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Dokumentenidentifikation DE3322424C2 01.08.1991
Titel Verfahren zum Gießen eines Kolbens
Anmelder AE PLC, Rugby, Warwickshire, GB
Erfinder Allen, Gordon Lennard, Rugby, Warwickshire, GB;
Monru, Robert, Lymington, Hampshire, GB;
Day, Roger Anthony, Pennington,Lymington, Hampshire, GB
Vertreter Stenger, A., Dipl.-Ing.; Watzke, W., Dipl.-Ing.; Ring, H., Dipl.-Ing., Pat.-Anwälte, 4000 Düsseldorf
DE-Anmeldedatum 22.06.1983
DE-Aktenzeichen 3322424
Offenlegungstag 29.12.1983
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 01.08.1991
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.08.1991
IPC-Hauptklasse B22D 18/02
IPC-Nebenklasse B22D 15/02   B22D 19/00   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gießen eines Kolbens mit einem Kühlhohlraum unter Verwendung einer Gießform mit einem oberen und einem unteren Teil, bei dem der Kolben mit dem Kolbenkopf zuunterst in der Gießform gegossen wird, bei dem weiterhin vor dem Gießen im unteren Gießformteil ein auflösbarer Salzkern plaziert wird und bei dem schließlich das untere Gießformteil mit geschmolzenem Metall gefüllt und dieses anschließend ausgehärtet wird.

Beim herkömmlichen Standguß von Kolben besteht ein bekanntes Verfahren zur Ausbildung von Hohlräumen darin, daß ein auflösbarer Kern in der Form des geforderten Hohlraumes ausgebildet und dann in der geforderten Position in der Gießform vor dem Gießen des Kolbens plaziert wird. Derartige Kerne bestehen gewöhnlich aus einem Salz, wie z. B. Natriumchlorid. Sie können jedoch auch aus jedem anderen auflösbaren Salz oder einer Mischung von Salzen bestehen. Wenn beim Dauerformguß Kolben mit dem Kolbenkopf zuunterst gegossen werden, kann der Salzkern zum einen am Kern der Gießform befestigt und zusammen mit diesem in das andere Gießformteil hineingesteckt werden. Zum anderen kann der Salzkern im unteren Gießformteil durch die Formung des Salzkerns mit einstückig ausgebildeten Salzstützen positioniert werden, die es dem Salzkern ermöglichen, daß er auf dem Boden des unteren Gießformteils oder, wenn dies vorgesehen ist, auf einem zusätzlich im unteren Gießformteil angeordneten Kolbenkopfeinsatz stehen kann. Nach dem Gießen wird das Salz mit einem geeigneten Lösungsmittel ausgespült, so daß ein Hohlraum für die Zirkulation des Kühlmittels bestehen bleibt.

In den vergangenen Jahren ist die Aufmerksamkeit auf das Preßgießen, beispielsweise Preßdruckgießen von Kolben gerichtet worden. Bei einer derartigen Gießtechnik wird das geschmolzene Metall des Kolbens unter Druck erstarrt, um so ein Gußstück zu erzeugen, dessen Struktur besonders homogen und frei von Poren ist und das somit stabiler als beim Dauerguß ist. Dieses Flüssigpressen zum Herstellen von Kolben wird beispielsweise in DD-Z "Gießereitechnik" 17 (1971), 12; S. 403-406, W. Thaler, "Flüssigpressen - ein Verfahren zur Kolbenherstellung" beschrieben. Im allgemeinen wird beim Preßgießen der Kolben mit dem Kolbenkopf zuunterst gegossen, um sicherzustellen, daß das zuerst in die Gießform eintretende geschmolzene Metall nicht erstarrt, bevor der volle Druck erreicht ist.

Die Bildung von Hohlräumen bei derartigen durch Preßgießen hergestellten Gußstücken unter Verwendung von Salzkernen stellt jedoch ein Problem dar, weil die oben beschriebenen Verfahren für den Dauerguß nicht erfolgreich angewandt werden können. Wenn der Salzkern am Kern der Gießform befestigt ist, besteht die Gefahr der Beschädigung des Salzkerns sowie der ungenauen Lage, da sich die Gießformteile während des Erstarrens des Gußstückes infolge einer Kontraktion unter Druck weiterhin relativ zueinander bewegen können. Wenn der Salzkern auf Salzstützen steht, ist der Druck oft ausreichend, daß das geschmolzene Metall die Salzstützen durchsetzt, so daß der Salzkern nur schwer ausgespült werden kann. Der Druck läßt auch die Salzstützen zerbrechen, so daß der Salzkern seine Lage verändern kann.

Aus der DE-AS 17 83 076 ist das Verfahren zum Gießen eines Kolbens der eingangs angegebenen Art bekannt, in dessen Kolbenkopf ein Kühlhohlram ausgebildet sein soll. Zu diesem Zweck wird der für den Kühlhohlraum vorgesehene Raum während des Gießens durch einen Salzkasten ausgefüllt, der nach dem Gießen und Erstarren des Metalls aufgelöst wird. Zu diesem Zweck sieht das bekannte Gießverfahren vor, den Salzkern am oberen Gießformteil durch Drähte zu fixieren, welche durch Rohre hindurchgeführt sind. Indem im Salzkern Gewindenippel verankert sind und die Drähte an diesen Gewindenippeln befestigt sind, werden die Drähte derart gespannt, daß sie den Salzkern gegen das offene Ende der Rohre ziehen. Diese aus dem oberen Gießformteil und dem Salzkern gebildete Einheit wird dann in Eingriff mit dem unteren Gießformteil gebracht, um geschmolzenes Metall in die geschlossene Gießform einzufüllen und aushärten zu lassen. Während des Erstarrens des Metalls wird dabei kein Druck ausgeübt.

Das herkömmliche Gießverfahren ist somit nur als sogenannter Standguß ohne Druckausübung möglich. Für das sogenannte Preßgießverfahren ist das bekannte Verfahren völlig ungeeignet. Das Preßgießverfahren, bei dem während des Erstarrens des Metalls ein Druck auf dieses ausgeübt wird, würde jedoch einen Kolben schaffen, der weniger Lufteinschlüsse aufweist und demzufolge fester ist, als dies bei durch den herkömmlichen Standguß hergestellten Kolben der Fall ist.

Für das Preßgießverfahren ist das bekannte Verfahren zunächst daher nicht geeignet, da der Salzkern am oberen Gießformteil angeordnet ist. Während des Preßgießverfahrens würde somit der Salzkern zusammen mit dem oberen Gießformteil in das geschmolzene Metall vor dem Erstarrungsprozeß getaucht werden. Hier besteht aber die Gefahr, daß der Salzkern, wenn er in Berührung mit dem geschmolzenen Metall gelangt, beschädigt oder in seiner Position verschoben wird. Da während des Preßgießens das obere Gießformteil bewegt wird, bewegt sich mit ihm gleichzeitig der Salzkern. An den Stellen, wo das Metall schon teilweise erstarrt ist, besteht aber die Gefahr, daß durch die Bewegung der Salzkern beschädigt wird und gar zerbricht. Insgesamt ist somit festzustellen, daß das bekannte Verfahren zum Preßgießen völlig ungeeignet ist.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das bekannte Gießverfahren derart weiterzuentwickeln, daß es als Preßgießverfahren durchführbar ist.

Als technische Lösung wird mit der Erfindung vorgeschlagen, daß vor dem Plazieren des Salzkerns im unteren Gießformteil dieser an einem Kolbenkopfeinsatz angeordnet wird, der auf einen Boden des unteren Gießformteils vor dem Gießen gesetzt wird, daß das untere Gießformteil mit geschmolzenem Metall gefüllt wird und dabei das obere Gießformteil separat vom unteren Gießformteil ist und daß schließlich das obere Gießformteil in das untere Gießformteil zum Erstarren des geschmolzenen Metalls unter Druck hineinbewegt wird.

Auf diese Weise ist es möglich, den Kolben mittels eines Preßgießverfahrens herzustellen. Durch die Anordnung des Salzkernes am unteren Gießformteil besteht nicht die Gefahr, daß der Salzkern beschädigt wird, wenn das obere Gießformteil nach unten in das geschmolzene Metall zu Beginn des Erstarrungsprozesses bewegt wird. Weiterhin wird der Salzkern während des Erstarrungsprozesses nicht bezüglich zum erstarrenden Metall bewegt, so daß der Salzkern eine exakte Position bezüglich zum unteren Gießformteil erhält. Schließlich besteht für den Salzkern nicht die Gefahr, daß er während des Erstarrungsprozesses beschädigt wird oder gar zerbricht, da er während dieses Prozesses durch den Kolbenkopfeinsatz gehalten wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden wird am Beispiel von mehreren Ausführungsformen der Erfindung diese anhand der Zeichnungen genauer beschrieben.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch ein Kolbengußstück mit einem Kolbenkopfeinsatz und einem an diesem mittels Drähten befestigten Salzkern,

Fig. 2 einen Vertikalschnitt, einen Schnitt entlang der Linie A-A des Vertikalschnittes und einen Schnitt entlang der Linie B-B des Schnittes entlang der Linie A-A eines Kolbengußstückes mit einem Kolbenkopfeinsatz mit Stützen und mit einem Salzkern, der mittels Drähten an den Stützen (ausgezogene Linie) und am Körper des Kolbenkopfeinsatzes (gestrichelte Linie) befestigt ist.

Fig. 3 einen Vertikalschnitt durch ein Kolbengußstück mit einem Kolbenkopfeinsatz und einem Salzkern, der, in der Figur links, am Kolbenkopfeinsatz mittels eines sich in den Salzkern hinein erstreckenden Drahtes befestigt und der, in der Figur rechts, am Kolbenkopfeinsatz mittels eines sich um den Salzkern herum erstreckenden Drahtes befestigt ist,

Fig. 4 einen Vertikalschnitt durch ein Kolbengußstück mit einem Kolbenkopfeinsatz mit einer Nut zur Aufnahme des Salzkernes, und

Fig. 5 einen Vertikalschnitt durch ein Kolbengußstück mit einem Kolbenkopfeinsatz, in dem ein Salzkern angeordnet ist.

Sämtliche Kolbengußstücke, die anhand der Zeichnungen beschrieben werden, werden mit einem Gießverfahren hergestellt, bei dem der Kolbenkopf des Kolbengußstückes am Boden der Gießform ausgebildet wird. Weiterhin ist das Gießverfahren ein Preßgießverfahren, vorzugsweise ein Preßdruckgießverfahren, wobei ein stationär angeordnetes unteres Gießformteil und ein beweglicher oberer Gießformkern verwendet wird. Der obere Gießformkern ist vom unteren Gießformteil getrennt, wobei dieses mit dem geschmolzenen Gießmetall gefüllt wird. Der Gießformkern wird dann in das untere Gießformteil gesenkt, um anfänglich die Gießform zu verschließen und dann das Volumen der Gießform zu verringern, um so sicherzustellen, daß das geschmolzene Metall unter Druck erstarrt, um so Hohlräume und Poren im Gußstück zu verkleinern und es dadurch zu verfestigen.

Um das Gewicht der Kolben zu verringern, werden sie üblicherweise mit Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gegossen. Diese Metalle sind jedoch nicht optimal dazu geeignet, den hohen Temperaturen zu widerstehen, die im Verbrennungsraum eines Verbrennungsmotors auftreten. Aus diesem Grund können die Kolben mit einem Einsatz im Kolbenkopf versehen werden, der aus einem hitzebeständigeren Material besteht als das Material des Kolbenkörpers.

Damit zusätzlich ein Kühlmittel, z. B. Öl, Wärme vom Kolbenkopfende des Kolbens abführen kann, kann dieser Teil des Kolbens mit einem Hohlraum versehen sein, durch den das Kühlmittel vom Inneren des Kolbens zirkuliert.

Die nun anhand der Zeichnungen zu beschreibenden Ausführungsformen der Erfindung betreffen allesamt Preßgießverfahren zur Aufnahme derartiger Kolbenkopfeinsätze in Kolbengußstücken, während im Gußstück Hohlräume ausgebildet werden.

In Fig. 1 ist ein Kolbenkopfeinsatz 10 aus einer Aluminiumlegierung, z. B. eine LO-EX-Aluminiumlegierung oder eine Y-Legierung oder Derivate, vorgefertigt. Der Kolbenkopfeinsatz 10 ist im wesentlichen von zylinderförmiger Gestalt mit zwei ebenen Flächen 11, 12, von denen die eine Fläche die Kolbenkopffläche des fertigen Kolbens bildet und von denen die andere Fläche 12 eine Mehrzahl von Drahtstiften 14 besitzt, die nach oben ragen und um den Umfang der Oberfläche herum angeordnet sind. Ein ringförmiger, auflösbarer Salzkern 15 wird von den Drahtstiften 14 getragen und wird somit durch den Kolbenkopfeinsatz 10 gehalten. Die Lage des Salzkernes 15 relativ zum Kolbenkopfeinsatz 10 ist die gleiche wie die geforderte Lage des Hohlraums relativ zum Kolbenkopfeinsatz 10 im Gußstück 16.

Das Salz kann Natriumchlorid oder irgendein anderes geeignetes Salz oder eine Mischung von Salzen sein.

Der Kolbenkopfeinsatz 10 und der Salzkern 15 werden im unteren Gießformteil mit der Fläche 11 auf dem Boden der Gießform plaziert. Der in Fig. 1 dargestellte Kolben wird dann mittels des oben beschriebenen Preßdruckgießverfahrens hergestellt, wobei der Kolbenkopfeinsatz 10 mit dem Gußstück 16 durch die Ausbildung einer Verschmelzung zwischen diesen beiden Teilen verbunden ist. Ein oder mehrere Löcher werden dann vom Inneren her durch das erstarrte Gußstück 16 gebohrt und der Salzkern 15 mit einem Lösungsmittel ausgespült, um einen Hohlraum und Löcher für die Zirkulation von Kühlmittel zu belassen.

In Fig. 2 besitzt ein Kolbenkopfeinsatz 20 einen im wesentlichen zylinderförmigen Körper und besteht aus einer Kupferlegierung.

Der Kolbenkopfeinsatz 20 besitzt vier Stützen 21, die zu diesem geneigt oder senkrecht angeordnet und die gleichwinklig um eine Oberfläche 22 des Körpers verteilt sind. Die Stützen 21 enden in vergrößerten Köpfen 23. Ein ringförmiger Salzkern 24 ist um die Stützen 21 herum angeordnet und ist am Kolbenkopfeinsatz 20 entweder durch Drähte 25 befestigt, die sich um die Stützen 21 herum und in den Salzkern 24 hinein erstrecken, oder durch Drähte 26, die sich sowohl in den Salzkern 24 als auch in den Körper des Kolbenkopfeinsatzes 20 erstrecken. Somit kann der Salzkern 24 in jeder erforderlichen Lage bezüglich zum Kolbenkopfeinsatz 20 stabil angeordnet werden.

Der Kolbenkopfeinsatz 20 und der Salzkern 24 werden dann im unteren Gießformteil plaziert und der oben beschriebene Gießvorgang durchgeführt. Die Stützen 21 fixieren den Kolbenkopfeinsatz 20 am Gußstück 27 und stellen sicher, daß der Kolbenkopfeinsatz 20 stabil angeordnet ist. Löcher werden in das Gußstück 27 gebohrt und ermöglichen zur Bildung eines Hohlraumes und eines Ein- und Auslasses für das Kühlmittel ein Ausspülen des Salzkernes 24. Der Kolbenkopfeinsatz 20 wird entlang der Linie 28 zur Bildung eines verstärkten Kolbenkopfes mit einer Mulde spanabhebend bearbeitet.

In Fig. 3 ist ein Kolbenkopfeinsatz 30 durch ein Block aus Faserstoffen oder Whiskers mit im wesentlichen zylinderförmiger Gestalt geformt. Ein ringförmiger Salzkern 31 ruht auf der Oberfläche des Kolbenkopfeinsatzes 30 und wird in seiner Lage entweder durch Drahtstifte 32, die sich in den Kolbenkopfeinsatz 30 und in den Salzkern 31 erstrecken (in Fig. 3 links dargestellt) oder durch Drahtbügel 33, die sich in den Kolbenkopfeinsatz 30 erstrecken und den Salzkern 31 umklammern (in Fig. 3 rechts dargestellt), gehalten. Somit wird der Salzkern 31 stabil durch den Kolbenkopfeinsatz 30 fixiert.

Der Kolbenkopfeinsatz 30 und der Salzkern 31 werden dann im unteren Gießformteil plaziert und der Gießvorgang, wie oben beschrieben, durchgeführt. Das geschmolzene Metall durchsetzt den Kolbenkopfeinsatz 30 und bildet einen verstärkten Bereich, der entlang der Linie 34 zur Bildung eines Verbrennungsraumes spanabhebend bearbeitet wird. Löcher 35 werden durch das Gußstück 36 gebohrt und ermöglichen ein Auflösen des Salzkernes 31 zur Bildung eines Hohlraumes und eines Ein- und Auslasses für das Kühlmittel.

In Fig. 4 ist der Kolbenkopfeinsatz 40 im wesentlichen von gleicher Gestalt und von gleichem Aufbau wie der Kolbenkopfeinsatz 10 von Fig. 1 oder der Kolbenkopfeinsatz 30 von Fig. 3. Die Außenfläche des Kolbenkopfeinsatzes 40 ist mit einer ringförmigen Nut 41 versehen, in der ein ringförmiger Salzkern 42 sitzt. Das Ineinandergreifen der Nut 41 mit dem Salzkern 42 stellt sicher, daß der Salzkern 42 stabil angeordnet ist.

Der Kolbenkopfeinsatz 40 und der Salzkern 42 werden dann im unteren Gießformteil plaziert, worauf der oben beschriebene Gießvorgang folgt.

Aufgrund der Nut 41 ist der Salzkern 42 genau im Gußstück 43 angeordnet. Wenn dieses geschaltet ist, werden Löcher 44 durch das Gußstück 43 gebohrt und der Salzkern 41 wird mit Wasser aufgelöst, so daß ein Hohlraum und Ein- und Auslässe für das Kühlmittel belassen bleiben.

In Fig. 5 schließlich ist der Kolbenkopfeinsatz 50 im wesentlichen von gleicher Gestalt und von gleichem Aufbau wie der Kolbenkopfeinsatz 10 von Fig. 2 oder der Kolbenkopfeinsatz 30 von Fig. 3. Ein ringförmiger Salzkern 51 ist innerhalb des Kolbenkopfeinsatzes 50 angeordnet, indem er entweder in diesem eingegossen ist, wenn dieser aus einem Metallfertigteil besteht, oder indem er in Faserstoffen oder Whisker eingebettet ist, wenn der Kolbenkopfeinsatz 50 aus derartigen Faserstoffen oder Whisker hergestellt ist. Der Salzkern 51 ist somit stabil durch den Kolbenkopfeinsatz 50 festgelegt.

Der Kolbenkopfeinsatz 50 und der Salzkern 51 werden dann im unteren Gießformteil plaziert, worauf der oben beschriebene Gießvorgang durchgeführt wird. Wenn das Gußstück 54 erstarrt ist, werden Löcher 52 hindurchgebohrt. Der Salzkern 51 wird aufgelöst, so daß ein ringförmiger Hohlraum und Ein- und Auslaßlöcher für das Kühlmittel bestehen bleiben.

Es ist von Vorteil, wenn in den mit Bezug auf die Zeichnungen beschriebenen Ausführungsformen, bei denen Drähte oder Drahtstifte verwendet werden, das Material dieser Drähte einen geringeren Schmelzpunkt hat als die Temperatur des geschmolzenen Kolbenmetalls, so daß der Draht beim Gießen schmilzt. Der Draht kann aus einem Material, z. B. reines Aluminium, bestehen, das sich im geschmolzenen Kolbenmaterial auflöst. Es ist anzumerken, daß obwohl ein Preßdruckgießverfahren zuvor beschrieben worden ist, jedes andere Preßgießverfahren auch verwendet werden kann.

In all den oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung wird das Salzkern stabil durch den Kolbenkopfeinsatz gehalten, was sicherstellt, daß dieser im Gußstück richtig angeordnet ist. Durch eine geeignete Ausführung der Länge der Drähte, wenn diese verwendet werden, kann der Salzkern in jeder gewünschten Lage im Gußstück positioniert werden. Es gibt keine Salzstützen, die mit geschmolzenem Metall durchsetzt werden. Zusätzlich ist der Salzkern genügend weg vom Gießformkern, so daß einer Beschädigung des Salzkernes durch den Gießformkern vorgebeugt wird. Wenn das Gußstück unter Druck kontrahiert, beugt die Anordnung des Salzkernes auf dem Kolbenkopfeinsatz vor, daß sich dieser verschiebt.

Bezugszeichenliste

10 Kolbenkopfeinsatz

11 Fläche

12 Fläche

14 Drahtstift

15 Salzkern

16 Gußstück

20 Kolbenkopfeinsatz

21 Stütze

22 Oberfläche

23 Kopf

24 Salzkern

25 Draht

26 Draht

27 Gußstück

28 Linie

30 Kolbenkopfeinsatz

31 Salzkern

32 Drahtstift

33 Drahtbügel

34 Linie

35 Loch

36 Gußstück

40 Kolbenkopfeinsatz

41 Nut

42 Salzkern

43 Gußstück

44 Loch

50 Kolbenkopfeinsatz

51 Salzkern

52 Loch

53 Gußstück


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum Gießen eines Kolbens mit einem Kühlhohlraum im Kolbenkopf unter Verwendung einer Gießform mit einem oberen und einem unteren Teil, bei dem der Kolben mit dem Kolbenkopf zuunterst in der Gießform gegossen wird,

    bei dem weiterhin vor dem Gießen im unteren Gießformteil ein auflösbarer Salzkern plaziert wird und bei dem schließlich das untere Gießformteil mit geschmolzenem Metall gefüllt und dieses anschließend ausgehärtet wird, dadurch gekennzeichnet,

    daß vor dem Plazieren des Salzkernes im unteren Gießformteil dieser an einem Kolbenkopfeinsatz angeordnet wird, der auf einen Boden des unteren Gießformteils vor dem Gießen gesetzt wird,

    daß das untere Gießformteil mit geschmolzenem Metall gefüllt wird und dabei das obere Gießformteil separat vom unteren Gießformteil ist und

    daß schließlich das obere Gießformteil in das untere Gießformteil zum Erstarren des geschmolzenen Metalls unter Druck hineinbewegt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Salzkern am Kolbenkopfeinsatz befestigt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Salzkern in einer im Kolbenkopfeinsatz ausgebildeten Nut oder Aussparung angeordnet wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Salzkern am Kolbenkopfeinsatz mit einem oder mehreren Drähten befestigt wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht oder die Drähte aus einem Material mit einem Schmelzpunkt bestehend, der geringer als der Schmelzpunkt des für das Gießen verwendeten geschmolzenen Metalls ist, so daß sich der Draht oder die Drähte beim Gießen auflösen.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Salzkern in der Nut oder in der Aussparung durch ein Klebemittel gehalten wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Salzkern innerhalb des Kolbenkopfeinsatzes angeordnet wird.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenkopfeinsatz aus Metallguß besteht und wobei der Salzkern in dem Kolbenkopfeinsatz eingegossen wird.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenkopfeinsatz aus Faserstoffen oder Whisker gebildet wird und wobei der Salzkern im Faserstoff oder Whisker eingebettet wird.
  10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Preßgießverfahren ein Preßdruckgießverfahren ist.






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