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EP 1 749 596 A1 |
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EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG |
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Veröffentlichungstag: |
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07.02.2007 Patentblatt 2007/06 |
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Anmeldetag: 29.07.2005 |
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Internationale Patentklassifikation (IPC):
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(84) |
Benannte Vertragsstaaten: |
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AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IS IT LI LT LU LV MC NL PL PT RO SE
SI SK TR |
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Benannte Erstreckungsstaaten: |
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AL BA HR MK YU |
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Anmelder: ACTech GmbH |
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09599 Freiberg (DE) |
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Erfinder: |
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- Aliyev, Rezo, Dr.-Ing.
09599 Freiberg (DE)
- Gantner, Detlev
09599 Freiberg (DE)
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Vertreter: Borchard, Wolfgang |
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Hartzstrasse 4 04129 Leipzig 04129 Leipzig (DE) |
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Bemerkungen: |
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Geänderte Patentansprüche gemäss Regel 86 (2) EPÜ. |
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(54) |
Verfahren zur Herstellung einer Giessform aus einem Verbundformstoff für Giessereizwecke |
(57) Insbesondere für die Herstellung kostengünstiger und schneller Prototypen in der
Produktentwicklung bezweckt die Erfindung ein Verfahren für die Herstellung einer
Gießform aus einem Verbundformstoff für Gießereizwecke, der aus verschiedenartigen
Formstoffen zusammengesetzt ist, die für das Gießen von Metallen hitzebeständig sind
und die eine unterschiedliche stoffliche Zusammensetzung oder einen unterschiedlichen
Gehalt an organischen oder anorganischen Bindemitteln aufweisen. Erfindungsgemäß wird
aus einem Gießereiformstoff A ein fester Formkörper (2) hergestellt, der bei der Herstellung
mit einem rieselfähigen chemisch gebundenen Gießereiformstoff B vollständig oder teilweise
umhüllt wird. Nach dem Aushärten des Gießereiformstoffes B wird mit dem Formstoffblock
(3) ein blockförmiger Verbundformstoff gebildet, der anschließend durch ein abtragendes
Verfahren wie Fräsen, Bohren, Drehen oder Schleifen bearbeitet wird. In den aus dem
Gießereiformstoff A bestehenden Formkörper (2) wird der Formhohlraum (1) und in den
aus dem Gießereiformstoff B bestehenden Formstoffblock (3) wird das Anguss-System
(4) und Speisersystem (5) unter Verwendung von CAD-Daten eingebracht.
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[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Gießform aus einem
Verbundformstoff für Gießereizwecke, der aus verschiedenartigen Formstoffen zusammengesetzt
ist, die für das Gießen von Metallen hitzebeständig sind und die eine unterschiedliche
stoffliche Zusammensetzung oder einen unterschiedlichen Gehalt an organischen oder
anorganischen Bindemitteln aufweisen. Derartige Formstoffe sind insbesondere Zusammensetzungen
von hitzebeständigen Formmassen und Kernmassen, die aus einem feuerfesten mineralischen
Grundstoff, meist Quarzsand, und einem Bindersystem bestehen. Für besondere Ansprüche
an die Form und das Gussteil werden auch feuerfeste keramische Massen und Werkstoffe
eingesetzt, die sich durch abtragende Fertigungsverfahren bearbeiten lassen. Quarzsand
ist wegen seines angemessenen Preises, seiner Häufigkeit und seiner Eigenschaften
der überwiegende Formgrundstoff.
[0002] Im Streben nach kostengünstigen Lösungen bei der Herstellung von Gießformen ist es
seit langem in der Praxis bekannt, Formstoffe mit unterschiedlichen Eigenschaften
und demzufolge verschiedener Zusammensetzung einzusetzen.
Nach Ambos, Urformtechnik metallischer Werkstoffe, Verlag für Grundstoffindustrie,
2. Auflage, Leipzig 1982, Seite 51, ist es bei manueller und mechanisierter Herstellung der Formen und Kerne üblich,
sobald diese eine bestimmte Mindestgröße überschreiten, an das Modell oder die Kernkastenwand
eine dünne Schicht hochwertigen Formstoffs anzulegen. Dieser Formstoff gerät beim
Gießen in unmittelbaren Kontakt mit dem flüssigen Metall und muss die dem Gussteil
adäquaten Eigenschaften aufweisen. Er enthält deshalb einen relativ hohen Anteil von
Bindemittel und wird als Modellformstoff bezeichnet.
[0003] Der größte Teil des Formkasten beziehungsweise des Kernkastens wird jedoch mit einem
Formstoff geringerer Wertigkeit, dem so genannten Füllformstoff oder Füllsand, ausgefüllt.
Er enthält wesentlich weniger Bindemittel und gestattet maßgebliche Kostenreduzierungen
gegenüber dem Füllen der gesamten Form mit hochwertigem Formstoff, wie er an der Kontaktfläche
des Formstoffs an das flüssige Metall benötigt wird. Nachteilig ist, dass für die
Herstellung einer Gießform ein Modell benötigt wird. Die Herstellung eines Modells
ist mit einer weiteren Kostenerhöhung und einem erheblichen Zeitaufwand verbunden.
Außerdem ist das Verfahren auf die Herstellung von Gießformen beschränkt, die ausschließlich
aus Gießereiformsand bestehen.
[0004] Aus der
JP 61 245 942 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer verlorenen Gießform aus einem Verbundformstoff
bekannt, die eine in eine Sandform eingebettete Gipsform aufweist. Für die Anfertigung
der Gipsform und der Sandform ist jeweils die Herstellung eines Modells erforderlich.
Für die Gipsform wird ein Modell aus Wachs gefertigt, das in einen Behälter eingesetzt
und mit einem Gipsbrei vergossen wird. Die Gipsform wird einer Primär - und Sekundärcalcination
unterworfen, damit die keramische Form gehärtet wird. Die Gipsform wird in die Gussteilform
mit Gießereiformsand eingebettet und nachfolgend wird dann das flüssige Metall gegossen.
Bei dieser Verfahrensweise werden verschiedene zeitaufwändige Herstellungsschritte
für die Herstellung der Modelle für die Sandform und die Gipsform erforderlich, die
mit einem erheblichen Kostenaufwand verbunden sind. Insbesondere für die schnelle
Herstellung von Prototypen ist das vorgeschlagene Verfahren aus diesem Grunde nicht
geeignet.
[0005] In der Produktentwicklung werden kostengünstige und schnelle Prototypen mit zunehmender
Seriennähe zu Designstudien und Funktionszwecken benötigt, um die hohen Entwicklungskosten
herabzusetzen. Durch die notwendige Anfertigung von Modellen ist die schnelle Verfügbarkeit
von Prototypen nicht gewährleistet, weil die Herstellung keramischer Gießformen einen
hohen zeitlichen Bedarf beansprucht. Die Erfindung bezweckt daher ein schnelles und
kostengünstiges Verfahren für die Herstellung einer Gießform aus einem Verbundformstoff
für Gießereizwecke, der aus verschiedenartigen Formstoffen zusammengesetzt ist.
[0006] Die Erfindung löst die voran stehende Aufgabe durch die Herstellung eines blockförmigen
Verbundformstoffs aus unterschiedlichen Gießereiformstoffen und dessen anschließende
mechanische Bearbeitung. Bei der Herstellung des blockförmigen Verbundformstoffs wird
zunächst ein fester Formkörper aus dem Gießereiformstoff A hergestellt, meist quaderförmig,
der von einem pulverförmigen und rieselfähigen Gießereiformstoff B, meist chemisch
gebundener Formsand, umhüllt wird, der nach dem Aushärten mit dem Gießereiformstoff
A verbunden ist und eine formschlüssige Verbindung eingeht. Das formschlüssige Einbetten
des keramischen Formkörpers in den Gießereisand kann mit Hilfe von Vorsprüngen oder
Ausnehmungen oder durch eine entsprechende prismatische Form des keramischen Formkörpers
mit konisch verlaufenden Seitenwänden erfolgen.
[0007] Bei der anschließenden mechanischen Bearbeitung wird in den Bereich des Gießereiformstoffes
A die Negativkontur des Gussteiles eingebracht, während in den Bereich des Gießereiformstoffes
B ausschließlich das Anguss-System und Speisersystem eingebracht wird. Entsprechend
den unterschiedlichen Werkstoffdaten ist es zweckmäßig, für die Bearbeitung des Formhohlraumes
für das Gussteil in dem Bereich des Gießereiformstoffs A ein separates CAD / CAM Bearbeitungsprogramm
zu verwenden. Für die Bearbeitung des Anguss-Systems und des Speisersystems im Bereich
des Gießereiformstoffs B kann dementsprechend ein zweites Bearbeitungsprogramm für
ein abtragendes Verfahren, vorzugsweise ein Fräsprogramm für das direkte Formstoff-
Fräsen eingesetzt werden.
[0008] Der Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens ist eine Gießform aus einem Verbundformstoff
von zwei unterschiedlichen Gießereiformstoffen, die eine unterschiedliche stoffliche
Zusammensetzung entsprechend der gewünschten Gussteilqualität aufweist. Die unterschiedliche
stoffliche Zusammensetzung kann durch einen unterschiedlichen Gehalt an Bindemitteln
oder durch die die Zusammensetzung des verwendeten Gießereiformstoffs gekennzeichnet
sein. Besonders vorteilhaft ist ein Verbundformstoff in Kombination von herkömmlichem
Gießereisand für den Gießereiformstoff B mit keramischen Werkstoffen für den Gießereiformstoff
A. Der keramische Werkstoff enthält dabei ausschließlich die Gussteilgeometrie.
[0009] Die Herstellung von qualitativ hochwertigen Gussteilen bezüglich Maßhaltigkeit und
Oberflächengüte mit einer keramischen Gießform kann wesentlich vereinfacht und beschleunigt
werden, weil der Anteil der zu bearbeitenden Keramik auf ein Minimum reduziert werden
kann.
[0010] Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
ergeben sich aus den Unteransprüchen. Im Einzelnen zeigt
Figur 1 eine halbe Gießform aus zwei Gießereiformstoffen,
Figur 2 die Herstellung eines blockförmigen Verbundformstoffs aus zwei unterschiedlichen
Gießereiformstoffen und
Figur 3 das Einbringen der Formkontur durch Fräsen in schematischer Darstellung.
[0011] Das nachfolgende Ausführungsbeispiel soll anhand einer keramischen Gießform für ein
Gussteil, beispielsweise ein Feingussteil, beschrieben werden. In der Figur 1 ist
eine der Gießfomihälften dargestellt, die mit dem nicht dargestellten Gegenstück zusammen
eine Gießform für ein metallisches Gussteil ergibt. Der Formhohlraum 1 des Gussteiles
wird dabei durch einen Formkörper 2 abgebildet, der vollständig aus einem keramischen
Gießereiformstoff A hergestellt wird. Der Formkörper 2 bildet mit einem Formstoffblock
3 aus einem Gießereiformstoff B einen blockförmigen Verbundformstoff. Im Bereich des
Formstoffblocks 3 aus dem Gießereiformstoffes B ist ein Stück des Anguss-Systems 4
und des Speisersystems 5 sichtbar. Die Gießform ist eine zweiteilige Form beispielsweise
mit einem Oberteil und einem Unterteil. Bei komplexeren Gussteilen kann die Gießform
aus mehreren Teilen bestehen, z.B. noch aus Kernen. Für das Einlegen von Kernen können
in die Gießformhälften problemlos Kemmarken 6 eingearbeitet werden.
[0012] In dem Ausführungsbeispiel wird gemäß Figur 2 zur schrittweisen Anfertigung einer
Gießform ein der jeweiligen Gießformhälfte entsprechender Verbundformstoff hergestellt,
der einen Formkörper 2 aus einem keramischen Gießereiformstoff A enthält. Aus dem
keramischen Gießereiformstoff A wird zunächst ein prismatischer Formkörper 2 hergestellt,
der im Wesentlichen den Abmessungen des tatsächlichen Gussteiles entspricht, ausgenommen
das Anguss-System 4 und Speisersystem 5. Der keramische Formkörper 2 wird in Endfestigkeit
unter Verwendung eines Gießereiformstoffs A hergestellt, der für eine abtragende Bearbeitung
durch ein Verfahren wie Fräsen, Bohren, Drehen, Schleifen oder Erodieren geeignet
ist und der den gießtechnischen Anforderungen in Bezug auf Hitzebeständigkeit und
die Reaktionsfestigkeit gegenüber dem Gusswerkstoff genügt.
[0013] Im nächsten Arbeitsschritt, vor der Herstellung des Formhohlraums 1 für das Gussteil,
wird der keramische Formkörper 2 aus dem Gießereiformstoff A mit einem pulverförmigen
und rieselfähigen, chemisch gebundenen Gießereiformstoff B umhüllt, womit der Formstoffblock
3 entsteht. In den Formstoffblock 3 sind im Wesentlichen das Anguss-System 4 und das
Speisersystem 5 integriert. Während der Blockabformung des Formstoffblocks 3 soll
der Formkörper 2 formschlüssig mit dem umhüllenden chemisch aushärtenden Gießereiformstoff
B verbunden werden. Der Formschluss kann mit Hilfe von Vorsprüngen oder Ausnehmungen
oder durch eine entsprechende prismatische Form des Formkörpers 2 mit konisch verlaufenden
Seitenwänden 7 erfolgen. Vorzugsweise wird für das Umhüllen des keramischen Formkörpers
2 ein aus Quarzsand bestehender Gießereiformsand mit einem wärmehärtbaren Bindemittel
eingesetzt. Daraufhin wird die Gießform während der Blockformung mit dem eingebrachten
Gießereisand ― Bindemittel - Gemisch auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur
des Binders erhitzt und der Formstoffblock 3 ausgehärtet. Nach der Aushärtung bildet
der Formkörper 2 aus dem Gießereiformstoff A mit dem Formstoffblock 3 aus dem Gießereiformstoff
B einen Verbundformstoff, der in einer Aufspannung durch ein abtragendes Verfahren
mit einer entsprechenden Werkzeugmaschine durch Fräsen, Bohren, Drehen oder Schleifen
bearbeitet werden kann.
[0014] Die Erfindung soll jedoch nicht auf einen Gießereiformstoff B mit einem warmhärtbaren
Bindemittel beschränkt werden. Vielmehr können im Rahmen der Patentansprüche als Bindemittel
für Gießereiformsand Bentonite eingesetzt werden. Als aushärtende Bindemittel sind
beispielsweise Wasserglas oder Furanharze sowie andere Produkte der organischen Chemie
anwendbar. Für größere Gussstücke kann mit gutem Erfolg Zement als aushärtendes Bindemittel
verwandt werden. Es kann auch ein Giessereiformstoff eingesetzt werden, der einen
Zusatz von Gips als Bindemittel aufweist. Insgesamt können Bindemittel eingesetzt
werden, die nachfolgend die Bearbeitung des Gießsystems mit abtragenden Verfahren
ermöglichen.
[0015] Nach Figur 3 erfolgt in einem weiteren Arbeitsschritt die Bearbeitung des Anguss-Systems
4 und des Speisersystems 5, das besonders vorteilhaft bei Verwendung von Gießereiformsand
durch direktes Formstoff - Fräsen mit einer CNC - Fräsmaschine vorgenommen werden
kann. Die Erzeugung des Formhohlraums 1 für das Gussteil erfolgt ebenfalls mit einer
CNC-Werkzeugmaschine.
[0016] Zur NC - Programmierung komplizierter dreidimensionale Oberflächen werden CAM Systeme
eingesetzt, die eine manuelle Programmierung überflüssig machen. Die Entwicklungsarbeit
bei der Herstellung von Prototypen reduziert sich auf das maßgerechte Konstruieren
innerhalb eines CAD - Systems. Derartige Systeme sind unabhängig von der Komplexität
des Gussstücks und ermöglichen unterschiedliche Bearbeitungsanweisungen für Frässtrategien
und andere abtragende Verfahren. Die Fertigung der Prototypen basiert somit direkt
auf den 3D - Datensätzen des Gussrohteiles, aus denen die Datensätze für den Formhohlraum
1 generiert werden. Durch den Einsatz des direkten Formstoff - Fräsens ist damit eine
noch schnellere und kostengünstige ausschließlich computergestützte Bereitstellung
von Prototypen möglich.
[0017] Die Konstruktion der Kavität für das Anguss-System 4 und das Speisersystem 5 erfolgt
aus den Rohteildaten des Gussstücks, aus denen die Datensätze für das Anguss-System
4 und das Speisersystem 5 angefertigt werden. Durch einen Datentransfer wird mit daraus
abgeleiteten NC - Daten das Fräsprogramm unter Verwendung der Werkzeugvorgaben erstellt.
Vorteilhaft ist die Möglichkeit des Einsatzes einer besonderen Frässtrategie für die
Herstellung des Anguss-Systems 4 und des Speisersystems 5 bei Einsatz eines kunstharzgebundenen
Gießereiformsands.
[0018] Für den Formkörper 2 kann ein für das Gussteil optimaler Gießereiformstoff A ausgewählt
werden, während der Gießereiformstoff B die mechanische Bearbeitung vereinfacht oder
anderen Randbedingungen besser genügt. Demzufolge kann für den Formhohlraum 1, das
Anguss-System 4 und für das Speisersystem 5 separat jeweils die günstigste Frässtrategie
ausgewählt werden.
[0019] Dieses Verfahren kann auch bei Gussteilen mit einer komplizierten Geometrie eingesetzt
werden. Auf diese Weise ermöglicht die Erfindung die Herstellung schneller Prototypen.
1. Verfahren zur Herstellung einer Gießform aus einem Verbundformstoff für Gießereizwecke,
der aus verschiedenartigen Formstoffen zusammengesetzt ist, die für das Gießen von
Metallen hitzebeständig sind und die eine unterschiedliche stoffliche Zusammensetzung
oder einen unterschiedlichen Gehalt an organischen oder anorganischen Bindemitteln
aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Gießereiformstoff A ein fester Formkörper (2) hergestellt wird, der bei
der Herstellung mit einem pulverförmigen und rieselfähigen chemisch gebundenen Gießereiformstoff
B vollständig oder teilweise umhüllt wird, wobei aus dem blockförmigen Verbundformstoff
nach dem Aushärten des Gießereiformstoffes B ein Formstoffblock (3) gebildet wird,
der anschließend durch ein abtragendes Verfahren wie Fräsen, Bohren, Drehen oder Schleifen
bearbeitet wird, wobei in den aus dem Gießereiformstoff A bestehenden Formkörper (2)
der Formhohlraum (1) und in den aus dem Gießereiformstoff B bestehenden Formstoffblock
(3) das Anguss-System (4) und Speisersystem (5) unter Verwendung von CAD-Daten eingebracht
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Gießereiformstoff A feuerfeste temperaturwechselbeständige keramische Gießereiformstoffe
in Endfestigkeit eingesetzt werden, die durch ein abtragendes Verfahren, wie Fräsen,
Drehen, Bohren oder Schleifen bearbeitet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Gießereiformstoff A Gießereiformsand mit einem warmhärtbaren Bindemittel
oder einem Bindemittel auf der Basis von Bentoniten, Wasserglas, Furanharz, Zement
oder Gips in Endfestigkeit eingesetzt wird, wobei der Bindemittelgehalt anders und/oder
die Sandsorte eine andere als bei Gießereiformstoff B ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Gießereiformstoff B Gießereiformsand mit einem warmhärtbaren Bindemittel
oder einem Bindemittel auf der Basis von Bentoniten, Wasserglas, Furanharz, Zement
oder Gips eingesetzt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass während der Blockabformung der Formkörper (2) aus dem Gießereiformstoff A formschlüssig
mit dem Gießereiformstoff B mittels Vorsprüngen oder Ausnehmungen oder durch eine
prismatische Form mit konisch verlaufenden Seitenwänden (7) verbunden wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitung des Formhohlraums (1) für das Gussteil mit einem aus den 3D - Datensätzen
des Gussrohteiles generierten NC-Programm und die Fertigung des Anguss-Systems (4)
und Speisersystems (5) mit einem separaten NC-Programm mit jeweils angepaßten Bearbeitungsparametern
vorgenommen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in die Gießform Kernmarken (6) für Kerne eingearbeitet werden.
Geänderte Patentansprüche gemäss Regel 86(2) EPÜ.
1. Verfahren zur Herstellung einer Gießform aus einem Verbundformstoff für Gießereizwecke,
der aus verschiedenartigen Formstoffen zusammengesetzt ist, die für das Gießen von
Metallen hitzebeständig sind und die eine unterschiedliche stoffliche Zusammensetzung,
dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Gießereiformstoff A ein fester Formkörper (2) hergestellt wird, der bei
der Herstellung mit einem pulverförmigen und rieselfähigen chemisch gebundenen Gießereiformstoff
B vollständig oder teilweise umhüllt wird, wobei aus dem blockförmigen Verbundformstoff
nach dem Aushärten des Gießereiformstoffes B ein Formstoffblock (3) gebildet wird,
der anschließend durch ein abtragendes Verfahren wie Fräsen, Bohren, Drehen oder Schleifen
bearbeitet wird, wobei in den aus dem Gießereiformstoff A bestehenden Formkörper (2)
der Formhohlraum (1) und in den aus dem Gießereiformstoff B bestehenden Formstoffblock
(3) das Anguss-System (4) und Speisersystem (5) unter Verwendung von CAD-Daten eingebracht
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Gießereiformstoff A feuerfeste temperaturwechselbeständige keramische Gießereiformstoffe
in Endfestigkeit eingesetzt werden, die durch ein abtragendes Verfahren, wie Fräsen,
Drehen, Bohren oder Schleifen bearbeitet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Gießereiformstoff A Gießereiformsand mit einem warmhärtbaren Bindemittel
oder einem Bindemittel auf der Basis von Bentoniten, Wasserglas, Furanharz, Zement
oder Gips in Endfestigkeit eingesetzt wird, wobei der Bindemittelgehalt anders und/oder
die Sandsorte eine andere als bei Gießereiformstoff B ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Gießereiformstoff B Gießereiformsand mit einem warmhärtbaren Bindemittel
oder einem Bindemittel auf der Basis von Bentoniten, Wasserglas, Furanharz, Zement
oder Gips eingesetzt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass während der Blockabformung der Formkörper (2) aus dem Gießereiformstoff A formschlüssig
mit dem Gießereiformstoff B mittels Vorsprüngen oder Ausnehmungen oder durch eine
prismatische Form mit konisch verlaufenden Seitenwänden (7) verbunden wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitung des Formhohlraums (1) für das Gussteil mit einem aus den 3D - Datensätzen
des Gussrohteiles generierten NC-Programm und die Fertigung des Anguss-Systems (4)
und Speisersystems (5) mit einem separaten NC-Programm mit jeweils angepaßten Bearbeitungsparametern
vorgenommen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in die Gießform Kernmarken (6) für Kerne eingearbeitet werden.
IN DER BESCHREIBUNG AUFGEFÜHRTE DOKUMENTE
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In der Beschreibung aufgeführte Nicht-Patentliteratur
- NACH AMBOSUrformtechnik metallischer WerkstoffeVerlag für Grundstoffindustrie1982000051- [0002]