimension, z.B. Länge, Breite und/oder Dicke. Es werden folglich bevorzugt füllstoffartige Zusatzpartikel verwendet, die in ihrer Grundform und/oder in ihrer Dimension an die Grundform bzw. Dimension der (naturbasierten) Basispartikel angepasst sind, d. h. die Zusatzpartikel einerseits und die Basispartikel andererseits weisen die gleiche Grundform und bevorzugt die gleiche oder eine ähnliche Dimension auf. Bei einer bestimmten Grundform kann es sich z.B. um eine Stabform, eine ovale Form, eine Spiralform oder dergleichen handeln.
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Alternativ oder ergänzend kann es sich bei den angepassten strukturellen Eigenschaften auch um das Volumen der jeweiligen Partikel handeln.
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Der Begriff der strukturellen Eigenschaften umfasst auch die Oberflächenbeschaffenheit, z.B. die Rauigkeit, und/oder die Porosität bzw. Gasdurchlässigkeit der Partikel, d. h. es kann auch eine Anpassung hinsichtlich dieser Parameter erfolgen. Die Anpassung hinsichtlich Porosität und Gasdurchlässigkeit verhindert die Grenzschichtbildung bei der Entgasung, Trocknung und im Reifeprozess der Platte und ermöglicht z.B. eine gleichmäßige Leimabbindung.
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Bei den strukturellen Eigenschaften kann es sich auch um die Elastizität bzw. Steifigkeit der Partikel handeln. Schließlich umfasst die Anpassung der strukturellen Eigenschaften auch die Anpassung bzw. Abstimmung hinsichtlich der Aufnahmefähigkeit von Flüssigkeiten, z.B. von Wasser, und/oder die Bindefähigkeit mit dem gegebenenfalls verwendeten Bindemittel, z.B. mit der jeweils ausgewählten Leimsorte.
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Dabei liegt es im Rahmen der Erfindung, dass die Zusatzpartikel lediglich in einer strukturellen Eigenschaft bzw. zumindest einer strukturellen Eigenschaft an die jeweilige strukturelle Eigenschaft der Basispartikel angepasst sind. Bevorzugt sind die Zusatzpartikel in mehreren strukturellen Eigenschaften an die strukturellen Eigenschaften der Basispartikel angepasst. So liegt es auch im Rahmen der Erfindung, dass die Zusatzpartikel in jeweils einer oder mehreren strukturellen Eigenschaften aus einer oder aus mehreren der genannten Gruppen an die jeweiligen Eigenschaften der Basispartikel angepasst sind, z.B. einerseits in der Dimension und andererseits in der Oberflächenbeschaffenheit.
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Die „Anpassung“ der jeweiligen Eigenschaften bzw. Parameter bedeutet, dass die Eigenschaften oder die konkret vorgeschlagenen Parameter (z.B. Dimension) identisch oder nahezu identisch, jedoch zumindest sehr ähnlich sind. Das bedeutet bevorzugt, dass im Vergleich einer bestimmten Eigenschaft oder eines bestimmten Parameters derjenige für die Zusatzpartikel um max. 30 %, z.B. max. 20 %, vorzugsweise max. 10 % oder auch nur max. 5 % von demjenigen der Basispartikel abweicht.
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Besonders bevorzugt wird die Erfindung bei einer mehrschichtigen Werkstoffplatte realisiert, die (zumindest zwei) äußere Deckschichten und zumindest eine zwischen den Deckschichten angeordnete Mittelschicht aufweist. Solche mehrschichtigen Werkstoffplatten sind - wie eingangs beschrieben - aus dem Stand der Technik bekannt. Erfindungsgemäß ist nun jedoch zumindest eine dieser Schichten in der erfindungsgemäßen Weise ausgestaltet, d. h. in zumindest einer der Schichten werden zusätzlich zu den naturbasierten Basispartikeln Zusatzpartikel aus Füllmaterial eingesetzt, wobei die Zusatzpartikel in ihren strukturellen Eigenschaften an die strukturellen Eigenschaften der Basispartikel (derselben Schicht oder vorzugsweise der benachbarten Schicht/Schichten) angepasst sind. Dabei liegt es grundsätzlich im Rahmen der Erfindung, dass in einer oder in mehreren Schichten Mischungen aus Basispartikeln und Zusatzpartikeln zum Einsatz kommen. Besonders bevorzugt werden jedoch eine oder vorzugsweise beide Deckschichten aus den Basispartikeln, z.B. aus Fasern, Spänen oder Strands aus Mehrjahrespflanzen oder Einjahrespflanzen hergestellt, während die Mittelschicht aus Zusatzpartikeln oder auf Basis der füllstoffartigen Zusatzpartikel oder gegebenenfalls auch mit Zusatzpartikeln hergestellt ist. So liegt es im Rahmen der Erfindung, die Deckschichten aus hochwertigen, naturbasierten Partikeln und die Mittelschicht oder auch mehrere Mittelschichten aus kostengünstigen Zusatzpartikeln (aus Füllmaterial) herzustellen. Dabei geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass die mechanischen Eigenschaften einer mehrschichtigen Holzwerkstoffplatte vor allem durch die äußeren Schichten bestimmt werden bzw. maßgeblich durch die äußeren Schichten beeinflusst werden. Der Einsatz kostengünstiger Füllmaterialien wird daher bevorzugt auf eine oder mehrere innere Schichten, z.B. eine Mittelschicht, beschränkt.
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Die Erfindung hat jedoch erkannt, dass bei derartigen mehrschichtigen Werkstoffplatten die Ausbildung von Grenzschichten zwischen unterschiedlichen Partikelarten nachteilig sein kann und insbesondere zu reduzierten mechanischen Eigenschaften führen kann. Die Ausbildung der Grenzschichten zwischen einer aus Füllstoffen gebildeten oder Füllstoffe aufweisenden Mittelschicht und einer aus Naturfasern gebildeten oder Naturfasern aufweisenden Deckschicht beeinflusst maßgeblich die mechanischen Eigenschaften der mehrschichtigen Platte. Negative Einflüsse werden erfindungsgemäß dadurch eliminiert oder zumindest reduziert, dass die an den Grenzschichten bzw. am Übergang aufeinandertreffenden Partikel in ihren strukturellen Eigenschaften aufeinander abgestimmt sind. Negative Auswirkungen im Bereich der Grenzschichten werden erfindungsgemäß folglich dadurch eliminiert oder reduziert, dass am Übergang zwischen Deckschicht und Mittelschicht zwar Partikel aus unterschiedlichem Material aufeinandertreffen, diese Partikel jedoch in ihren strukturellen Eigenschaften gleich oder zumindest sehr ähnlich sind. So werden im Bereich der Grenzschichten bzw. Übergänge z.B. Holzfasern einerseits und füllstoffartige Zusatzpartikel andererseits eingesetzt, die sich hinsichtlich ihrer Grundform und Dimension zumindest sehr ähnlich sind, so dass sich die beim Stand der Technik negativ auswirkenden Grenzschichten nicht in dieser Weise bilden. Insgesamt wird folglich eine Werkstoffplatte zur Verfügung gestellt, die sich einerseits kostengünstig herstellen lässt, die sich jedoch andererseits durch gute mechanische Eigenschaften, wie z.B. Steifigkeit/Biegesteifigkeit, Biegefestigkeit oder Biegeelastizität auszeichnet.
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Mögliche Ausgestaltungen und Abwandlungen der Erfindung werden im Folgenden dargestellt:
- Als Basispartikel werden bevorzugt Partikel aus Mehrjahrespflanzen oder aus Einjahrespflanzen verwendet. Mehrjahrespflanzen meint insbesondere Holz, so dass als Basispartikel Holzpartikel, z.B. Holzfasern, Holzspäne oder Holzstrands zum Einsatz kommen. Alternativ werden Basispartikel aus Einjahrespflanzen verwendet, z.B. Fasern aus Stroh, Gräsern oder dergleichen. Stets ist es zweckmäßig, die naturbasierten Basispartikel mit einem Bindemittel zu versehen oder zu mischen, z.B. mit Leim. Die Erfindung umfasst grundsätzlich aber auch Ausführungsformen, bei denen die Platte aus einer Matte ohne den Einsatz separater Bindemittel verpresst wird.
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Die als Füllstoffe dienenden Zusatzpartikel werden zur Kostenreduzierung bevorzugt aus Recyclingmaterial hergestellt. Es können z.B. recyclierte Textilien, z.B. Textilreste zum Einsatz kommen, z.B. Textilien oder Textilreste aus Baumwolle oder mit Baumwolle aber auch aus anderen für Textilien üblichen Materialien, z.B. Textilien aus Naturfasern und/oder Kunstfasern. Alternativ können Zusatzpartikel aus recycliertem Papier oder recycliertem Karton verwendet werden. Es können auch Zusatzpartikel aus Kunststoff zum Einsatz kommen, z.B. aus recycliertem Kunststoff. Bevorzugt handelt es sich dabei um recyclierte Kunststoffe aus Polyurethan oder mit Polyurethan oder aus Polystyrol oder mit Polystyrol. Es kann sich auch um geschäumte Kunststoffe bzw. Schaumstoffe handeln.
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Die kostengünstigen Zusatzpartikel werden aus den zur Verfügung stehenden Recyclingmaterialien in grundsätzlich bekannter Weise hergestellt, z.B. durch mechanische Zerkleinerung wie z.B. Schreddern, Schneiden, Hacken oder dergleichen, und zwar mit der Maßgabe, dass die auf diese Weise hergestellten Zusatzpartikel in ihren strukturellen Eigenschaften zu den eingesetzten naturbasierten Basispartikeln passen.
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Bei den Basispartikeln kann es sich z.B. um Späne handeln, z.B. um Holzspäne, die insbesondere durch mechanische Zerkleinerung aus pflanzlichem Ausgangsmaterial, z.B. aus Holz, hergestellt sind. Alternativ kann es sich bei den Basispartikeln um Fasern handeln, z.B. um Holzfasern oder auch Strohfasern, die aus pflanzlichem Ausgangsmaterial nach einer mechanischen Vorzerkleinerung durch einen thermischen oder hydrothermischen und/oder einen chemischen Prozess sowie gegebenenfalls eine weitere mechanische Zerkleinerung, z.B. in einem Refiner hergestellt werden. Dabei greift die Erfindung auf herkömmliche Herstellungsverfahren zur Herstellung von Fasern aus Holz oder dergleichen her.
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Alternativ zu einer mechanischen Zerkleinerung oder Vorzerkleinerung oder auch Nachzerkleinerung der genannten Partikel, insbesondere der Basispartikel, können auch berührungslose Zerkleinerungsverfahren eingesetzt werden, z.B. eine Zerkleinerung mittels Druckstoßwellen. Die Zerkleinerung von Material und auch von Holzwerkstoffen durch Druckstoßwellen ist z.B. aus der
DE 10 2021 001 806 B3 bekannt und auf diese Erkenntnisse kann zurückgegriffen werden. Es handelt sich um ein berührungsloses bzw. nicht mechanisches Zerkleinerungsverfahren, bei dem Stoßwellen bzw. Schockwellen innerhalb des Materials erzeugt werden und zu einer Zerkleinerung des Materials ohne mechanische Einflüsse führen. Eine geeignete Vorrichtung wird von der Anmelderin z.B. unter der Bezeichnung „EcoPulser“ vermarktet und auf diese Technik kann im Rahmen der Erfindung zurückgegriffen werden.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung einer Werkstoffplatte der beschriebenen Art. Neben der Werkstoffplatte wird folglich auch das Herstellungsverfahren selbst unter Schutz gestellt, wobei eine Matte aus (vorzugsweise mit einem Bindemittel versehenen oder einem Bindemittel gemischten) Partikeln erzeugt wird und aus der Matte unter Anwendung von Druck und/oder Wärme die Werkstoffplatte erzeugt wird, z.B. in einer Presse, vorzugsweise in einer Heißpresse. Die Matte besteht aus Basispartikeln einerseits und Zusatzpartikeln andererseits, wobei erfindungsgemäß Zusatzpartikel verwendet werden, die in der beschriebenen Weise in ihren strukturellen Eigenschaften an die strukturellen Eigenschaften der Basispartikel angepasst sind. Weitere optionale Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert, die lediglich Ausführungsbeispiele darstellen. Es zeigen
- 1 einen Vertikalschnitt durch eine mehrschichtige Werkstoffplatte des Standes der Technik,
- 2 einen Ausschnitt Z aus 1,
- 3 einen Vertikalschnitt durch eine erfindungsgemäße, mehrschichtige Werkstoffplatte und
- 4 einen Ausschnitt Y aus 3.
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In 1 und 2 ist (ausschnittsweise) ein Vertikalschnitt durch eine mehrschichtige Werkstoffplatte dargestellt, die äußere Deckschichten 3 und eine Mittelschicht 4 aufweist. Die Deckschichten 3 sind aus naturbasierten Partikeln 1, z.B. Holzfasern hergestellt. Die Mittelschicht 4 ist aus kostengünstigen Recyclingpartikeln 2 hergestellt, z.B. aus Baumwollfäden oder Fetzen, d. h. die Mittelschicht 4 wird aus einem Gemenge aus Baumwollfäden und Fetzen gebildet. Aufgrund des geringen Grades der mechanischen Verknüpfbarkeit der Gemengekomponenten der Mittelschicht 4 und der Späne der Deckschicht 3 entsteht keine positive Verbindung zwischen den Schichten. Vielmehr bilden sich innere Grenzschichten aus, an denen sich negative Einflüsse, wie Kerbwirkungen, in derartigem Maße auswirken, wie sie sonst nur an Oberflächen und nicht im Inneren einer Platte wirken.
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Demgegenüber zeigen 3 und 4 einen Vertikalschnitt durch eine erfindungsgemäße Werkstoffplatte. Die Deckschichten 3 können in der gleichen Weise ausgestaltet sein, wie die in 1 bzw. 2 dargestellte Deckschicht 3 oder in abgewandelter Form. Sie bestehen aus Basispartikeln 1 aus pflanzlichem Material, z.B. Holzfasern. Die Mittelschicht 4 besteht wiederum aus recycliertem Füllmaterial 2. Erfindungsgemäß ist dieses Füllmaterial nun jedoch in den strukturellen Eigenschaften an die strukturellen Eigenschaften der naturbasierten Partikel 1 der Deckschicht 3 angepasst. Die z.B. im Stand der Technik verwendeten Baumwollfäden und Fetzen werden folglich mechanisch mit der Maßgabe präpariert, dass sie in ihren strukturellen Eigenschaften, wie z.B. Grundform und/oder Dimension, an die Basispartikel, z.B. Holzspäne, angepasst sind. Damit wird die negative Ausbildung von Grenzschichten vermieden, so dass sich die erfindungsgemäße Platte durch gute mechanische Eigenschaften auszeichnet.
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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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- DE 19913589 A1 [0006]
- DE 102017111134 B4 [0006]
- DE 102005038833 B4 [0006]
- DE 102019121471 A1 [0006]
- DE 102019121476 A1 [0006]
- DE 102021001806 B3 [0025]
