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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses
nach Anspruch 1 sowie ein Zylinderkurbelgehäuse nach Anspruch
6.
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Zylinderkurbelgehäuse
in modernen Verbrennungsmotoren sind hohen mechanischen und thermischen
Belastungen ausgesetzt. Aufgrund der mechanischen Belastungen ist
bei Leichtmetallmotoren für die Zylinderlaufbahnen in der
Regel ein verschleißfesterer Werkstoff vorgesehen als für
das restliche Kurbelgehäuse. Es sind Konzepte bekannt, bei
denen Zylinderliner aus Grauguss, warmfesten Al-Legierungen, wie
beispielsweise übereutektischen Al/Si-Legierungen oder
faserverstärkten Al-Legierungen bestehen und in Zylinderkurbelgehäuse
aus kostengünstigen untereutektischen Al-Legierungen oder Mg-Legierungen
eingegossen sind. Neuerdings werden auch Konzepte mit Zylinderkurbelgehäusen
aus Kunststoffen verfolgt. Zur Kühlung verläuft
um eine Zylinderlaufbuchse in der Regel ein Wassermantel, der zur
Kühlung, insbesondere der Zylinderlaufbahn, dient. Dieser
Wassermantel ist bei Kurbelgehäusen, die in einem Druckgießverfahren
hergestellt werden, häufig zylinderkopfseitig offen, so
dass eine open deck-Bauweise entsteht. Der zylinderkopfseitig offene
Wassermantel resultiert daher, dass im metallischen Druckgießwerkzeug bewegliche
Schieber eingesetzt werden, die nach dem Gießen den Wassermantel
im Kurbelgehäuse abbilden. Die Schieber müssen
vor dem Öffnen des Kurbelgehäuses herausgezogen
werden, weshalb keine Hinterschneidungen dem Herausziehen entgegenstehen
dürfen. Deshalb können mit dieser Technik auch
keine geschlossenen Räume dargestellt werden.
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Der
offene Wassermantel führt zu einer Begrenzung der mechanischen
Belastbarkeit der Motoren. Besser sind daher closed deck-Bauweisen,
die einen zumindest teilweise geschlossenen Wassermantel aufweisen.
Gießtechnisch sind derartige closed deck Kurbelgehäuse
nur sehr schwierig darstellbar.
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In
der
DE 102 21 674
B4 und in der
DE
102 33 359 A1 werden Zylinderkurbelgehäuse in
closed deck Bauweise beschrieben. Hierbei wird zunächst ein
Zylinderliner vorgegossen. Aufgrund der teilweise geschlossenen
Konstruktionsweise des Zylinderliners, muss dieser durch Sand- oder
Kokillenguss und nicht durch Druckguss hergestellt werden. Der Umguss
des vorgegossenen Zylinderliners erfolgt darauf mittels Druckguss.
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Das
Druckgießverfahren stellt in der Massenfertigung gegenüber
dem Sand- oder Kokillenguss, das wirtschaftlichere Verfahren dar
und sollte daher auch auf die Herstellung des Zylinderliners anwendbar
sein.
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Beim
Eingießen des Zylinderliners im Druckgussverfahren tritt
das Problem auf, dass die im Zylinderliner angeordneten Hohlräume
der Wassermäntel eine mechanische Schwächung des Zylinderliners
in der Weise darstellen, dass die Außenwand der Wassermäntel
durch die Gießschmelze eingedrückt werden kann.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Zylinderkurbelgehäuse
in closed-deck-Bauweise bereitzustellen, das sich gegenüber
dem Stand der Technik durch geringere Herstellungskosten und verbesserte
Gussqualität auszeichnet.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren
zur Herstellung eines Leichtmetall- oder Kunststoff-Zylinderkurbelgehäuses
(2) einer Brennkraftmaschine in einer closed deck-Bauweise, mit
den Schritten
- – Gießen eines
Zylinderliners (4) unter Verwendung von Salzkernen, die
zumindest den Hohlräumen der Wassermäntel entsprechen,
- – Umgießen des vorgegossenen Zylinderliners
im Druckgießverfahren mit einer Leichtmetallschmelze zur
Darstellung des Zylinderkurbelgehäuses (2) in
closed deck-Bauweise, mit den Merkmalen des Anspruchs 1,
durch
ein Zylinderkurbelgehäuse in closed deck-Bauweise mit den
Merkmalen des Anspruchs 9,
sowie Zylinderlinern aus einer warmfesten
Al-Legierung zum Eingießen in Kurbelgehäuse in
closed deck-Bauweise gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit
zweckmäßigen und nichttrivialen Weiterbildungen
der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen
angegeben.
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Nach
dem Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses
in closed deck-Bauweise wird ein Zylinderliner in einem Druckgießprozess
hergestellt und in ein weiteres Druckgießwerkzeug eingelegt,
wobei anschließend ein äußeres Gehäuse
um den Zylinderliner herum gegossen wird. Wesentlich ist dabei,
dass der Zylinderliner vor dem Einguss in das Kurbelgehäuse
keine größeren Hohlräume mehr aufweist,
da diese erfindungsgemäß mit Salzkernen ausgefüllt
sind. Die Salzkerne stützen insbesondere den Wassermantel
wirkungsvoll gegen den Gießdruck ab. Darüber hinaus
verhindern die Salzkerne ein unerwünschtes Eindringen von
Gießschmelze in die Hohlräume an fehlerhaft abgedichteten
Gießformkontaktflächen. Der Salzkern verbleibt
währen des Druckgießens des Zylinderkurbelgehäuses
im Zylinderliner, was die Stabilität des Zylinderliners
während des Umgießens – bei dem hohe
Drücke auftreten – verbessert und die Prozesssicherheit
erhöht. Zudem sind auf diese Weise deutlich dünnwandigere
Kanalstrukturen eines Wassermantels zu realisieren.
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Ein
weiterer erheblicher Vorteil der Erfindung gegenüber dem
Stand der Technik besteht darin, dass bei Großserienmotoren
die Darstellung des Zylinderliners im Druckgießverfahren
kostengünstiger ist als ein druckloses Gießverfahren.
Im Vergleich zu sandgegossenen Zylinderlinern ist auch die Oberflächengüte
deutlich verbessert. Insbesondere bilden sich keine störenden
Anhaftungen und Verbackungen der Gussoberfläche mit dem
Sand der Sandformen.
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Unter
Zylinderlinern wird hierbei das Halbzeug zum Einsetzen in ein weiteres
Gießwerkzeug verstanden. Der Zylinderliner stellt den Bereich
der Zylinderbohrung dar und umfasst hierbei mehrere aneinander gereihte
Zylinderbohrungen ggf. mit Zylinderlaufbuchsen und einen Wassermantel,
sowie die Stege zwischen den Zylinderbohrungen.
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Ein
weiterer besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen
Verfahrens liegt darin, dass der Salzkern sowohl nach dem ersten
wie auch nach dem zweiten Gießprozess einfach und rückstandsfrei
herauslösbar ist. Erst hierdurch wird es möglich,
nahezu geschlossene Hohlräume im Zylinderliner zu realisieren,
wie insbesondere für closed deck-Bauweisen für den
Wassermantel erforderlich. Für das Auflösen des Salzkerns
sind die Medienanschlüsse der Kühlflüssigkeit
des Wassermantels ausreichend.
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Bei
den Salzkernen handelt es sich typischerweise um Alkalichloride,
insbesondere NaCl und/oder KCl, alleine oder in Mischung. In vorteilhafter
Ausgestaltung sind zudem Lösungshilfsmittel oder Verstärkungsadditive
enthalten. Lösungshilfsmittel können beispielsweise
mit dem wässrigen Lösungsmittel gasende Substanzen
sein, wie beispielsweise Ca-Carbonat mit sauren wässrigen
Lösungen. Verstärkungsadditive können
beispielsweise mineralische Kurzfasern sein.
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Es
kann zweckmäßig sein, als Lösungsmittel saure
wässrige Lösungen zu verwenden, um durch Anätzen
der Aluminiumoberflächen die vollständige Entfernung
des Salzkerns, bzw. der Gusshaut unterstützen. Hier sind
beispielsweise salzsaure, essigsaure oder citronensaure Lösungen
besonders günstig.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
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1 eine
schematische Perspektivansicht eines Salzkerns zur Einlage in ein
Druckgießwerkzeug und zur Darstellung eines Zylinderliners;
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2 eine
schematische Perspektivansicht auf einen im Druckgießverfahren
gegossenen Zylinderliner mit einem umgossenen Salzkern; und in
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3 eine
schematische Perspektivansicht auf ein Zylinderkurbelgehäuse
mit einem umgossenen Zylinderliner gemäß 2.
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Das
Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses
basiert auf folgenden Verfahrensschritten:
Zunächst
wird ein in 1 in einer schematischen Perspektivansicht
gezeigter Salzkern 6 in ein hier nicht dargestelltes erstes
Druckgießwerkzeug eingelegt. Dieses erste Druckgießwerkzeug
dient zur Herstellung eines Zylinderliners 4, welcher in 2 in
einer schematischen Perspektivansicht gezeigt ist. Der Zylinderliner 4 mit
dem Salzkern 6 wird anschließend in ein zweites,
ebenfalls nicht dargestelltes Druckgießwerkzeug eingelegt,
das zur Darstellung eines in 3 in einer
schematischen Perspektivansicht gezeigten Zylinderkurbelgehäuses 2 dient.
Hierbei wird der Zylinderliner 4 von dem Gießmetall
umgossen und im endgültigen Zustand von einem äußeren
Gehäuse 10 des Zylinderkurbelgehäuses 4 umgeben.
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Im
Weiteren soll nun auf die einzelnen Verfahrensschritte und Halbzeuge
näher eingegangen werden:
Der Kern 6 gemäß 1 ist
ein hochfester Salzkern aus einem anorganischen Material inklusive
entsprechender Bindemittel und Härtungsmittel, der durch ein
herkömmliches Kernherstellungsverfahren wie Kernschießen
oder Pressen hergestellt wird. Dieser Kern 6 ist in Wasser
oder in einer anderen Flüssigkeit löslich.
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Der
Kern 6 ist in dem Beispiel nach 1 so ausgestaltet,
dass er einen Wassermantel 8 eines 4-Zylinder-Kurbelgehäuses 2 abbildet.
Hierbei weist dieser eine ringförmige Mantelflächen 11 auf,
die im fertigen Zylinderkurbelgehäuse 2 Hohlräume
für den Wassermantel 8, der sich um die einzelnen
Zylinderlaufbuchsen legt, bilden. Die Mantelflächen 11 sind mittig
durch Kanäle 14 verbunden. Bei den Kanälen 14 handelt
es sich um besonders dünne und empfindliche Strukturen,
die im Druckgießverfahren schwer darstellbar sind. Ferner
weist der Salzkern 6 noch zinnenförmige Erhebungen 12 auf,
die im fertigen Bauteil Durchgangsöffnungen 16 bilden
(siehe 3). Durch diese Durchgangsöffnungen 16 kann Kühlwasser
vom Zylinderkurbelgehäuse 2 in einen nicht dargestellten
Zylinderkopf fließen. Ferner umfasst der Kern 6 noch
einen Wasserzulauf 15.
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Das
erste Gießwerkzeug zu Herstellung des Zylinderliners 4 ist
so ausgestaltet, dass der Kern 6 in dieses eingelegt werden
kann und an den Werkzeugwänden abgestützt wird.
Hierbei ist das Werkzeug konstruktiv derart ausgelegt, dass beim
Einströmen des Gießmetalls keine besonderen Biegemoment- Spitzen
am Kern 6 auftreten. Der Kern 6 bleibt beim Druckgießen
des Zylinderliners 4 unbeschädigt und wird mit
dem gegossenen Zylinderliner 4 entformt. Dieses so entstandene
Halbzeug ist in 2 dargestellt.
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Im
nächsten Verfahrensschritt wird der Zylinderliner 4 mit
dem eingeschlossenen und umgossenen Kern 6 in das zweite
Druckgießwerkzeug eingelegt und wiederum mit Gießmetall
umgossen. Die Tatsache, dass der Kern 6 im zweiten Gießverfahren noch
im Zylinderliner 4 enthalten ist, führt dazu,
dass der Zylinderliner 4 höheren Drücken
beim Druckgießen standhält, wodurch wiederum dünnwandigere und
filigranere Strukturen darstellbar sind. Derartig feine Kanalstrukturen
sind mit Zylinderlinern, die im Sandgussverfahren hergestellt werden,
schwerer zu realisieren. Ferner wird durch das Belassen des Kernes 6 im
Zylinderliner 4 verhindert, dass Schmelze in den Wassermantel 8 eintritt
und diesen verstopft.
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Nach
dem Entformen dieses Bauteils wird der Kern 6 in einem
Wasserbad oder unter hohem Wasserdruck herausgelöst. Hierbei
entsteht das Zylinderkurbelgehäuse 2, das in 3 dargestellt
ist. Das Zylinderkurbelgehäuse 2 umfasst das äußere Gehäuse 10 und
den Zylinderliner 4. Der Zylinderliner 4 wird
von Hohlräumen durchzogen, die der Geometrie des Kerns 4 entsprechen
und den Wassermantel 8 zu Beförderung des Kühlwassers
während des Motorbetriebes bilden. Dieser Wassermantel 8 ist
in der Darstellung nach 3 nicht näher zu erkennen.
Lediglich die Durchgangsöffnungen 16 zum Zylinderkopf,
die auf die zinnenförmigen Erhebungen 12 des Kerns 6 zurückzuführen
sind, sind in 3 abgebildet.
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Unter
Stegen 18, die einzelne Zylinderbohrungen 20 von
einander trennen, sind sehr dünne Wasserkanäle
geführt, die aus den Kanälen 14 des Kerns 6 resultieren
und die eine direkt Kühlung der Stege 18 ermöglichen.
Eine derartige Kühlung muss bei herkömmlichen
Zylinderkurbelgehäusen durch eine aufwendige nachträgliche
Kühlbohrung realisiert werden.
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In 3 ist
auch gut zu erkennen, dass es sich bei dem hergestellten Zylinderkurbelgehäuse um
eine „closed deck"-Konstruktion handelt. Im oberen Bereich
des Zylinderkurbelgehäuses 2 sind im Gegensatz
zu herkömmlichen Zylinderkurbelgehäusen in open
deck-Konstruktion, bei denen der gesamte Wassermantel nach oben
offen ist, lediglich die Durchgangsöffnungen 16 als Öffnungen
vorhanden.
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Eine
derartige „closed deck"-Konstruktion lässt sich
aufgrund der benötigten Schieber im herkömmlichen
Druckgießverfahren nicht realisieren. Durch die im Stand
der Technik beschriebenen Zylinderliner, die im Sandgussverfahren
hergestellt werden, sind derartige Verfahren sehr teuer. Durch den Einsatz
des hochfesten Salzkerns 6 können auch im Druckgießverfahren
sehr dünne Stege – wie die Kanäle 14 – dargestellt
werden. Die Festigkeit, die mechanische Belastbarkeit und die Temperaturbeständigkeit
des Zylinderkurbelgehäuses 2 hebt sich bei geringern
Herstellungskosten deutlich vom Stand der Technik ab.
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Ein
weiterer Vorteil des beschriebenen Verfahrens besteht darin, dass
für den Zylinderliner 4 ein anderer Werkstoff
verwendet werden kann als für das äußere
Gehäuse 10. So ist es möglich, für
den Zylinderliner 4 eine hochfeste, bzw. warmfeste, auch übereutektische
Aluminiumlegierung zu verwenden, durch deren Einsatz gegebenenfalls
auch auf den weiteren Einsatz einer hier nicht näher beschriebenen
separaten Zylinderlaufbuchse verzichtet werden kann. Dies würde
einen weiteren Kostenvorteil darstellen.
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Das äußere
Gehäuse 10, das nicht den selben hohen mechanischen
und thermischen Belastungen ausgesetzt ist wie der Zylinderliner 4,
kann durch eine kostengünstigere Aluminiumlegierung, Magnesiumlegierung
oder auch durch Kunststoff dargestellt werden. Unter den Kunststoffen
sind Glas- oder Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe
bevorzugt, wobei hier anstelle eines typischen Gießprozesses
ein BMC-Prozess oder ein RTM-Prozess zum Einsatz kommt.
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Unter
Betrachtung der Möglichkeit, Zylinderliner 4 und äußeres
Gehäuse 10 aus unterschiedlichen Legierungen darzustellen,
ist es zudem zweckmäßig zur Reduktion des Bauteilgewichtes
das äußere Gehäuse 10 aus einer
sehr leichten aber nicht so temperaturbeständigen Magnesiumlegierung
oder Kunststoff herzustellen. So wird das Gewicht des Zylinderkurbelgehäuses 2 noch
einmal deutlich reduziert.
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Der
Zylinderliner 4 kann auch senkrechte Durchgangsbohrungen
enthalten, die gegebenenfalls auch durch den Kern 6 dargestellt
werden können. Derartige Durchgangsbohrungen können
später Gewinde zur Befestigung an anderen Bauteilkomponenten
enthalten oder sie können als durchgehende Bohrungen vom
Zylinderkopf durch das Zylinderkurbelgehäuse 2 verlaufen
und zur Befestigung von Zugankern dienen.
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Eine
weitere Ausgestaltung der Salzkerne (6) für den
Wassermantel sieht Oberflächenstrukturen in Form von Nuten
oder Ausnehmungen vor. Hierdurch werden gezielt Oberflächestrukturen
auf den Innenseiten des Wassermantels gebildet. Diese können
zur Verbesserung des Kühlmitteldurchflusses dienen. Die
Oberflächenstrukturen sind insbesondere zur Zwangsdurchmischung
bzw. Turbulenzbildung des durchströmenden Kühlwassers
ausgelegt. Hierdurch wird die durch lokale Überhitzung
des Kühlmittels ausgelöste Kavitation, die zu
einer Schädigung des Wassermantels führen kann,
verringert. Das rückstandslose Entfernen des Gießkern-Materials
innerhalb der unzugänglichen Hohlräume des Wassermantels
ist für konventionelle Sandkerne nahezu unmöglich,
im Gegensatz zu den erfindungsgemäß angewendeten
Salzkernen.
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Eine
weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Salzkerne des Wassermantels
quer verlaufende Kanäle oder Durchtritte aufweisen. Hierdurch
werden beim Gießen des Zylinderliners Stege gebildet, die beide
Innenwandungen des Wassermantels gegeneinander abstützen.
Diese Querkanäle des Salzkerns, die nach dem Gießen
des Zylinderliners Stützstegen im Wassermantel bilden sind
durch herkömmliche Herstellungsverfahren kaum darstellbar.
Sie tragen zu einer Verbesserung der Stabilität des Liners und
auch einer verbesserten Durchmischung der Kühlflüssigkeit
bei.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Zylinderliner aus einer warmfesten
Al-Legierung zum Eingießen in Kurbelgehäuse in
closed deck-Bauweise, wobei der Zylinderliner (4) zumindest
in den Räumen des Wassermantels Salzkerne (6)
enthält.
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Ein
derartiger Zylinderliner ist aufgrund seiner Stabilität
insbesondere gut für den Druckguss geeignet.
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Bevorzugt
enthält der Zylinderliner bereits die mit Salzkernen gefüllten
Ausnehmungen und Pfeifen, welche für die spätere
Befestigung am Zylinderkopf oder Lagerstuhl erforderlich sind.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass nur zylinderkopfseitig
Pfeifen für Befestigungsschrauben angeordnet sind. Die
Befestigung auf der Seite des Lagerstuhls erfolgt mit dem Umgussmaterial
des Kurbelgehäuses.
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- 2
- Zylinderkurbelgehäuse
- 4
- Zylinderliner
- 6
- Salzkern
- 8
- Wassermantel
- 10
- äußere
Gehäuse
- 11
- ringförmige
Mantelflächen
- 12
- zinnenförmige
Erhebungen
- 14
- Kanäle
- 15
- Wasserzulauf
- 16
- Durchgangsöffnungen
- 18
- Stege
- 20
- Zylinderbohrungen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10221674
B4 [0004]
- - DE 10233359 A1 [0004]