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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Raumform eines
Werkstücks, wobei Raumkoordinaten von Oberflächenpunkten
des Werkstücks gemessen und mit vorgegebenen Raumflächen
oder -kurven korreliert werden und wobei die Raumform anhand einer
Korrelation der Raumkoordinaten mit den Raumflächen oder
-kurven beschrieben wird.
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Im
Rahmen der Bearbeitung eines Auftrags zum Nachschärfen
eines abgenutzten Werkstücks, beispielsweise eines Bohrers,
eines Drehmeißels oder eines Fräskopfes ist im
Nachschärfbetrieb häufig weder der Typ der Werkstücks,
noch dessen ursprüngliche Geometrie, insbesondere nicht
die ursprüngliche Schneidengeometrie bekannt. Im Allgemeinen
werden solche Werkzeuge durch geschulte oder zumindest erfahrene
Bearbeiter im Nachschärfbetrieb durch „scharfes
Hinsehen" typisiert und anschließend durch spanende Bearbeitung,
insbesondere durch Schleifen geschärft, wobei eine mehr
oder weniger dem Ursprungszustand entsprechende Schneidengeometrie
wieder hergestellt wird.
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Allgemein
bekannt sind Verfahren zum Erfassen der Raumform durch eine sogenannte
Punktwolke, also von Raumkoordinaten zu einer Vielzahl von Oberflächenpunkten
aus optischen oder taktilen Messverfahren.
DE 102 03 018 A1 schlägt
vor, zum Erfassen eines Werkstücks optisch aufgenommene – flächige – Einzelbilder
auszuwerten und in einer entsprechenden Datenstruktur zu dreidimensionalen Strukturdaten
zu kombinieren,
DE
102 12 004 A1 offenbart die Kombination von Teilbildern
optischer Auflichtaufnahmen und
DE 199 14 862 A1 die Interpolation eines
dreidimensionalen Konturverlaufs aus Messpunkten.
DE 196 26 140 A1 offenbart
die Positionierung eines Werkstücks am Bildschirmarbeitsplatz
durch automatische oder manuelle Auswertung der Bilder einer Videokamera.
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Ein
computerunterstütztes Verfahren zur Bestimmung einer Raumform
eines Werkstücks ist beispielsweise in Systemen der E.
Zoller GmbH, Freiberg/DE mit „saturn 2"-Bildverarbeitungstechnologie realisiert.
Gemessene Raumkoordinaten eines Schneidwerkzeugs werden in diesen
Systemen automatisch mit einer manuell vorzugebenden Sollkontur des
Schneidwerkzeugs korreliert und das Schneidwerkzeug wird anhand
der Abweichung der Raumkoordinaten von dieser Sollkontur beschrieben.
Speziell für Schleifbetriebe steht eine Bibliothek von
Messprogrammen mit derartigen Sollkonturen für verschiedene
Standardschneidwerkzeuge zur Verfügung.
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Die
bekannten Verfahren können einen Beitrag zur Automation
den Nachschärfens leisten, wenn das betrachtete Werkzeug
im Wesentlichen bereits bekannt, zumindest aber typisiert – also
in seinen wesentlichen Eigenschaften prinzipiell beschrieben – und
die Spannbreite der möglichen Parameter gering ist. Insbesondere
ist es bekannt, in einer Bearbeitungsvorrichtung einzelne vollständig
vermaßte Geometrien von rotationssymmetrischen Normwerkzeugen
zu hinterlegen. Die bekannten Verfahren bewegen sich ausschließlich
im Bereich der rotatorisch arbeitenden Standard-Schneidwerkzeuge
(Bohrer, Schaft- und Kugelstirnfräser etc. gemäß Norm
bzw. Standards/Normen zu den "technischen Lieferbedingungen").
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Aufgabe
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die automatische Erkennung
unbekannter Werkstücke zu ermöglichen.
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Lösung
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Ausgehend
von den bekannten Verfahren wird nach der Erfindung vorgeschlagen,
dass benachbarte Raumkoordinaten zu Gruppen zusammengefasst und
eine Mehrzahl von best-fit-Raumflächen oder -kurven, die
jeweils maximal mit den Raumkoordinaten einer der Gruppen korrellieren, ausgewählt
werden, und dass die Raumform abschnittsweise anhand der Korrelation
mit den best-fit-Raumflächen oder -kurven beschrieben wird. Durch
die Aufteilung einer Punktwolke in Gruppen und deren Korrelation
mit Raumflächen oder -kurven geringer geometrischer Komplexität
ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren
die automatische Bestimmung einer – nur durch die zur Verfügung
stehende Rechenkapazität faktisch beschränkt – nahezu
beliebig komplexen Raumform eines unbekannten Werkstücks.
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Gemäß dem
erfindungsgemäßen Verfahren werden die gemessenen
Raumkoordinaten geometrisch ausgewertet. Anstelle der aus dem Stand
der Technik bekannten Standardwerkzeug- und Teiledaten steht ein
Baukasten zur beliebigen Kombination von Grundstrukturen mit Bibliotheken
mit Geometriemustern (z. B. zur Beschreibung beliebiger Übergänge
in Werkstückgeometrien wie Verrundungen, Fasen, Freistichen,
Formelementen) bereit. Durch Vergleich der gemessenen Punktewolke
mit den hinterlegten Strukturen und Geometriemustern wird automatisch
die reale (3D-)Gesamtgeometrie ermittelt.
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Die
vorgegebenen Raumflächen oder -kurven sind mathematisch
betrachtet zwei- oder eindimensionale Mannigfaltigkeiten im dreidimensionalen Raum.
Im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens können
Raumkoordinaten einer Gruppe Oberflächenpunkten auf einer
Messkurve oder auf einer Schnittkante eines Schnitts durch das Werkstück zugeordnet
sein. Die Raumkoordinaten solcher Gruppen können mathematisch
besonders einfach mit (eindimensionalen) Raumkurven korreliert werden.
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Alternativ
können Raumkoordinaten einer Gruppe Oberflächenpunkten
auf einer umgrenzten Teiloberfläche des Werkstücks,
beispielsweise Funktionsbereichen des Werkstücks zugeordnet
sein. Die Raumkoordinaten solcher Gruppen können intuitiv besonders
einfach mit (zweidimensionalen) Raumflächen korreliert
werden.
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Bevorzugt
werden im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens
beim Korrelieren der Gruppen mit den Raumflächen oder -kurven
Werte von fertigungstechnischen und/oder geometrischen Parameter
der Raumflächen oder -kurven variiert, insbesondere die
Raumflächen oder -kurven im Raum als Ganzes skaliert, rotiert
und/oder positioniert. Durch die Variation der Parameter kann die Zahl
der in der Bearbeitungsvorrichtung hinterlegten Raumflächen
oder -kurven gering gehalten werden.
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Besonders
bevorzugt wird im Rahmen eines solchen erfindungsgemäßen
Verfahrens die Raumform zumindest auch durch ermittelte Werte der
Parameter der best-fit-Raumflächen oder -kurven beschrieben.
Ein solches erfindungsgemäßes Verfahren ermöglicht
eine – im Gegensatz zur Nennung von Oberflächenkoordinaten – sowohl
für den Verwender des Werkstücks anschauliche,
als auch für die Definition eines Schleifprogramms unmittelbar
verwendbare Beschreibung des Werkstücks.
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Das
im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens beschriebene
Werkstück kann insbesondere eine Schneide oder mehrere
Schneiden aufweisen und mindestens eine Raumfläche oder
-kurve eine Schneidkante umfassen. Ein solches erfindungsgemäßes
Verfahren ermöglicht die automatisierte Bestimmung der
Raumform eines Schneidwerkzeugs.
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Im
Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist
vorzugsweise mindestens ein Teilbereich einer best-fit-Raumfläche
oder -kurve als Verfeinerungsbereich definiert und die Gruppen werden
mit vorgegebenen Verfeinerungsflächen oder -kurven der
best-fit-Raumfläche oder -kurve korreliert. Beispielsweise
bei der Bestimmung der Raumform eines Schneidwerkzeugs ermöglicht
ein solches erfindungsgemäßes Verfahren die gezielte
detaillierte Vermessung der fertigungstechnisch relevanten Oberflächenbereiche,
insbesondere einer Schneidkante.
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In
dem Verfeinerungsbereich werden im Rahmen eines solchen erfindungsgemäßen
Verfahrens vorzugsweise Raumkoordinaten von Ergänzungspunkten
des Werkstücks gemessen, die Gruppen durch die Raumkoordinaten
der Ergänzungspunkte ergänzt und die ergänzten
Gruppen mit den Verfeinerungsflächen oder -kurven korreliert.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird so quasi mehrstufig mit
steigender geometrischer Genauigkeit, aber jeweils unter Verwendung
der prinzipiell identischen Algorithmen ausgeführt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht
den vollautomatischen Aufbau der Geometrie beliebiger rotatorisch
oder translatorisch arbeitender Schneidwerkzeuge, beispielsweise
Verzahnwerkzeuge, Schneidplatten und rotationssymmetrischer Präzisionsteile
und artverwandter Werkstücke, die Anbindung einer messtechnischen
Auswertung aus digitalen (3D-)Messdaten sowie von entsprechenden Parametersätzen
zur Re-Parametrierung, Variantenbildung (Dimensions- und/oder Gestaltvarianten) und/oder
Weiterverarbeitung zu Messprogrammen und/oder Fertigungsprogrammen
(NC-Programme beispielsweise für das Drehen, Fräsen,
Schleifen, Hinterschleifen und Erodieren). Ein Normbezug ist nicht
erforderlich, beispielsweise ist auch ein Sonder-Stufenbohrer mit
Formelementen an der Stufenstirn aus den Messdaten automatisch aufbaubar.
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Ausführungsbeispiel
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels
erläutert. Das erfindungsgemäße Verfahren
ist in einer Bearbeitungsvorrichtung, hier beispielhaft in einer
CNC-Schleifmaschine mit integrierter Messeinrichtung im Wesentlichen
auf handelsüblicher Computerhardware implementiert. In
dieser Bearbeitungsvorrichtung können mit Hilfe des erfindungsgemäßen
Verfahrens neben rotationssymmetrischen Normwerkzeugen auch die
Raumformen von Bohr- und Fräsköpfen, Schneidelatten,
Düsennadeln und Stellelementen bestimmt werden.
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Je
nach Anwendungsfall wird das das erfindungsgemäße
Verfahren realisierende Computerprogramm auch in einer Messvorrichtung
oder separat an einem mit den Mess- und/oder Bearbeitungsvorrichtungen
vernetzten Arbeitsplatz eingesetzt. Der Einsatz in einer Messvorrichtung
vereinfacht insbesondere die unmittelbare Kopplung mit der Steuerung
der Messvorrichtung, um beispielsweise an erkannten Schneidkanten
eine verfeinerte Bestimmung der Schneidengeometrie zu initiieren.
Der Einsatz im Wesentlichen desselben Computerprogramms in einem
separaten Arbeitsplatz – insbesondere auch bei einem externen
Dienstleister – vereinfacht die weitere Verwendung der
bestimmten Raumform, beispielsweise zur Entwicklung ähnlicher
Raumformen durch Variation von deren Parametern und Hinzufügen, Ändern
oder Entfernen von erkannten Funktionsmerkmalen.
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Die
Bearbeitungsvorrichtung nimmt zunächst mittels einer CCD-Kamera
die Geometrie des durch den Maschinenbediener manuell eingespannten
Werkstücks auf und bestimmt hieraus in mehreren definierten
Schnitt- und/oder Projektionsebenen jeweils digitale Raumkoordinaten
von Oberflächenpunkten des Werkstücks. Zu den
eingelesenen Punkten werden geometrische Ausgleichselemente berechnet.
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Nach
Bestimmung von best-fit-Raumkurven werden in den dort vorgegebenen
Verfeinerungsbereichen mittels optischer oder taktiler Sensoren
die Raumkoordinaten von Ergänzungspunkten bestimmt. Insbesondere
werden zusätzlich Winkelpositionen zu jedem Schneidenpunkt
bestimmt.
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Die
Bearbeitungsvorrichtung unterbreitet dem Bediener nach Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form von Piktogrammen
Vorschläge für die Typisierung des zu messenden
Werkstücks. Hierzu baut die Bearbeitungsvorrichtung automatisch
eine konkret bemaßte und parametrierte Skizze zur Ist-Geometrie
und zu den gemessenen Schnitten auf.
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Die
Bearbeitungsvorrichtung ermöglicht über das jeweils
zugehörige Parameterprogramm über Um- und Nachparametrierung
eine Modifikation dieser Skizze zum Soll-Werkstück. Sowohl
die Skizze, als auch die Sollgeometrie kann unter Einbeziehung der
eingelesenen Winkelpositionen zur Durchführung von Nach-
und/oder Zusatzmessungen verwendet werden. Hiermit ergibt sich die
Möglichkeit zur automatischen Positionierung zur Erfassung
von Nut- und Stollenmaßen.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren berechnet die
Bearbeitungsvorrichtung geometrische Ausgleichselemente zu der eingelesenen
oder aus einem Messgerät automatisch übertragenen
Punktewolke für eine beliebige Anzahl am Werkstück
beliebig in Achsrichtung und/oder am Umfang verteilter Schneiden.
Hierzu wird automatisch die Elementstruktur mit möglichen
Elementstrukturen aus hinterlegtem, flexiblem Geometriebaukasten
unter Einbeziehung von Bibliotheken mit Geometriemustern verglichen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht
den automatischen Aufbau einer Werkzeug- oder Werkstückskizze
und die interaktive, feste Zuordnung eines vordefinierten Werkstück-
oder Teiletyps. Maße und Parameter werden automatisch der erstellten
Skizze zugeordnet.
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Gemessene
Geometrien und Teilgeometrien können über Parameter
oder CAD-Daten zur Komplettgeometrie ergänzt werden. Bei
2D-Messungen ist die Komplettierung der Teile-Information durch
die dritte Dimension beschreibende Parameter und/oder CAD-Daten
möglich.
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Die
Skizze (Ist-Geometrie) kann interaktiv zur Teilezeichnung (Soll-Geometrie)
umdefiniert und zusammen mit der automatisch erstellten Parameterliste
zur Re- Parametrierung oder zur Erstellung von Varianten bzw. für
das Re-Engineering bereitgestellt werden.
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Standardwerkzeuge
und Standardschneidplatten können ebenso wie Sonderwerkstücke,
die ganz oder bereichsweise anwendungsspezifisch in Baukastenstrukturen/Mustern
hinterlegt sind, automatisch aus der Skizze zur Prüfzeichnung
mit den zusätzlichen werksücktypischen Merkmalen
(Spanwinkel, Freiwinkel, Hinterschliff etc.) ergänzt werden.
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Unter
Verwendung geeigneter Schnittstellen kann die Prüfzeichnung
automatisch in ein entsprechendes Messprogramm (Zusatzmessungen,
gezielte Messung von definierten Merkmalen an gleichen Teilen) umgesetzt
und dieses an die Messmaschine übertragen werden. Nach
dem Einlesen der (zusätzlichen) Messergebnisse erfolgt
eine automatische Komplett-Auswertung und -Dokumentation aller relevanten
Daten.
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Sowohl
die parametrierte Teilegeometrie als auch das Profil als Linienzug
oder Elementfolge können unmittelbar fertigungstechnisch
weiterverarbeitet werden.
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Die
3D-Information zu den Schneidenpunkten ermöglicht es, für
rotierende Form-Schneid- und Verzahnungswerkzeuge ohne empirische
Zwischenschritte auch formgebundene Herstellverfahren wie das Profil-Hinterschleifen
fertigungstechnisch an die Messung des Werkzeugs automatisch anzuschließen.
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Über
geeignete Schleif- und Hinterschleifsimulationsverfahren, Postprozessoren
und Schnittstellen können alle relevanten geometrischen
Informationen, NC-Programme und -Unterprogramme für das
Schleifen, Abrichten und Erodieren von Hartstoff-Schneiden direkt
an die Maschine übertragen werden.
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Die
Bearbeitungsvorrichtung integriert Mess- und Fertigungstechnik,
aufbauend auf der gleichen Datenbasis zur Beschreibung aller relevanten
teilespezifischen Parameter und Informationen. Die aus den gemessenen
Daten automatisch abgeleiteten Geometrien können unmittelbar
beispielsweise in Schleif- oder Erodierprogramme umgesetzt und an die
Fertigungsmaschinen übertragen werden. Durch die Auswertung
der 3D-Schneideninformationen können beispielsweise für
konisch drallgenutete Werkzeuge über die Simulation des
Hinterschleifens gezielt die notwendigen formgebundenen Schleifwerkzeuge
ausgelegt werden. Für beliebige Standard- oder Formschneidplatten
können so direkt Schleifprogramme für Universalschleifmaschinen
mit bis zu fünf Achsen abgeleitet werden.
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Aus
dem Baukasten kann der Bediener der Bearbeitungsvorrichtung beliebige
feste Teilestrukturen einschließlich zugehöriger
Bemaßungsmuster und hiermit eine Systematik für
Wiederholteile erstellen.
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Durch
die durchgängig parameterbasierte Struktur können
aus Ist-Werten der gemessenen Teile unabhängig von Verschleißeinflüssen
durch Re-Parametrierung unmittelbar sinnvolle Soll-Geometrien erzeugt
werden.
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Für
das Messen und Fertigen ähnlicher Teile lassen sich aus
der Skizze/dem gemessenen Muster durch einfaches Umparametrieren
und Ersetzen von Geometriemustern Dimensions- und Gestaltvarianten
erzeugen.
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Der
"Baukasten" der Raumkurven erlaubt den Zugriff auf spezielle Strukturen
wie auf die Kategorie "Stufenwerkzeug". Auf diese wird zugegriffen, wenn
die Raumkoordinaten der Messpunktwolke eine Struktur erkennen lassen,
die beispielsweise eine Folge zylindrischer oder nahezu zylindrischer Elemente
mit ansteigenden oder abfallenden Durchmessern enthält.
Danach ist aufgrund der Grundstruktur davon auszugehen, dass eine
Abfolge von Stufen – jeweils bestehend aus "Zylinder =
Umfang(-sschneide)" und "Stirn(-schneide)" – vorliegt.
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Die Übergänge
zwischen Umfangsschneide und Stirnschneide können beispielsweise
"eckig" sein (also ohne weitere Geometrie-Elemente), "verrundet"
(Übergangselement = Kreisbogen), "mit Fase" (Übergangselement
= Strecke), "mit Fase, Übergänge verrundet" (Übergangselemente
= Kreisbogen-Strecke-Kreisbogen), " mit doppelte Fase", oder "mit
Formelement für Einstich". Diese Übergangsvarianten
sind in den "Geometriemustern" der Verfeinerungskurven abgelegt
und können nach dem Aufbau der Grundstruktur ("Stufenwerkzeug")
gezielt mit den gemessenen Punktwolken an den Übergängen
verglichen werden. Hieraus ergibt sich sowohl eine Zeitersparnis
als auch eine erhöhte Treffsicherheit beim Suchen und Erstellen
"sinnvoller" Geometrien.
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"Sinnvoll"
hier in der Bedeutung, dass beispielsweise trotz Werkzeugverschleiß in
diesen Bereichen eine dem gewollten "Soll" möglichst nahe kommende
Geometrie erzeugt wird.
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Nach
Bestimmung der Raumform steht diese im Baukasten zur Verfügung
und kann beispielsweise insgesamt nach- und umparametriert werden. Hierbei
ist jede Stufe (Umfang, Stirn und Übergang) einzeln anwählbar.
Die Flexibilität des Baukastens ermöglicht es
hier sogar, Stufen zu entfernen oder hinzuzufügen (Variantenbildung).
Die Inhalte der Baukästen und der Bibliothek der Geometriemuster sind
flexibel aufbaubar und können dem jeweiligen Einsatzfall
angepasst werden. Der Anwender selbst kann mit dem Baukasten eine
Teilestruktur (Gesamtgeometrie) für Dimensionsvarianten
erstellen und einschließlich der teilespezifischen Bemaßung
als "Muster" ablegen und eine neue Messung diesem "Muster" zuordnen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10203018
A1 [0003]
- - DE 10212004 A1 [0003]
- - DE 19914862 A1 [0003]
- - DE 19626140 A1 [0003]