DE102011007639A1 - Mechanical processing of workpieces with a high pressure jet comprising a liquid composition, which contains an ionic liquid - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur mechanischen Bearbeitung von Werkstücken mit einem Hochdruckstrahl, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass der Hochdruckstrahl aus einer flüssigen Zusammensetzung besteht, welche mehr als 30 Gew.% einer ionischen Flüssigkeit enthält.The invention relates to a method for the mechanical machining of workpieces with a high-pressure jet, which is characterized in that the high-pressure jet consists of a liquid composition which contains more than 30% by weight of an ionic liquid.
Werkstücke aus unterschiedlichsten Materialien können mit einem Hochdruckwasserstrahl bearbeitet, insbesondere zerteilt werden. Dieses Verfahren ist auch unter der Bezeichnung Wasserstrahlschneiden bekannt. Es wird z. B. bei der Bearbeitung von Gegenständen aus Kunststoff, Leder, Metall oder Stein eingesetzt. Ein besonderer Vorteil des Verfahrens ist die hohe Genauigkeit mit der nahezu beliebige dreidimensionale Formen aus einem Material geschnitten werden können.Workpieces made of different materials can be processed with a high-pressure water jet, in particular be cut. This method is also known as water jet cutting. It is z. B. used in the processing of objects made of plastic, leather, metal or stone. A particular advantage of the method is the high accuracy with which almost any three-dimensional shapes can be cut from a material.
Der Hochdruckwasserstrahl hat bei Austritt aus der Düse einen Druck von bis zu 6000 bar. Zur Kompression des Wassers auf derartig hohe Drucke ist eine beträchtliche Energie notwendig.The high-pressure water jet has a pressure of up to 6000 bar when it leaves the nozzle. To compress the water to such high pressures, a considerable amount of energy is required.
Weiterhin kommt es bei Austritt des Wassers aus dem Kompressionsraum zu spontanen Verdampfungen von Wasser, was zu Schädigungen an den Anlagenteilen, z. B. der Fokussiereinrichtung zum Einstellen der Richtung des Wasserstrahls, führen kann.Furthermore, it comes at the outlet of the water from the compression chamber to spontaneous evaporation of water, resulting in damage to the system components, such. B. the focusing device for adjusting the direction of the water jet, can lead.
Für das Verfahren des Wasserstrahlschneidens ist daher ein Arbeitsmittel erwünscht, welches Wassers ersetzen kann und die vorstehenden Nachteile des Wassers möglichst nicht oder im geringeren Ausmaß zeigt.For the method of water jet cutting therefore a working medium is desired, which can replace water and the above disadvantages of the water as possible or not to a lesser extent.
Unter dem Begriff ionische Flüssigkeiten werden Salze verstanden, die einen Schmelzpunkt bei tiefen Temperaturen haben und vorzugsweise bei Temperaturen kleiner 100°C flüssig sind. Derartige ionische Flüssigkeiten sind für unterschiedliche technische Anwendungen, z. B. als Lösemittel, Elektrolyt oder Betriebsmittel in technischen Vorrichtungen beziehungsweise technischen Prozessen von Interesse.The term ionic liquids is understood to mean salts which have a melting point at low temperatures and are preferably liquid at temperatures below 100 ° C. Such ionic liquids are for different technical applications, eg. As a solvent, electrolyte or equipment in technical devices or technical processes of interest.
Sie eignen sich z. B. aufgrund ihres geringen Dampfdruckes als Absorptionsmittel in Wärmepumpen oder zum Verdichten von Gasen, wie in
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war daher ein alternatives oder gar verbessertes Verfahren zur mechanischen Bearbeitung von Werkstücken mit einem Hochdruckstrahl, bei dem Wasser durch eine andere Flüssigkeit ersetzt werden kann und Nachteile des Wassers gegebenenfalls sogar vermieden oder vermindert werden können.The object of the present invention was therefore an alternative or even improved process for the mechanical processing of workpieces with a high-pressure jet, in which water can be replaced by another liquid and disadvantages of the water may possibly even be avoided or reduced.
Demgemäß wurde das eingangs definierte Verfahren gefunden.Accordingly, the method defined above was found.
Zur ionischen FlüssigkeitTo the ionic liquid
Der beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Hochdruckstrahl besteht aus einer flüssigen Zusammensetzung, welche mehr als 30 Gew.% einer ionischen Flüssigkeit enthält.The high-pressure jet used in the process according to the invention consists of a liquid composition which contains more than 30% by weight of an ionic liquid.
Unter dem Begriff ionische Flüssigkeit werden Salze (Verbindungen aus Kationen und Anionen) verstanden, die bei Normaldruck (1 bar) einen Schmelzpunkt kleiner 200°C, vorzugsweise kleiner 150°C, besonders bevorzugt kleiner 100°C besitzen.The term ionic liquid is understood as meaning salts (compounds of cations and anions) which have a melting point of less than 200 ° C., preferably less than 150 ° C., more preferably less than 100 ° C., under atmospheric pressure (1 bar).
Unter dem Begriff ionische Flüssigkeit sollen im Nachfolgenden sowohl einzelne als auch Gemische unterschiedlicher ionischer Flüssigkeiten verstanden werden.The term ionic liquid will be understood below to mean both individual and mixtures of different ionic liquids.
Bevorzugte ionische Flüssigkeiten enthalten eine organische Verbindung als Kation (organisches Kation). Je nach Wertigkeit des Anions kann die ionische Flüssigkeit neben dem organischen Kation weitere Kationen, auch Metallkationen, enthalten.Preferred ionic liquids contain an organic compound as a cation (organic cation). Depending on the valence of the anion, the ionic liquid may contain other cations, including metal cations, in addition to the organic cation.
Bei den Kationen besonders bevorzugter ionischer Flüssigkeiten handelt es sich ausschließlich um ein organisches Kation oder, bei mehrwertigen Anionen, ein Gemisch unterschiedlicher organischer Kationen.The cations of particularly preferred ionic liquids are exclusively an organic cation or, in the case of polyvalent anions, a mixture of different organic cations.
Geeignete organische Kationen sind insbesondere organische Verbindungen mit Heteroatomen, wie Stickstoff, Schwefel, Sauerstoff oder Phosphor; insbesondere handelt es sich bei den organische Kationen um Verbindungen mit einer Ammonium-gruppe (Ammonium-Kationen), einer Oxonium-gruppe (Oxonium-Kationen), einer Sulfonium-gruppe (Sulfonium-Kationen) oder einer Phosphonium-Gruppe (Phosphonium-Kationen).Suitable organic cations are, in particular, organic compounds containing heteroatoms, such as nitrogen, sulfur, oxygen or phosphorus; in particular, the organic cations are compounds with an ammonium group (ammonium cations), an oxonium group (oxonium cations), a sulfonium group (sulfonium cations) or a phosphonium group (phosphonium cations) ,
In einer besonderen Ausführungsform handelt es sich bei den organischen Kationen der ionischen Flüssigkeiten um Ammonium-Kationen, worunter hier
- – nicht-aromatische Verbindungen mit lokalisierter positiver Ladung am Stickstoffatom, z. B. Verbindungen mit vierbindigem Stickstoff (quaternäre Ammoniumverbindungen) oder
- – Verbindungen mit dreibindigem Stickstoff, wobei eine Bindung eine Doppelbindung ist, oder
- – aromatische Verbindungen mit delokalisierter positiver Ladung und mindestens einem, vorzugsweise ein bis drei Stickstoffatomen im aromatischen Ringsystem verstanden werden.
- Non-aromatic compounds with localized positive charge on the nitrogen atom, e.g. B. compounds with vierbindigem nitrogen (quaternary ammonium compounds) or
- Compounds with trivalent nitrogen, where one bond is a double bond, or
- - Are understood aromatic compounds with delocalized positive charge and at least one, preferably one to three nitrogen atoms in the aromatic ring system.
Bevorzugte organische Kationen sind quaternäre Ammonium-Kationen, vorzugsweise solche mit drei oder vier aliphatischen Substituenten, besonders bevorzugt C1- bis C12-Alkylgruppen, am Stickstoffatom, welche gegebenenfalls durch Hydroxylgruppen substituiert sein können. Preferred organic cations are quaternary ammonium cations, preferably those having three or four aliphatic substituents, more preferably C1 to C12 alkyl groups on the nitrogen atom, which may optionally be substituted by hydroxyl groups.
Ebenfalls bevorzugt sind organische Kationen, die ein heterocyclisches Ringsystem mit ein bis drei, insbesondere mit ein oder zwei Stickstoffatomen als Bestandteil des Ringsystems enthalten.Likewise preferred are organic cations which contain a heterocyclic ring system having one to three, in particular one or two, nitrogen atoms as constituent of the ring system.
In Betracht kommen monocyclische, bicyclische, aromatische oder nicht-aromatische Ringsysteme. Genannt seien z. B. bicyclische Systeme, wie sie in
Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Lösemittel in Verfahrensschritt b) um eine ionische Flüssigkeit mit einem Kation, welches ausgewählt ist aus quaternären Ammonium-Kationen oder aus Kationen, die ein heterocyclisches Ringsystem mit ein bis drei, vorzugsweise ein oder zwei Stickstoffatomen als Bestandteil des Ringsystems enthalten.The solvent in process step b) is particularly preferably an ionic liquid having a cation which is selected from quaternary ammonium cations or from cations comprising a heterocyclic ring system having one to three, preferably one or two, nitrogen atoms as constituent of the ring system contain.
Ganz besonders bevorzugte sind ionische Flüssigkeiten mit Kationen, die ein heterocyclisches Ringsystem mit ein oder zwei Stickstoffatomen als Bestandteil des Ringsystems enthalten.Very particularly preferred are ionic liquids with cations which contain a heterocyclic ring system having one or two nitrogen atoms as part of the ring system.
Als derartige organische Kationen in Betracht kommen z. B. Pyridinium-Kationen, Pyridazinium-Kationen, Pyrimidinium-Kationen, Pyrazinium-Kationen, Imidazolium-Kationen, Pyrazolium-Kationen, Pyrazolinium-Kationen, Imidazolinium-Kationen, Thiazolium-Kationen, Triazolium-Kationen, Pyrrolidinium-Kationen und Imidazolidinium-Kationen. Diese Kationen sind z. B. in
Auch die Kohlenstoffatome des Ringsystems können durch organische Gruppen mit im Allgemeinen nicht mehr als 20 C-Atomen, vorzugsweise eine Kohlenwasserstoffgruppe, insbesondere eine C1 bis C16 Alkylgruppe, insbesondere eine C1 bis C10, besonders bevorzugt eine C1 bis C4 Alkylgruppen substituiert sein.The carbon atoms of the ring system can also be substituted by organic groups having generally not more than 20 C atoms, preferably a hydrocarbon group, in particular a C1 to C16 alkyl group, in particular a C1 to C10, particularly preferably a C1 to C4 alkyl groups.
Besonders bevorzugte Ammonium-Kationen sind quaternäre Ammonium-Kationen, Imidazolium-Kationen, Pyrimidinium-Kationen und Pyrazolium-Kationen.Particularly preferred ammonium cations are quaternary ammonium cations, imidazolium cations, pyrimidinium cations and pyrazolium cations.
Besonders bevorzugt handelt es sich um Imidazolium-Kationen wie sie in Formel I (siehe unten) enthalten sind.Particularly preferred are imidazolium cations as contained in formula I (see below).
Die ionischen Flüssigkeiten können anorganische oder organische Anionen enthalten. Derartige Anionen sind z. B. in den oben genannten
Bevorzugt sind Anionen aus der Gruppe
der Alkylsulfate
RaOSO3 –,
wobei Ra für eine C1- bis C12 Alkylgruppe oder eine C5- bis C12 Arylgruppe, vorzugsweise für eine C1-C6 Alkylgruppe oder eine C6 Arylgruppe (Tosylat) steht,
der Alkylsulfonate
RaSO3 –;
wobei Ra für eine C1- bis C12 Alkylgruppe, vorzugsweise für eine C1-C6 Alkylgruppe steht,
der Halgenide, insbesondere Chlorid, Bromid oder Iodid und
der Pseudohalogenide, wie Thiocyanat, Dicyanamid,
der Carboxylate RaCOO–;
wobei Ra für eine C1- bis C20 Alkylgruppe, vorzugsweise für eine C1-C8 Alkylgruppe steht, insbesondere Acetat,
der Phosphate,
insbesondere der Dialkylphosphate der Formel RaRbPO4 –, wobei Ra und Rb unabhängig voneinander für eine C1 bis C6 Alkylgruppe stehen; insbesondere stehen Ra und Rb für die gleiche Alkylgruppe, genannt seien Dimethylphosphat und Diethylphosphat
und der Phosphonate, insbesondere der Monoalkylphosphonsäureester
der Formel RaRbPO3 –, wobei Ra und Rb unabhängig voneinander für eine C1 bis C6 Alkylgruppe stehen.Preference is given to anions from the group
the alkyl sulfates
R a OSO 3 - ,
wherein R a is a C 1 to C 12 alkyl group or a C 5 to C 12 aryl group, preferably a C 1 -C 6 alkyl group or a C 6 aryl group (tosylate),
the alkyl sulfonates
R a SO 3 - ;
wherein R a is a C 1 to C 12 alkyl group, preferably a C 1 -C 6 alkyl group,
the halides, in particular chloride, bromide or iodide and
the pseudohalides, such as thiocyanate, dicyanamide,
the carboxylates R a COO - ;
wherein R a is a C 1 to C 20 alkyl group, preferably a C 1 -C 8 alkyl group, in particular acetate,
the phosphates,
in particular the dialkyl phosphates of the formula R a R b PO 4 - , wherein R a and R b independently of one another represent a C 1 to C 6 alkyl group; in particular, R a and R b are the same alkyl group, which may be mentioned dimethyl phosphate and diethyl phosphate
and the phosphonates, in particular the monoalkylphosphonic acid esters
of the formula R a R b PO 3 - , wherein R a and R b independently represent a C1 to C6 alkyl group.
Ganz besonders bevorzugte Anionen sind Methansulfonat, Trifluormethansulfonat, Dimethylphosphat, Diethylphosphat, Methylsulfat, Ethylsulfat, Thiocyanat, Dicyanamid und Tricyaonmethanid als Anion in den ionischen Flüssigkeiten.Very particularly preferred anions are methanesulfonate, trifluoromethanesulfonate, dimethyl phosphate, diethyl phosphate, methylsulfate, ethylsulfate, thiocyanate, dicyanamide and tricyanomethane as anion in the ionic liquids.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Lösemittel um ein Imidazoliumsalz der nachstehenden Formel I,
R1 für einen organischen Rest mit 1 bis 20 C-Atomen steht,
R2, R4, R3 und R5 für ein H-Atom oder einen organischen Rest mit 1 bis 20 C-Atomen stehen,
X für ein Anion steht und
n für 1, 2 oder 3 stehtParticularly preferably, the solvent is an imidazolium salt of the following formula I,
R 1 is an organic radical having 1 to 20 C atoms,
R 2, R 4, R 3 and R 5 represent an H atom or an organic radical having 1 to 20 C atoms,
X stands for an anion and
n is 1, 2 or 3
In Formel I stehen R1 und R3 vorzugsweise unabhängig für einen organischen Rest mit 1 bis 10 C-Atomen. Insbesondere stehen R1 und R3 für einen aliphatischen Rest, insbesondere einen aliphatischen Rest ohne weitere Heteroatome, z. B. für eine Alkylgruppe. Besonders bevorzugt stehen R1 und R3 unabhängig voneinander für eine C1 bis C10 bzw. eine C1 bis C4 Alkylgruppe.In formula I, R 1 and R 3 are preferably independently an organic radical having 1 to 10 C atoms. In particular, R 1 and R 3 are an aliphatic radical, in particular an aliphatic radical without further heteroatoms, eg. B. for an alkyl group. More preferably, R1 and R3 independently of one another are a C1 to C10 or a C1 to C4 alkyl group.
In Formel I stehen R2, R4 und R5 vorzugsweise unabhängig für ein H-Atom oder einen organischen Rest mit 1 bis 10 C-Atomen; insbesondere stehen R2, R4 und R5 für ein H-Atom oder einen aliphatischen Rest. Besonders bevorzugt stehen R2, R4 und R5 unabhängig voneinander für ein H-Atom oder eine Alkylgruppe, insbesondere stehen R2, R4 und R5 unabhängig voneinander für ein H-Atom oder eine C1 bis C4 Alkylgruppe. Ganz besonders bevorzugt stehen R2, R4 und R5 jeweils für ein H-Atom.In formula I, R 2, R 4 and R 5 are preferably independently an H atom or an organic radical having 1 to 10 C atoms; in particular, R 2, R 4 and R 5 represent an H atom or an aliphatic radical. Particularly preferably, R 2, R 4 and R 5 independently of one another are an H atom or an alkyl group, in particular R 2, R 4 and R 5 independently of one another are an H atom or a C1 to C4 alkyl group. Most preferably, R2, R4 and R5 are each an H atom.
n steht vorzugsweise für 1.n is preferably 1.
X steht vorzugsweise für eins der oben genannten und bevorzugten Anionen.X is preferably one of the abovementioned and preferred anions.
Zu sonstigen Bestandteilen der ZusammensetzungOther ingredients of the composition
Bevorzugt enthält die Zusammensetzung mindestens 50 Gew.% ionische Flüssigkeit, besonders bevorzugt mindestens 70 Gew.% ionische Flüssigkeit, bezogen auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung.The composition preferably contains at least 50% by weight of ionic liquid, more preferably at least 70% by weight of ionic liquid, based on the total weight of the composition.
Neben der ionischen Flüssigkeit kann die Zusammensetzung weitere Lösemittel, d. h. bei 20°C, 1 bar flüssige Verbindungen, enthalten, z. B. Wasser, Alkohole oder Ketone, wie Aceton, Methanol, Ethanol oder Dioxan, oder Dimethylsulfoxid, Dimethylacetamid, Formamid, N-Methylmorpholin-N-oxid oder Dichlormethan.In addition to the ionic liquid, the composition may contain other solvents, i. H. at 20 ° C, 1 bar liquid compounds, eg. For example, water, alcohols or ketones, such as acetone, methanol, ethanol or dioxane, or dimethyl sulfoxide, dimethylacetamide, formamide, N-methylmorpholine-N-oxide or dichloromethane.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Zusammensetzung maximal 20 Gew.%, insbesondere maximal 10 Gew.% und besonders bevorzugt maximal 5 Gew.% derartiger weiterer Lösemittel.In a preferred embodiment, the composition contains not more than 20% by weight, in particular not more than 10% by weight and particularly preferably not more than 5% by weight, of such further solvents.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält die Zusammensetzung keine derartigen weiteren Lösemittel.In a particularly preferred embodiment, the composition contains no such further solvents.
Die Zusammensetzung kann Zusatzstoffe enthalten, z. B. solche wie sie bereits bei dem bisherigen Wasserstrahlschneiden eingesetzt werden. In Betracht kommen z. B. Hilfsmittel zur Einstellung der Viskosität oder zur besseren Bündelung des Hochdruckstrahls und sogenannte Schneidmittel, auch Abrasive genannt. Schneidmittel sind Feststoffe wie Granat und Korund, die es ermöglichen auch besonders harte Materialien wie Marmor, Keramik oder Metall zu durchtrennen.The composition may contain additives, e.g. B. such as they are already used in the previous water jet cutting. In consideration come z. B. aids for adjusting the viscosity or for better bundling of the high-pressure jet and so-called cutting means, also called abrasive. Cutting agents are solids such as garnet and corundum, which makes it possible to cut even hard materials such as marble, ceramics or metal.
Die Zusammensetzung ist vorzugsweise bei 20°C und Normaldruck (1 bar) flüssig.The composition is preferably liquid at 20 ° C and normal pressure (1 bar).
Zur DurchführungTo carry out
Das Verfahren kann entsprechend dem bisherigen Wasserstrahlschneiden durchgeführt werden, wobei Wasser durch die obige Zusammensetzung, welche mindestens 30 Gew.% ionische Flüssigkeit enthält, ersetzt wird.The process may be carried out in accordance with previous water-jet cutting, with water being replaced by the above composition containing at least 30% by weight of ionic liquid.
Die Zusammensetzung wird dazu in einem Kompressionsraum komprimiert, so dass sie als Hochdruckstrahl mit einem Druck von mindestens 100 bar und einer Geschwindigkeit von mindestens 50 Meter (m)/Sekunde (s) austritt.The composition is compressed in a compression chamber so that it emerges as a high-pressure jet with a pressure of at least 100 bar and a speed of at least 50 meters (m) / second (s).
Übliche Austrittsdrucke liegen im Bereich von 100 bis 8000 bar, insbesondere betragen die Austrittsdrucke mindestens 1000 bar, vorzugsweise mindestens 2000 bar.Usual outlet pressures are in the range of 100 to 8000 bar, in particular, the outlet pressures are at least 1000 bar, preferably at least 2000 bar.
Übliche Austrittsgeschwindigkeiten liegen im Bereich von 100 m/s bis zu 2000 m/s, insbesondere betragen sie mindestens 300 m/s, vorzugsweise mindestens 500 m/s.Usual exit velocities are in the range of 100 m / s up to 2000 m / s, in particular they are at least 300 m / s, preferably at least 500 m / s.
Übliche Apparaturen zur Durchführung des Verfahrens umfassen im allgemeinen mindestens einen Kompressionsraum, eine Vorrichtung zur Druckerzeugung, eine Düse für den Austritt des Hochdruckstrahls, Vorrichtungen zur genauen Ausrichtung des Hochdruckstrahls und eine geeignete Auffang-vorrichtung für den Hochdruckstrahl nach erfolgter mechanischer Bearbeitung und damit verbundenem Druckabfall.Conventional apparatus for carrying out the method generally comprise at least one compression chamber, a pressure generating device, a nozzle for the discharge of the high pressure jet, means for accurately aligning the high pressure jet and a suitable high pressure jet catcher after mechanical processing and associated pressure drop.
Das Verfahren eignet sich zur mechanischen Bearbeitung von Werkstücken. Insbesondere werden Werkstücke mit einem Hochdruckstrahl der Zusammensetzung durchtrennt. So können aus den Werkstücken unterschiedlichste dreidimensionale Formen mit hoher Genauigkeit ausgeschnitten werden oder die Werkstücke in beliebiger Weise zerteilt wenden. Das Verfahren eignet sich auch zum Entgraten von Werkstücken.The method is suitable for the mechanical machining of workpieces. In particular, workpieces are severed with a high pressure jet of composition. Thus, the most diverse three-dimensional shapes can be cut out of the workpieces with high accuracy or turn the workpieces in any way divided. The method is also suitable for deburring workpieces.
Das Verfahren kann zur Bearbeitung von Gegenständen z. B. aus Kunststoff, Leder, Metall oder Stein oder von Verbundmaterialien, die aus mindestens zwei unterschiedlichen Materialien bestehen, eingesetzt werde.The method can be used for processing objects z. As plastic, leather, metal or stone or composite materials made of at least two different materials are used.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass der Energieaufwand zur Kompression der Zusammensetzung auf den erforderlichen Druck nur gering ist und gegen über dem bisherigen Verfahren des Wasserstrahlschneidens deutlich weniger Energie zur Kompression benötigt wird.An advantage of the method according to the invention is that the energy required to compress the composition to the required pressure is low and compared to the previous method of water jet cutting significantly less energy is required for compression.
Weiterhin kommt es bei Austritt der Zusammensetzung aus dem Kompressionsraum nicht oder kaum zu spontanen Verdampfungen, welche zu Schädigungen an den Anlagenteilen, z. B. der Fokussiereinrichtung zum Einstellen der Richtung des Wasserstrahls, führen können.Furthermore, it comes with escape of the composition from the compression chamber or hardly to spontaneous evaporation, resulting in damage to the plant parts, eg. B. the focusing device for adjusting the direction of the water jet, can lead.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- WO 03/029329 [0026] WO 03/029329 [0026]
- WO 2007/076979 [0026] WO 2007/076979 [0026]
- WO 2006/000197 [0026] WO 2006/000197 [0026]
- WO 2007/128268 [0026] WO 2007/128268 [0026]
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