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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Kegelrollenlager, umfassend einen Innenring mit einer Innenringlaufbahn, einen Außenring mit einer Außenringlaufbahn sowie auf den Laufbahnen wälzende Kegelrollen.
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Hintergrund der Erfindung
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Die stetige Weiterentwicklung in der Werkstofftechnik sowie der Einsatz hochfester Werkstoffe beispielsweise in der Automobil- und Luftfahrtindustrie stellt an der Zerspanung derartiger Materialien dienender Werkzeugmaschinen höchste Ansprüche betreffend die Lagerung der Werkzeugmaschinenspindeln. Verbunden damit ist häufig auch eine Steigerung der Schnittgeschwindigkeit und der Trend zur hochvolumigen Zerspanung. Um diesen Anforderungen zu begegnen, werden hochleistungsfähige Spindellagerungssysteme benötigt, die ein optimales Verhältnis zwischen hoher Tragfähigkeit, hoher Steifigkeit und bester Drehzahleignung aufweisen. Hierfür werden üblicherweise aufgrund der guten Drehzahleignung hochgenaue Schrägkugellager verwendet, die je nach Einsatzbedingungen paarweise in X- oder O-Anordnung verbaut werden. Je nach Anwendungsfall können diese mit leichter, mittlerer oder schwerer Vorspannung ausgeführt werden. Werkzeugspindeln mit hohen Anforderungen an die Steifigkeit werden durch ein beliebiges Aneinanderreihen von Spindellagern realisiert, beispielsweise vier oder sechs Spindellager in Tandem-O-Tandem-Anordnung.
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Durch die starre Anstellung und die mehrfache Anordnung sowie die Wahl einer erhöhten Vorspannklasse kann jedoch die Drehzahleignung einer Spindellagerung bestehend aus beliebig vielen Spindellagern stark variieren. Das heißt, dass die tatsächliche Drehzahlgrenze ausgehend von der rechnerischen, nominellen Drehzahlgrenze der einzelnen Schrägkugellager deutlich reduziert ist, beispielsweise bei einer O-Anordnung bzw. einer Tandem-O-Tandem-Anordnung bezogen auf ein Referenzspindellager um einen Faktor im Bereich von 0,5 bis 0,85, das heißt, dass sich die Drehzahlgrenze um diesen Faktor multipliziert reduziert. Je mehr einzelne Schrägkugellager innerhalb der gesamten Lageranordnung verwendet werden und je höher die gewählte Vorspannklasse (leicht, mittel, schwer) ist, umso höher kann die Reduktion sein.
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Neben der reduzierten Drehzahleignung gelten auch ungeplante Kollisionen zwischen Werkzeug und Werkstück zu den häufigsten Ausfallursachen von Werkzeugmaschinenspindeln. Aufgrund der begrenzten Tragfähigkeit der Spindellager respektive der Schrägkugellager sind bei unerwarteten Zusammenstößen hohe Schlagbelastungen gegeben, die dazu führen können, dass die Kugeln durch die kleine Kontaktfläche, also den Punktkontakt, und die somit hohen resultierenden Flächenpressungen an den Laufbahnen plastisch verformt werden und in Folge dessen die komplette Spindellagerung ausgetauscht werden muss.
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Wie beschrieben, wird für die Spindellagerung auf Schrägkugellager aufgrund deren guter Drehzahleignung zurückgegriffen. Kegelrollenlager dagegen finden im Bereich extrem hochdrehender Spindellageranordnungen mit Drehzahlen von mehreren Tausend U/min bis hin zu Drehzahlen von deutlich über 10 000 U/min nicht zuletzt aufgrund des vergleichsweise hohen Reibmoments keine Anwendung, sie werden üblicherweise in klassischen Anwendungsbereichen mit hoher radialen und axialen Belastung und in einem mittleren Drehzahlniveau verwendet. Gleichwohl wäre eine Verwendbarkeit von Kegelrollenlagern auch im Bereich von Hochgeschwindigkeitslagerungen mit einem n·dm-Wert von 500.000 - 1.000.000 oder höher wünschenswert. Über den n·dm-Wert wird ein Drehzahlkennwert definiert, der sich berechnet aus: n·(D+d)/2, wobei n=Drehzahl im Betriebspunkt, D=Außendurchmesser des Lagers, d=Bohrungsinnendurchmesser des Lagers ist.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zu Grunde, ein für Hochgeschwindigkeitslagerungen geeignetes Kegelrollenlager zu konzipieren.
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Beschreibung der Erfindung
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Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Kegelrollenlager der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Nenndruckwinkel zwischen 20° - 30° liegt und die Kegelrollen ein Verhältnis von Wälzkörperlänge zu Wälzkörperdurchmesser von 1,0 - 1,2 aufweisen.
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Es hat sich herausgestellt, dass Kegelrollenlager, die in Bezug auf den Nenndruckwinkel sowie das Verhältnis Wälzkörperlänge zu Wälzkörperdurchmesser in der beschriebenen Weise ausgelegt sind, für derartige Hochgeschwindigkeitsanwendungen eingesetzt werden können.
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Durch Einstellung des Nenndruckwinkels zwischen 20° - 30° wird die Anforderung an einer ausreichenden Mindeststeifigkeit des Kegelrollenlagers erfüllt, wobei das Kegelrollenlager natürlich auch vorgespannt sein kann und über die jeweilige Vorspannung die Systemsteifigkeit noch weiter verbessert werden kann. Über diesen Nenndruckwinkel kann also die axiale und radiale Steifigkeit im Hinblick auf die Hochgeschwindigkeitsanordnung zur Lagerung von Werkzeugspindeln entsprechend eingestellt werden.
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Bei heutigen Kegelrollenlagern hat darüber hinaus die Rollreibung, die zwischen den Laufbahnkontakten unter elastohydrodynamischer Schmierung entsteht, den größten Einfluss auf das Gesamtreibmoment, da der größte Teil der Kräfte über den Rollkontakt übertragen wird. Um das Rollreibungsmaß zu reduzieren, gleichzeitig aber auch eine hinreichend hohe Tragfähigkeit sicherzustellen, weisen die erfindungsgemäß verwendeten Kegelrollen ein spezifisches Verhältnis von Wälzkörperlänge zu Wälzkörperdurchmesser von 1,0 - 1,2 auf, das heißt, dass es sich bei einer solchen Kegelrolle nahezu um eine „quadratische“ Kegelrolle handelt, je kleiner der Verhältniswert ist. Bei einem Verhältniswert von 1,0 ist eine „quadratische“ Kegelrolle gegeben, da in diesem Fall die Länge der Kegelrolle, gemessen an der dicken und dünnen Stirnseite, gleich dem Wälzkörperdurchmesser, gemessen am dicken Rollenende, ist. Bei einem Verhältniswert >1,0 ist die jeweilige Kegelrolle etwas länger als der Wälzkörperdurchmesser. Durch eine entsprechende Reduzierung dieser Kegelrollenmaße respektive Einstellung des Verhältnisses, das bei üblichen Kegelrollen vergleichbarer Größenanordnung von Kegelrollenlagern für vergleichbare Einsätze bei ca. 2 liegt und demzufolge bei diesen üblichen Kegelrollenlagern eine vielfach höhere Gesamtreibleistung gegeben ist, kann die Rollreibung und damit das Gesamtreibmoment stark reduziert werden, was den Einsatz für Hochgeschwindigkeitsanwendungen ermöglicht, da die Rollreibung nicht mehr der den Einsatz nur auf mittlere Drehzahlbereiche reduzierende Faktor ist.
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Das heißt, dass durch die erfindungsgemäße Kombination des auf das angegebene Intervall begrenzten Nenndruckwinkels und des auf das angegebene Intervall begrenzten Verhältnisses einerseits ein sowohl in radialer als auch axialer Richtung sehr steifes, hoch tragfestes Kegelrollenlager mit einem stark reduzierten Rollwiderstand vorgeschlagen wird, dessen Einsatzparameter durch Wahl einer entsprechenden Vorspannung in Bezug auf die Lagersteifigkeit wie auch eine entsprechende, geeignete Profilierung der Laufbahnoberfläche und/oder der Kegelrollenoberfläche, die bauchig ausgeführt werden können, weiter verbessert werden können.
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In weiterer Präzisierung kann das Nenndruckwinkelintervall zwischen 22°-28°, insbesondere zwischen 24° - 26° betragen. Ein besonders zweckmäßiger Nenndruckwinkel beträgt bevorzugt 25°.
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Das Intervall des Verhältnisses von Wälzkörperlänge zu Wälzkörperdurchmesser kann in Weiterbildung der Erfindung zwischen 1,02 - 1,1 betragen, wobei bevorzugt der Verhältniswert möglichst klein sein soll. Ein besonders bevorzugtes Verhältnis von Wälzkörperlänge zu Wälzkörperdurchmesser am dicken Rollenende beträgt 1,04.
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Ein Kegelrollenlager weist üblicherweise entsprechende Führungsborde auf, die die Innenring- und Außenringlaufbahnen begrenzen. Im Betrieb kann es zu einem Kontakt der Rollenstirnflächen mit einem Führungsbord kommen. In diesem Kontakt ist eine Überlagerung von Abroll- und Gleitbewegung gegeben. Um in diesem Bereich, in dem eine Grenz- oder Mischreibung beider Kontaktpartner gegeben ist, keinen der Kontaktpartner einem allzu hohen Verschleiß auszusetzen, wobei die Reibung darüber hinaus auch zu einer unzulässig hohen Lagererwärmung führt, sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, die Innen- und die Außenringlaufbahnen und/oder die Kegelrollen mit einer Verschleißschutzbeschichtung zu versehen, wobei diese Verschleißschutzbeschichtung zugleich auch reibungsmindernd wirkt. Es ist bereits ausreichend nur einen der Kontaktpartner, also entweder die Ringe oder die Kegelrollen, mit einer solchen Verschleißschutzbeschichtung zu belegen. Hierüber werden die Kontaktpartner bei Kontakt zwischen Rollenstirn und Führungsbord geschützt, gleichzeitig aber auch das Reibungsniveau reduziert.
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Als eine solche Verschleißschutzbeschichtung kann eine auf Kohlenstoff und Wasserstoff basierende, und gegebenenfalls integrierten Nanopartikeln in Form eines Nitrids, Borids, Karbids oder Silizids enthaltende Verschleißschutzbeschichtung vorgesehen sein. Eine solche Verschleißschutzbeschichtung wird beispielsweise unter den Markennamen „TriondurC+“ und „TriondurCX+“ seitens der Anmelderin eingesetzt, darüber hinaus ist eine solche Verschleißschutzbeschichtung beispielsweise in der Patentanmeldung
DE 10 2006 029 415 A1 der Anmelderin beschrieben, auf die in Bezug auf die Verschleißschutzbeschichtung voll inhaltlich bezuggenommen wird.
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In Weiterbildung der Erfindung können am Innen- und/oder am Außenring ein oder mehrere einen Schmiermitteleintritt in den Wälzlagerbereich erlaubende Bohrungen, insbesondere an einem Bord des Innen- oder Außenrings, vorgesehen sein. Über diese eine, vorzugsweise die mehrere Schmiermittelbohrungen ist eine Schmiermittelversorgung der kritischen Stellen im Wälzbereich möglich. Da ein solcher Bereich der Kontaktbereich zwischen Rollenstirn und Führungsbord ist, binden sich die Schmiermittelbohrungen bevorzugt an den Führungsborden.
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Insgesamt ermöglicht das erfindungsgemäße Rollenlager, insbesondere bei maximaler Auslegung in Bezug auf Nenndruckwinkel, Verhältniswert von Wälzkörperlänge zu Wälzkörperdurchmesser, Verschleißschutzbeschichtung und Schmiermittelbohrungen, den Einsatz solcher Kegelrollenlager in Hochgeschwindigkeitsanwendungen wie insbesondere Werkzeugspindellagerungen. Aufgrund der hohen axialen und radialen Steifigkeit der Kegelrollenlager besteht die Möglichkeit, die übliche Weise in Tandemanordnung verbauten Schrägkugellagerpaare durch ein einziges Kegelrollenlager zu ersetzen. Einerseits weist ein solches Kegelrollenlager eine deutlich höhere radiale und axiale Steifigkeit und damit eine höhere Tragzahl als ein Schrägkugellager bzw. ein Schrägkugellagertandem auf, wobei es sich insbesondere die höhere radiale und axiale Steifigkeit positiv auf eine geringere Wellenverlagerung und Belastung der Werkzeugwelle auswirkt. Andererseits ist auch im Vergleich mit den Schrägkugellagern eine geringere Flächenpressung aufgrund des Linienkontaktes gegeben, was zu einer höheren Lebensdauer führt, das heißt, dass die Kegelrollenlager verglichen mit dem Schrägkugellager Last- und Drehzahl unempfindlicher sind. Dem trägt auch eine nahezu konstante Reibung im gesamten Lastkollektiv bei, wobei die Reibung einerseits durch die erfindungsgemäße, nahezu „quadratische“ Auslegung der Kegelrollengeometrie, andererseits, sofern vorgesehen, durch Einsatz der Verschleißschutzbeschichtung deutlich reduziert ist, verglichen mit handelsüblichen Kegelrollenlagern. Auch ist bei den erfindungsgemäßen Kegelrollenlagern eine nahezu homogene, saubere Käfigkinematik des die Kegelrollen haltenden respektive führenden Käfigs gegeben.
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Neben dem Kegelrollenlager selbst betrifft die Erfindung ferner eine Werkzeugspindelanordnung, umfassend eine Werkzeugspindel, ein Gehäuse und mehrere die Werkzeugspindel im Gehäuse lagernde Wälzlager, wobei als Wälzlager erfindungsgemäß Kegelrollenlager der vorbeschriebenen Art vorgesehen sind.
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Bei der erfindungsgemäßen Werkzeugspindelanordnung ist es möglich, die Werkzeugspindel nur über zwei axial voneinander beabstandete Kegelrollenlager im Gehäuse zu lagern. Das heißt, dass erfindungsgemäß zwei separate Kegelrollenlager die bisher vier in der üblichen Tandem-O-Tandem-Anordnung angeordneten Schrägkugellager (mitunter sind auch mehr als vier solche Schrägkugellager vorgesehen) ersetzen können, bei vergleichbarer oder sogar noch besserer Lagerperformance.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen in:
- 1 eine Prinzipdarstellung, geschnitten, eines erfindungsgemäßen Kegelrollenlagers,
- 2 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Werkzeugspindelanordnung, und
- 3 eine Werkzeugspindelanordnung gemäß Stand der Technik.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Kegelrollenlager 1 in einer Schnittansicht. Das Kegelrollenlager 1 umfasst einen Innenring 2 mit einer Innenringlaufbahn 3 sowie einen Außenring 4 mit einer Außenringlaufbahn 5. Auf den Laufbahnen 3, 5 wälzen Kegelrollen 6, die in einem Käfig 7 geführt sind. Die Kegelrollen 6 sind über zwei am Innenring 2 ausgebildete Borde 8, 9 geführt.
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Die beiden Laufbahnen 3, 5 sind jeweils mit einer Verschleißschutzbeschichtung 10, 11 versehen, die zugleich reibungsmindernde Eigenschaften aufweist. Hierzu kann beispielsweise eine Verschleißschutzbeschichtung, wie in DE 10 2006 029 415 A1 beschrieben respektive unter dem Markennamen „TriondurC+“ oder „TriondurCX+“ von der Anmelderin eingesetzt, verwendet werden.
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Die Kegelrollen 6 weisen eine spezifische Geometrie auf, was das Verhältnis von Wälzkörperlänge Lw zu Wälzkörperdurchmesser am dicken Rollenende Dw angeht. In 1 ist einerseits die Wälzkörperlänge Lw, die über die dünne und dicke Rollenstirnfläche definiert ist, dargestellt. Der Wälzkörperdurchmesser Dw wird an der Position vom dicken Rollenende bestimmt. Das Verhältnis von Lw/Dw beträgt 1,0 - 1,1, vorzugsweise 1,02 - 1,1 und insbesondere 1,04. Das heißt, dass näherungsweise die Wälzkörperlänge Lw gleich dem Wälzkörperdurchmesser Dw ist, bevorzugt wird ein Verhältnis möglichst nahe 1,0.
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Darüber hinaus ist auch ein spezifischer Nenndruckwinkel α vorgesehen, der zwischen 20°-30° liegt. Bevorzugt liegt der Nenndruckwinkel zwischen 22°-28°, insbesondere zwischen 24° - 26° und insbesondere bei 25°.
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Über den Nenndruckwinkel α, gegebenen Falls in Verbindung mit einer entsprechenden Vorspannung des Kegelrollenlagers 1, wird eine extrem hohe axiale und radiale Steifigkeit ausgebildet. Durch Wahl des erfindungsgemäß vorgesehenen Verhältnisses Lw/Dw wird die Rollreibung respektive die Gesamtreibung des Kegelrollenlagers 1 stark reduziert, wobei dieser Reibungsreduzierung zusätzlich die aufgebrachten Verschleißschutzbeschichtungen 10, 11 zuträglich sind. Insgesamt ergibt sich ein hoch tragfähiges, axial und radial sehr steifes Kegelrollenlager mit einer sehr geringen Flächenpressung resultierend aus dem Verhältnis Lw/Dw, das Last- und Drehzahl unempfindlich ist und eine sehr geringe Reibung, verglichen mit bisher bekannten Kegelrollenlager, aufweist. Daher ist das erfindungsgemäße Kegelrollenlager für einen Einsatz in Hochgeschwindigkeitslageranwendungen geeignet.
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Wie in 1 ferner gestrichelt gezeigten ist, kann eine oder können mehrere einen Schmiermitteleintritt in den Wälzbereich erlaubende Bohrungen 19 vorgesehen sein, die bevorzugt an einem Bord 8, 9 ausgebildet sind. Über diese Bohrungen 19 ist ein Schmiermittelzutritt unmittelbar in den Wälzbereich und insbesondere im Bordbereich möglich, wo die Stirnflächen der Kegelrollen 6 gegen den jeweiligen Bord 8, 9 laufen.
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Eine solche erfindungsgemäße Hochgeschwindigkeitslageranordnung in Form einer erfindungsgemäßen Werkzeugspindelanordnung 12 ist in 2 gezeigt. Dargestellt ist eine Werkzeugspindel 13, die in einem hier nur angedeuteten Gehäuse 14 über zwei erfindungsgemäße Kegelrollenlager 1 gelagert ist, die hier in einer O-Anordnung positioniert sind. Aufgrund der vorstehend beschriebenen Eigenschaften insbesondere in Bezug auf die hohe Tragzahl, die hohe radiale und axiale Steifigkeit sowie die relativ geringe Reibung ist es möglich, eine solche Werkzeugspindel 13 nur über zwei Kegelrollenlager 1 zu lagern, anstelle wie bisher üblichen mehrere Schrägkugellager vorzusehen.
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Ein Beispiel für eine solche Werkzeugspindelanordnung gemäß Stand der Technik ist in 3 gezeigt. Die dort gezeigte Werkzeugspindelanordnung 15 weist ebenfalls eine Werkzeugspindel 16 auf, die in einem Gehäuse 17 gelagert ist, wobei hier vier Schrägkugellager 18 verwendet werden, die in einer Tandem-O-Tandem-Anordnung verbaut sind. Je zwei Schrägkugellager 18 bilden ein paar, also ein Tandem, wobei die Schrägkugellager 18 innerhalb des Paares von der Anordnung des Druckwinkels gleich angeordnet sind, die beiden Paare jedoch in eine O-Anordnung positioniert sind. Da sich bei einer solchen vier Schrägkugellager 18 erfordernden Spindellagerung aufgrund der Vielzahl der Schrägkugellager 18 eine beachtliche Reduzierung der Drehzahlgrenze ergibt, ist der Einsatz von nur zwei erfindungsgemäßen Kegelrollenlagern anstelle von vier (oder mehr) Schrägkugellagern von besonderem Vorteil, da mit weniger Bauteilen, nämlich nur zwei Kegelrollenlager, vergleichbare respektive auch bessere Lagerungseigenschaften erreicht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kegelrollenlager
- 2
- Innenring
- 3
- Innenringlaufbahn
- 4
- Außenring
- 5
- Außenringlaufbahn
- 6
- Kegelrollen
- 7
- Käfig
- 8
- Bord
- 9
- Bord
- 10
- Verschleißschutzbeschichtung
- 11
- Verschleißschutzbeschichtung
- 12
- Werkzeugspindelanordnung
- 13
- Werkzeugspindel
- 14
- Gehäuse
- 15
- Werkzeugspindelanordnung
- 16
- Werkzeugspindel
- 17
- Gehäuse
- 18
- Schrägkugellager
- 19
- Bohrung
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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 102006029415 A1 [0015]