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Es wird ein Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen, insbesondere ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus thermoplastischem faserverstärktem Kunststoff ausgehend von mit Matrixmaterial imprägnierten Fasertapes, angegeben.
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Faserverstärkte Kunststoffbauteile weisen eine Struktur aus Verstärkungsfasern auf, wobei die Struktur aus Verstärkungsfasern in ein Kunststoffmatrixmaterial eingebettet ist. Für komplexere und hochwertigere Bauteile ist oftmals eine mehrlagige Faserstruktur mit möglichst belastungsgerecht angeordneten Faserrichtungen notwendig. Als Ausgangsmaterial für die genannte Herstellung werden imprägnierte thermoplastische Fasertapes verwendet. Solche Fasertapes bestehen üblicherweise aus einer einlagigen bandförmigen Fasergrundstruktur, die bereits mit dem benötigten Matrixmaterial imprägniert ist. Zur Verfügung stehen solche Fasertapes z. B. als Rollenmaterial. In der Druckschrift
DE 42 18 434 A1 wird beispielsweise eine Möglichkeit zur Herstellung solcher imprägnierter Fasertapes beschrieben.
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Es ist bekannt, aus derartigen imprägnierten Fasertapes mehrlagige, rechteckige Platten herzustellen, die als Halbzeuge für die weitere Verarbeitung dienen. In der Druckschrift
US 2011/0111168 A1 wird beschrieben, wie aus solchen Fasertapes multiaxiale ebene Platten gefertigt werden können, die eine möglichst richtungsunabhängige Festigkeit aufweisen, und die gelagert und später weiterverarbeitet werden können.
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Die Druckschriften
US 8,414,729 B2 und
US 2013/186557 A1 beschreiben ebenfalls Verfahren zur Herstellung von Halbzeugen aus Fasertapes.
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Gemäß dem Stand der Technik werden Fasertapes mit einer Tapelegemaschine auf einer Werkzeugoberfläche abgelegt und mit zuvor gelegten Fasertapes punktweise verschweißt. Die für das Schweißen benötigte Wärme entsteht dabei durch Reibung von Sonotroden einer Schweißvorrichtung auf dem Faserverbundmaterial. Da die Werkzeugoberfläche drehbar ist, können die Fasertapes in verschiedenen Richtungen verlegt und dadurch den Anforderungen des Bauteils angepasst werden.
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Nachdem alle Fasertapes gelegt worden sind, wird das unkonsolidierte Layup bzw. Halbzeug aus Fasertapelagen mittels Spannelementen in einen Spannrahmen eingehängt und in einem Ofen erwärmt. Durch das Erhitzen der thermoplastischen Matrix der Tapes wird eine Verbindung der Tapes im Layup hergestellt. Zusammen mit den Schweißpunkten reicht diese Verbindung jedoch häufig nicht aus, die erste Tapelage von Fasertapes, die als erstes auf die Werkzeugoberfläche gelegt wird, ausreichend mit der zweiten Lage zu verbinden, mit der Folge, dass sich die Tapes der ersten Lage beim und/oder nach dem Entnehmen aus dem Ofen vom Rest des Geleges lösen und herunterfallen. Der in der Produktionskette folgende Schritt des Thermoformens wird dadurch erheblich behindert bzw. gänzlich verhindert, so dass keine Bauteile mit der gewünschten Qualität hergestellt werden können.
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Um zu verhindern, dass sich die Fasertapes der ersten Tapelage von den restlichen Lagen lösen, wird im Stand der Technik das Layup häufig in einem zusätzlichen Verfahrensschritt konsolidiert, bevor das Layup im Ofen erwärmt wird. Der Konsolidierungsvorgang, der beispielsweise mittels einer Presseinrichtung durchgeführt werden kann, stellt einen zusätzlichen Aufwand bei dem Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten Kunststoffbauteilen dar.
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Es ist somit eine zu lösende Aufgabe zumindest einiger Ausführungsformen, ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus thermoplastischem faserverstärktem Kunststoff ausgehend von imprägnierten Fasertapes anzugeben, mittels dessen ein Abfallen von Fasertapes der ersten Lage von den restlichen Lagen eines Layups bzw. Halbzeuges verhindert werden kann, ohne dass ein Konsolidierungsvorgang durchgeführt werden muss.
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Diese Aufgabe wird durch Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen gehen weiterhin aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen hervor.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform wird bei einem Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus thermoplastischem faserverstärktem Kunststoff ausgehend von mit Matrixmaterial imprägnierten Fasertapes eine erste Lage von Fasertapes gelegt, sodass in der ersten Lage eine Vielzahl von Fasertapes direkt nebeneinander angeordnet sind, wobei die Fasertapes innerhalb der ersten Lage gleich oder unterschiedlich orientiert sein können. Somit sind zumindest zwei Fasertapes in der ersten Lage direkt nebeneinander angeordnet, wobei sich die direkt nebeneinander angeordneten Fasertapes vorzugsweise berühren. Mit dem Begriff „erste Lage von Fasertapes” kann hierbei insbesondere eine Lage von Fasertapes bezeichnet werden, welche eine Vielzahl von Fasertapes aufweist, von denen zumindest einige direkt zueinander benachbarten angeordnet sind, sodass sie miteinander in Berührung stehen. Der Begriff „erste Lage von Fasertapes” muss hingegen nicht implizieren, dass vor dem Ablegen dieser ersten Lage von Fasertapes nicht bereits ein oder mehr einzelne Fasertapes abgelegt worden sind. Vorzugsweise ist jedoch vor der ersten Lage von Fasertapes keine Lage von Fasertapes, welche eine Vielzahl von Fasertapes aufweist, von denen zumindest einige miteinander in Berührung stehen, gelegt worden.
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Die Fasertapes der ersten Lage weisen vorzugsweise eine einlagige bandförmige Fasergrundstruktur aus Fasern auf, wobei die Fasergrundstruktur mit Matrixmaterial imprägniert ist. Die Fasertapes können beispielsweise als sogenannte UD-Tapes („UD”, unidirektional) ausgebildet sein, welche jeweils eine Vielzahl von unidirektionalen Endlosfasern aufweisen. Die Fasern können beispielsweise Carbonfasern, Glasfasern, Aramidfasern, Basaltfasern oder Naturfasern sein. Das Matrixmaterial ist vorzugsweise ein thermoplastischer Kunststoff, beispielsweise PEEK, PEKK, PP, PE, PPS, TPE oder ein Polyamid.
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Weiterhin wird eine zweite Lage von Fasertapes direkt auf die erste Lage von Fasertapes gelegt, sodass in der zweiten Lage eine Vielzahl von Fasertapes direkt nebeneinander angeordnet sind, wobei die Fasertapes innerhalb der zweiten Lage gleich oder unterschiedlich orientiert sein können. Die Fasertapes der zweiten Lage können insbesondere wie im Zusammenhang mit der ersten Lage beschrieben ausgebildet sein. Zwei sich gegenüberliegende Randbereiche der ersten Lage werden in erhöhtem Maße gegen einen Abtrennen von der zweiten Lage gesichert. Insbesondere können die zwei sich gegenüberliegenden Randbereiche der ersten Lage im Vergleich mit anderen Bereichen der ersten Lage, insbesondere im Vergleich mit dem zwischen den Randbereichen angeordneten Bereich, in einem erhöhten Maße gegen einen Abtrennen von der zweiten Lage gesichert sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die erste Lage eine Vielzahl von Fasertapes aufweisen, welche alle dieselbe Orientierung aufweisen. Die direkt auf der ersten Lage angeordnete zweite Lage kann eine Vielzahl von Fasertapes aufweisen, welche beispielsweise jeweils dieselbe Orientierung aufweisen, wobei die Orientierung der Fasertapes der zweiten Lage z. B. orthogonal zur Orientierung der Fasertapes der ersten Lage sein kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die zwei sich gegenüberliegenden Randbereiche durch die Befestigungsmittel stärker gegen einen Abtrennen von der zweiten Lage gesichert als ein zwischen den zwei Randbereichen angeordneter Bereich der ersten Lage.
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Beispielsweise können die Befestigungsmittel als Stützstreifen ausgebildet sein die Randbereiche der ersten Lage werden vorzugsweise direkt mit den Stützstreifen verbunden. Beispielsweise können die Fasertapes der ersten Lage in den Randbereichen mittels lokaler Verbindungen, die beispielsweise als punktuelle Schweißverbindungen ausgeführt sein können, mit den Stützstreifen verbunden werden. Die Stützstreifen können z. B. gelegt werden, bevor die erste Lage von Fasertapes gelegt wird. Anschließend können die Fasertapes der ersten Lage direkt auf die Stützstreifen gelegt werden. Die Stützstreifen können z. B. als Fasertapes, die beispielsweise wie die Fasertapes der ersten Lage ausgebildet sein können, ausgeführt sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden die Stützstreifen und die Fasertapes der ersten Lage orthogonal zueinander gelegt. Beispielsweise können die Stützstreifen beabstandet voneinander im Wesentlichen parallel zueinander gelegt werden und danach die Fasertapes der ersten Lage derart auf die Stützstreifen gelegt werden, dass die Fasertapes der ersten Lage im Wesentlichen orthogonal zu den Stützstreifen angeordnet sind.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden vor dem Legen der ersten Lage von Fasertapes genau zwei Stützstreifen voneinander beabstandet gelegt. Vorzugsweise sind die Stützstreifen als Fasertapes ausgebildet und werden parallel zueinander abgelegt. Die Fasertapes der ersten Lage können anschließend derart auf den zwei Stützstreifen gelegt werden, dass die Fasertapes der ersten Lage orthogonal zu den zwei Stützstreifen orientiert sind und vorzugsweise mit den Stützstreifen abschließen. Somit können die Stützstreifen direkt mit zwei gegenüberliegenden Enden der ersten Lage von Fasertapes abschließen, ohne dass Fasertapes der ersten Lage an diesen Enden über die Stützstreifen hinausragen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform bilden die erste Lage von Fasertapes und die auf der ersten Lage angeordnete die zweite Lage von Fasertapes ein unkonsolidiertes Halbzeug. Vorzugsweise wird das Halbzeug mittels Spannelementen in einem Spannrahmen befestigt. Beispielsweise können die die Befestigungsmittel bildenden Stützstreifen jeweils 2 der Spannelemente verbinden. Bei den Spannelementen kann es sich beispielsweise um Federelemente und/oder Klemmelemente handeln.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Befestigungsmittel als lokale Verbindungen zwischen der ersten und der zweiten Lage ausgeführt. Beispielsweise können die Befestigungsmittel als punktuelle Schweißverbindungen ausgebildet sein. Die Randbereiche der ersten Lage werden vorzugsweise mit einer höheren Dichte an lokalen Verbindungen zur zweiten Lage versehen als zwischen den Randbereichen liegende Bereiche. Beispielsweise können in den zwei sich gegenüberliegenden Randbereichen mehr lokale Verbindungen pro einer definierten Fläche vorgesehen sein als in dem Bereich zwischen den zwei Randbereichen. Besonders bevorzugt nimmt die Dichte an lokalen Verbindungen zwischen der ersten und der zweiten Lage, beispielsweise ausgehend von einem Bereich zwischen den zwei Randbereichen oder von einem Bereich in einer Mitte der ersten Lage, in Richtung der zwei gegenüberliegenden Randbereiche kontinuierlich zu.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform können auf der zweiten Lage von Fasertapes eine oder mehrere weitere Lagen von Fasertapes gelegt werden. Die Fasertapes der weiteren Lagen können eines oder mehrere Merkmale der vorgenannten Ausführungsformen von Fasertapes aufweisen. Insbesondere können die Fasertapes der weiteren Lagen identisch zu den Fasertapes der ersten und/oder der zweiten Lage ausgeführt sein.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform wird bei einem Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus thermoplastischem faserverstärktem Kunststoff ausgehend von mit Matrixmaterial imprägnierten Fasertapes eine erste Lage von Fasertapes gelegt, sodass in der ersten Lage eine Vielzahl von Fasertapes direkt nebeneinander angeordnet sind. Die Fasertapes können eines oder mehrere Merkmale der vorgenannten Ausführungsformen aufweisen. Weiterhin wird eine zweite Lage von Fasertapes gelegt, sodass in der zweiten Lage eine Vielzahl von Fasertapes direkt nebeneinander angeordnet sind, wobei die zweite Lage direkt auf der ersten Lage angeordnet wird. Weiterhin wird zumindest eine weitere Lage von Fasertapes durch anordnen von Fasertapes auf der zweiten Lage gelegt. Die zumindest eine weitere Lage wird vorzugsweise direkt auf die zweite Lage von Fasertapes gelegt. Die einzelnen Lagen von Fasertapes werden mittels einer Vielzahl von Befestigungsmitteln, welche als lokale Verbindungen ausgebildet sind, miteinander verbunden. Dabei werden Randbereiche der Lagen mit einer höheren Dichte an lokalen Verbindungen versehen als zwischen den Randbereichen liegende Bereiche oder die Anzahl der lokalen Verbindungen zwischen zwei direkt benachbarten Lagen wird, beispielsweise ausgehend von einer am weitesten von der ersten Lage beabstandeten Lage von Fasertapes, in Richtung der ersten Lage gesteigert. Die lokalen Verbindungen sind vorzugsweise als punktuelle Schweißverbindungen ausgeführt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind nach dem Verbinden mehr lokale Verbindungen zwischen der ersten Lage und der zweiten Reihe vorhanden als zwischen der zweiten Lage und der weiteren Lage. Die Anzahl der lokalen Verbindungen zwischen zwei direkt benachbarten Lagen kann ausgehend von der ersten Lage kontinuierlich abnehmen, beispielsweise ausgehend von der ersten Lage in Richtung einer von der ersten Lage am weitesten beabstandeten Lage von Fasertapes.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform nimmt die Dichte an lokalen Verbindungen zwischen der ersten und der zweiten Lage in Richtung zweier gegenüberliegender Randbereiche kontinuierlich zu. Beispielsweise kann die Dichte an lokalen Verbindungen, d. h. die Anzahl der lokalen Verbindungen pro einer definierten Fläche, ausgehend von einem zwischen den zwei Randbereichen liegenden Bereich oder ausgehend von einer Mitte der ersten Lage, in Richtung der zwei sich gegenüberliegenden Randbereiche kontinuierlich zunehmen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform bilden die Lagen von Fasertapes nach einem stellenweisen Verbinden ein unkonsolidiertes Halbzeug, das anschließend erwärmt und danach in einem Formwerkzeug umgeformt wird, wobei das Halbzeug vor dem Umformgang nicht konsolidiert oder verpresst wird.
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Bei dem hier beschriebenen Verfahren kann vorteilhafterweise der normalerweise benötigte Konsolidierungsschritt zum Konsolidieren des Halbzeugs entfallen, da die erste Lage in der Regel nicht mehr von den anderen Lagen beim Erwärmen im Ofen abfällt. Dadurch kann eine Kostensenkung bei der Herstellung von Bauteilen aus thermoplastischem faserverstärktem Kunststoff erzielt werden.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen des hier beschriebenen Verfahrens ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den 1 bis 4 beschriebenen Ausführungsformen. Es zeigen:
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1 und 2 schematische Darstellungen eines in einen Spannrahmen eingespannten Halbzeugs, das bei dem hier beschriebenen Verfahren hergestellt wird gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
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3 eine schematische Darstellung eines bei dem hier beschriebenen Verfahren hergestellten Halbzeugs gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, und
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4 eine schematische Darstellung eines bei dem hier beschriebenen Verfahren hergestellten Halbzeugs gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
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In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.
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Die 1 und 2 zeigen schematische Darstellungen eines Halbzeugs 100 in einer Aufsicht und in einer Schnittansicht. Das Halbzeug 100 weist eine erste Lage 2 von Fasertapes 1 auf, die direkt nebeneinander angeordnet sind. Weiterhin weist das Halbzeug 100 zumindest eine zweite Lage (nicht dargestellt) von direkt nebeneinander angeordneten Fasertapes auf, welche auf der ersten Lage angeordnet ist. Die einzelnen Fasertapes 1 können beispielsweise UD-Tapes sein, welche jeweils eine Vielzahl von unidirektionalen Endlosfasern aufweisen. Die Fasern können beispielsweise Carbonfasern, Glasfasern, Aramidfasern, Basaltfasern oder Naturfasern sein. Das Matrixmaterial ist vorzugsweise ein thermoplastischer Kunststoff, beispielsweise PEEK, PEKK, PP, PE, PPS, TPE oder ein Polyamid.
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Zwei sich gegenüberliegende Randbereiche 5 der ersten Lage 2 sind durch Befestigungsmittel 6, welche als Stützstreifen 7 ausgebildet sind, gegen einen Abtrennen von der zweiten Lage gesichert. Die Randbereiche 5 sind insbesondere stärker gegen einen Abtrennen von der zweiten Lage gesichert als der zwischen den zwei Randbereichen 5 liegende Bereich der ersten Lage 2. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Stützstreifen 7 jeweils als Fasertapes, die beispielsweise identisch wie die Fasertapes 1 der ersten und/oder zweiten Lage 2, 3 ausgeführt sein können, ausgebildet. Die zwei Stützstreifen 7 werden bei der Herstellung des Halbzeugs 100 vor dem Legen der ersten Lage 2 von Fasertapes 1 voneinander beabstandet auf einer Werkzeugoberfläche abgelegt. Anschließend werden die Fasertapes 1 der ersten Lage 2 auf den Stützstreifen 7 derart angeordnet, dass die Fasertapes 1 der ersten Lage 2 orthogonal zu den Stützstreifen 7 angeordnet sind und mit den Stützstreifen 7 bündig abschließen. Anschließend wird die zweite Lage von Fasertapes auf der ersten Lage von Fasertapes angeordnet.
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Weiterhin werden die Stützstreifen 7 nach dem Legen der ersten Lage 2 von Fasertapes 1 mit den Fasertapes 1 der ersten Lage 2 mittels lokaler Verbindungen 8, welche vorzugsweise als punktuelle Schweißverbindungen ausgeführt sind, verbunden. Weiterhin können die Fasertapes 1 der ersten Lage 2 mit den Fasertapes der zweiten Lage mittels lokaler Verbindungen, die ebenfalls als punktuelle Schweißverbindungen ausgeführt sein können, verbunden werden. Mittels der lokalen Verbindungen wird ein unkonsolidiertes Halbzeug 100 erhalten, welches anschließend in einem Ofen erwärmt und danach in einem Formwerkzeug umgeformt werden kann, ohne dass ein Konsolidieren bzw. Verpressen des unkonsolidierten Halbzeugs 100 benötigt wird.
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Wie in der 1 gezeigt ist, kann das Halbzeug 100 vor dem Erwärmen mittels Spannelementen 10 in einem Spannrahmen 9 gespannt werden. Die Spannelemente 10 können insbesondere in den zwei gegenüberliegenden Randbereichen, die in erhöhtem Maße gegen einen Abtrennen von der zweiten Lage gesichert sind, mit dem Halbzeug 100 bzw. mit den Fasertapes 1 des Halbzeugs 100 verbunden sein.
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Die 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Halbzeugs 100 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Das Halbzeug 100 weist wiederum eine erste Lage 2 von Fasertapes 1 sowie eine direkt auf der ersten Lage 2 angeordnete zweite Lage 3 von Fasertapes 1 auf. Zwei sich gegenüberliegende Randbereiche 5 der ersten Lage sind durch Befestigungsmittel 6, welche als lokale Verbindungen 8 ausgebildet sind, in erhöhtem Maße gegen einen Abtrennen von der zweiten Lage 3 gesichert. Insbesondere sind die zwei gegenüberliegenden Randbereiche 5 durch die Befestigungsmittels 6 stärker gegen einen Abtrennen von der zweiten Lage 3 gesichert als der zwischen den gegenüberliegenden Randbereichen 5 Bereich der ersten Lage 2. So weisen die Randbereiche 5 der ersten Lage 2 eine höhere Dichte an lokalen Verbindungen 8, welche die Fasertapes 1 der ersten Lage 2 und die Fasertapes 1 der zweiten Lage 3 miteinander verbinden, auf. Insbesondere nimmt die Dichte an lokalen Verbindungen 8 ausgehend von einem zwischen den Randbereichen angeordneten Bereich in Richtung der zwei sich gegenüberliegenden Randbereiche 5 kontinuierlich zu. Die lokalen Verbindungen 8 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel als punktuelle Schweißverbindungen ausgebildet.
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In der 4 ist eine schematische Darstellung eines Halbzeugs 100 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt. Das Halbzeug 100 weist eine erste Lage 2 von Fasertapes 1, eine direkt auf der ersten Lage 2 angeordnete zweite Lage 3 von Fasertapes 1 sowie weitere auf der zweiten Lage 3 angeordnete Lagen 4 von Fasertapes 1 auf die verschiedenen Lagen von Fasertapes 1 sind durch lokale Verbindungen 8 miteinander verbunden. Dabei sind zwischen der ersten Lage 2 von Fasertapes 1 und der zweiten Lage 3 von Fasertapes 1 mehr lokale Verbindungen 8 vorgesehen als zwischen der zweiten Lage 3 und der direkt zur zweiten Lage 3 benachbarten weiteren Lage 4. Weiterhin sind zwischen der zweiten Lage 3 und der direkt benachbarten weiteren Lage 4 mehr lokale Verbindungen vorgesehen als zwischen der weiteren Lage 4 und der mit der weiteren Lage 4 direkt benachbarten weiteren Lage 4. Somit nimmt die Anzahl der lokalen Verbindungen 8 zwischen den einzelnen direkt zueinander benachbarten Lagen in Richtung der ersten Lage 2 kontinuierlich zu. In Richtung der am weitesten von der ersten Lage 2 beabstandeten Lage die Anzahl der lokalen Verbindungen 8 zwischen zwei direkt benachbarten Lagen kontinuierlich ab.
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Die lokalen Verbindungen 8 können wiederum als punktuelle Schweißverbindungen ausgeführt sein.
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Die in den gezeigten Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmale können gemäß weiteren Ausführungsbeispielen auch miteinander kombiniert sein. Alternativ oder zusätzlich können die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele weitere Merkmale gemäß den Ausführungsformen der allgemeinen Beschreibung aufweisen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fasertape
- 2
- erste Lage
- 3
- zweite Lage
- 4
- weitere Lage
- 5
- Randbereich
- 6
- Befestigungsmittel
- 7
- Stützstreifen
- 8
- lokale Verbindung
- 9
- Spannrahmen
- 10
- Spannelement
- 100
- Halbzeug
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4218434 A1 [0002]
- US 2011/0111168 A1 [0003]
- US 8414729 B2 [0004]
- US 2013/186557 A1 [0004]