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Dokumentenidentifikation DE112005002977T5 31.10.2007
Titel Verzahnungselementoberflächenbehandlungsprozedur
Anmelder General Motors Corp., Detroit, Mich., US
Erfinder Lev, Leonid C., West Bloomfield, Mich., US;
Lukitsch, Michael J., Marysville, Mich., US;
Cheng, Yang-Tse, Rochester Hills, Mich., US;
Weiner, Anita M., West Bloomfield, Mich., US;
Paluch, Robert F., Allenton, Mich., US
Vertreter Manitz, Finsterwald & Partner GbR, 80336 München
DE-Aktenzeichen 112005002977
Vertragsstaaten AE, AG, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BW, BY, BZ, CA, CH, CN, CO, CR, CU, CZ, DE, DK, DM, DZ, EC, EE, EG, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP, KE, KG, KM, KN, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, LY, MA, MD, MG, MK, MN, MW, MX, MZ, NA, NG, NI, NO, NZ, OM, PG, PH, PL, PT, RO, RU, SC, SD, SE, SG, SK, SL, SM, SY, TJ, TM, TN, TR, TT, TZ, UA, UG, US, UZ, VC, VN, YU, ZA, ZM, ZW, EP, AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IS, IT, LT, LU, LV, MC, NL, PL, PT, RO, SE, SI, SK, TR, OA, BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GQ, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG, AP, BW, GH, GM, KE, LS, MW, MZ, NA, SD, SL, SZ, TZ, UG, ZM, ZW, EA, AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM
WO-Anmeldetag 17.11.2005
PCT-Aktenzeichen PCT/US2005/041762
WO-Veröffentlichungsnummer 2006065436
WO-Veröffentlichungsdatum 22.06.2006
Date of publication of WO application in German translation 31.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.10.2007
IPC-Hauptklasse B23H 5/06(2006.01)A, F, I, 20051117, B, H, DE

Beschreibung[de]
TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Verzahnungselemente und deren Behandlung, um die Verschleißfestigkeit zu erhöhen. Insbesondere betrifft die Erfindung verbesserte Prozeduren zum Behandeln von Verzahnungselementsubstratoberflächen, um die Aufnahme und die Erhaltung von aufgebrachten verschleißfesten Beschichtungen zu unterstützen.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Verzahnungselemente werden seit langem in Kraftfahrzeugen und anderen Maschinen verwendet, um ein angewendetes Drehmoment zwischen Komponenten zu übertragen. Verzahnungselemente sind oft als Räder, Schneckenräder oder lineare Stangen ausgebildet, welche vorspringende Oberflächen oder Zähne umfassen, die ausgebildet sind, um mit kooperierenden Oberflächen in der Anordnung in Eingriff zu stehen. Durch diesen Eingriff wird eine Kraft zwischen den Komponenten übertragen.

Verzahnungselemente werden typischerweise gebildet, indem eine gewünschte Rohform aus einer geeigneten Metalllegierung gegossen oder geschmiedet wird und dann durch Bearbeitungsoperationen wie zum Beispiel Fräsen oder Schaben Zähne geschnitten werden. Bei der Produktion von Verzahnungselementen werden oft härtbare Eisenlegierungen verwendet, aufgrund ihrer Fähigkeit, durch Wärmebehandlungstechniken im Anschluss an die anfängliche Bildung gehärtet zu werden. Eine Wärmebehandlung wird normalerweise- ausgeführt, indem das bearbeitete Teil für eine vorbestimmte Zeitspanne unter einer kontrollierten Behandlungsatmosphäre, die reich an Kohlenstoff und/oder anderen Behandlungsbestandteilen ist, einer erhöhten Temperatur ausgesetzt wird, um so eine Infusion der Behandlungsbestandteile zumindest bis zu einer vorbestimmten Tiefe zu ermöglichen. Das Teil erfährt dann normalerweise eine Ölabschreckung, um die Wärmebehandlungseigenschaften einzuschließen. Derartige Behandlungen erhöhen die Oberflächenhärte des Teils wesentlich.

Die verwendeten Wärmebehandlungsoperationen lassen typischerweise Belagschichten an der Oberfläche des behandelten Teils zurück. Dieser Belag kann aus einer Kombination von Eisenoxid (Zunder), angebackenem Öl, Ruß und anderen Verunreinigungen zusammengesetzt sein. Ein derartiger Belag muss vor dem Aufbringen jeglicher Schutzbeschichtungen auf das Verzahnungselement entfernt werden. In der Vergangenheit hat man herausgefunden, dass es schwierig ist, den Belag von Verzahnungselementen effizient bis zu für die nachfolgende Aufbringung von Schutzbeschichtungen geeigneten Niveaus zu reinigen, ohne eine Beschädigung der Verzahnungselementoberfläche zu riskieren.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung schafft Vorteile und/oder Alternativen gegenüber dem Stand der Technik, indem sie einen Prozess bereitstellt, durch den wärmebehandelte Verzahnungselemente oder andere Teile einer abgestuften Folge von diskreten Reinigungsschritten unterzogen werden, die eine im Wesentlichen belagfreie Oberfläche ergeben, die für eine nachfolgende Aufbringung von Schutzbeschichtungen leicht verwendbar ist.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die folgenden Zeichnungen, die in diese Beschreibung einbezogen sind und einen Teil von dieser bilden, stellen beispielhafte Prozesse gemäß der vorliegenden Erfindung dar und dienen zusammen mit der unten dargelegten Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern, wobei:

1 ein Blockschaltbild ist, das die Behandlungsschritte in einem beispielhaften Prozess zum Erstellen von wärmebehandelten Verzahnungselementen darstellt; und

2 ein Blockschaltbild ist, das die Schritte in einer beispielhaften primären chemischen Reinigungsprozedur als Teil des in 1 dargelegten beispielhaften Prozesses darstellt.

Während nachfolgend eine Beschreibung in Verbindung mit dem dargestellten Flussdiagramm und bestimmten möglicherweise bevorzugten Prozeduren zur Verfügung gestellt wird, ist es zu verstehen und einzusehen, dass die Erfindung auf keinen Fall auf derartige Prozeduren beschränkt werden soll, wie sie hier dargestellt und beschrieben sein können. Es ist im Gegenteil beabsichtigt, dass sich die vorliegende Erfindung auf alle Alternativen und Modifikationen erstrecken soll, welche die breiten Prinzipien dieser Erfindung innerhalb deren wahren Geists und Umfangs umfassen können.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Nun auf 1 Bezug nehmend beinhaltet bei dem dargestellten Verfahren ein vorbereitender Schritt ein Bearbeiten von Verzahnungselementen aus einem Eisenlegierungsmaterial oder dergleichen durch Operationen wie zum Beispiel Fräsen und Schaben, um so eine gewünschte Anordnung von vorspringenden Verzahnungszähnen zu bilden. Im Anschluss an die Bearbeitungsoperation werden die Verzahnungselemente sodann einer kommerziellen Wärmebehandlung unterzogen, um die Härte und die Verschleißfestigkeit zu erhöhen. Während der Wärmebehandlung kann das Verzahnungselement auf Wunsch karburiert und/oder karbonitriert werden und/oder anderen Behandlungen unterzogen werden. Bei Abschluss der Wärmebehandlung ist das Verzahnungselement typischerweise zumindest teilweise mit einem hartnäckig anhaftenden Belag bedeckt, der vor der Aufbringung irgendeiner Beschichtung, die gewünscht sein kann, entfernt werden muss. Um den Belag effizient und effektiv zu entfernen, wird das Verzahnungselement vorzugsweise einem Mehrschritt-Reinigungsprozess unterzogen, der eine Kombination von chemischer und mechanischer Reinigung vorsieht, ohne das Verzahnungselementsubstrat zu beschädigen.

Als ein anfänglicher Schritt in dem Reinigungsprozess wird das Verzahnungselement mit dem anhaftenden Belag einer anfänglichen oder primären chemischen Reinigung unterzogen, die eine galvanische Reinigung oder Kathodenreinigung sowie eine Säureätzung umfasst, um den Belag aufzulösen und effektiv aufzuweichen. Ein Blockschaltbild, das eine beispielhafte primäre chemische Reinigungsprozedur darlegt, ist in 2 dargelegt. Lediglich beispielhaft und nicht beschränkend beinhaltet die primäre chemische Reinigung vorzugsweise ein Tränken des Verzahnungselements in einem standardmäßigen alkalischen Tränkreiniger für etwa fünfzehn Minuten, gefolgt von einem Spülen in Wasser. Im Anschluss an das Tränken erfährt das Verzahnungselement sodann für etwa sechzig bis neunzig Sekunden eine kathodische Reinigung in einer standardmäßigen alkalischen Reinigungslösung oder dergleichen. Man hat herausgefunden, dass eine angelegte Spannung im Bereich von etwa 4 bis 6 Volt während der kathodischen Reinigung gute Ergebnisse liefert. Nach der kathodischen Reinigung wird das Verzahnungselement sodann in Wasser gespült und für etwa 60 bis 120 Sekunden in einer Säurelösung von etwa sechzig (Volumen-)Prozent Salzsäurelösung getränkt. Bei einem besonders bevorzugten Verfahren besteht die Säurelösung aus 60% als Reagens geeigneter bzw. chemisch reiner 37%-Salzsäure in Wasser. Falls gewünscht, können jedoch andere geeignete Säurelösungen verwendet werden. Das Verzahnungselement wird danach in Wasser gespült und jegliche verbleibende Säure wird durch Eintauchen des Verzahnungselements in die alkalische kathodische Reinigungslösung neutralisiert. Das Verzahnungselement wird danach gespült und getrocknet.

Nach der anfänglichen chemischen Reinigung wird das Verzahnungselement mit einer stark aufgeweichten Belagoberfläche einer Naßsandstrahloberflächenbehandlung unterzogen. Eine derartige Naßsandstrahlbehandlung beinhaltet ein Beschleunigen einer Suspension aus mikroskopischen Schleifpartikeln in Wasser oder einem anderen geeigneten Fluid in Richtung der Behandlungsoberfläche unter Verwendung von verdichtetem Gas, wie zum Beispiel Luft, um eine Beschleunigung bereitzustellen. Während des Naßsandstrahlens werden die Partikel der Suspension entlang der Oberfläche mitgeführt, wodurch sie einen wesentlichen Teil der weichen Rückstände an der Oberfläche entfernen. Große Unebenheiten auf der Oberfläche können auch abgeschlagen werden, wodurch die Oberflächenbeschaffenheit weiter verbessert wird. Das Naßsandstrahlen sollte vorzugsweise mit Partikeln durchgeführt werden, die weicher als der weichste Bestandteil des für die Verzahnungselementproduktion verwendeten Stahls sind. Außerdem wird der Luftdruck, der bei dem Beschleunigen der Partikel verwendet wird, vorzugsweise auf Niveaus gesetzt, um eine mögliche Beschädigung der Oberfläche zu vermeiden. Lediglich beispielhaft und nicht beschränkend hat man herausgefunden, dass gute Resultate durch Naßsandstrahlen unter Verwendung einer Suspension aus Bimssteinpartikeln (etwa 5 bis 20%) in Wasser erzielt werden, wobei die Verzahnungselemente Zahn für Zahn unter Verwendung eines Luftdrucks zwischen 138 und 414 kPa (zwischen 20 und 60 psi) sandgestrahlt werden.

Wir glauben, dass die Kombination des Naßsandstrahlens, dem eine chemische Reinigung vorausgegangen ist, den Naßsandstrahlprozess wesentlich beschleunigt und dessen Effektivität verbessert. Diese verbesserte Effektivität ermöglicht die Verwendung von Partikeln mit derart geringer Härte und von derart geringen Luftdrücken, während immer noch eine ausgezeichnete Belagentfernungsleistungsfähigkeit bereitgestellt wird. Somit wird die Möglichkeit zum Beschädigen des Substratmaterials stark verringert, ohne die Belagentfernungsleistungsfähigkeit zu opfern. Falls gewünscht, können die Schritte des chemischen Reinigens und des Naßsandstrahlens wiederholt werden.

Im Anschluss an die anfängliche chemische Reinigung und das Naßsandstrahlen wird das Verzahnungselement sodann vorzugsweise einer sekundären oder endgültigen chemischen Reinigungsprozedur unterzogen. Während dieser endgültigen chemischen Reinigung wird das Verzahnungselement vorzugsweise für etwa 60 Sekunden einer kathodischen Reinigung in einer standardmäßigen alkalischen Reinigungslösung unterzogen, um jegliche Bimssteinrückstände zu entfernen. Alternativ können die Verzahnungselemente nach dem Naßsandsfrahlen unmittelbar in wasserfreiem Alkohol oder einer Mischung aus Ethanol, 2-Propanol und Methanol in einem Ultraschallbad gereinigt und entwässert werden.

Nach dem Abschluss des Naßsandstrahlens und der chemischen Reinigung wird das Verzahnungselement normalerweise nur eine dünne Oxidschicht behalten, die der natürlichen Oxidschicht entspricht, die sich auf einer sauberen metallischen Oberfläche bildet, welche der Luft ausgesetzt ist. Gemäß dem möglicherweise bevorzugten Verfahren wird diese Oxidschicht durch die Verwendung von Ionenätzprozeduren unter Vakuumbedingungen entfernt. Wie einzusehen ist, ist das Ionenätzen ein Prozess, bei dem beschleunigte Ionen in Richtung des Substrats geleitet werden, dieses treffen und kleine Partikel des Substrats entfernen. Die Dicke des von der Oberfläche entfernten Materials ist sehr klein und liegt normalerweise in der Größenordnung von Nanometern. Somit kann sogar eine dünne Oxidschicht ohne eine wesentliche Entfernung von zugrunde liegendem Substratmaterial effektiv entfernt werden. Lediglich beispielhaft kann gemäß einem in Erwägung gezogenen Verfahren ein Ionenätzen für etwa 30 Minuten in einer Vakuumkammer durchgeführt werden, die bis zu einem Druck von 10–3 torr mit Argon gefüllt ist, in einem in der Kammer gezündeten Plasma. Die Verzahnungselemente werden mit einer negativen Beschleunigungsspannung von etwa – 400 V versehen, wobei dem Plasma eine kleine Menge von Cr-Ionen hinzugefügt ist.

Im Anschluss an die Anwendung der Prozeduren wie oben dargelegt war die nach dem Naßsandstrahlen verbleibende Oxidschicht etwa sechsmal dünner als die nach dem chemischen Ätzen zurückbleibende Schicht und achtmal dünner als die nach der Wärmebehandlung zurückbleibende Schicht. Die verbleibende Schicht wurde danach durch Ionenätzen im Wesentlichen entfernt. Die Verzahnungszähne waren ausreichend sauber, um die Aufbringung und Anhaftung einer verschleiß- und ermüdungsfesten Beschichtung wie zum Beispiel Chromnitrid, Titannitrid oder dergleichen durch Aufdampfen oder andere geeignete Techniken zu gestatten.

Es ist zu verstehen, dass, während die vorliegende Erfindung in Bezug auf möglicherweise bevorzugte Ausführungsformen und Prozeduren dargestellt und beschrieben wurde, derartige Ausführungsformen und Prozeduren nur veranschaulichend sind und dass die Erfindung in keinem Fall darauf beschränkt werden soll. Es wird eher in Erwägung gezogen, dass Modifikationen und Variationen, welche die Prinzipien der Erfindung verkörpern, ohne Zweifel dem Fachmann auf dem Gebiet in den Sinn kommen. Es wird deshalb in Erwägung gezogen und beabsichtigt, dass sich die vorliegende Erfindung auf alle derartigen Modifikationen und Variationen erstrecken soll, welche die breiten Aspekte der Erfindung innerhalb deren wahren Geists und Umfangs umfassen können.

Zusammenfassung

Ein Verfahren zum Oberflächenbehandeln von wärmebehandelten Bauteilen, um einen Oxidbelag zu entfernen. Die wärmebehandelten Bauteile werden einer abgestuften Folge von diskreten chemischen und physikalischen Reinigungsschritten unterzogen, wodurch sich eine im Wesentlichen belagfreie Oberfläche ergibt, die für eine anschließende Aufbringung von Schutzbeschichtungen leicht verwendbar ist.


Anspruch[de]
Verfahren zum Behandeln eines wärmegehärteten, zumindest teilweise mit einem Oxidbelag bedeckten Legierungsverzahnungselements zur Aufnahme einer Schutzbeschichtung, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

(a) Unterziehen des Legierungsverzahnungselements einer chemischen Behandlung, die ein kathodisches Reinigen gefolgt von einem Säureätzen umfasst, um den Belag aufzuweichen und zumindest teilweise aufzulösen;

(b) Naßsandstrahlen des Legierungsverzahnungselements mit einer Suspension aus Schleifpartikeln in einer Fluidsuspension im Anschluss an die chemische Behandlung in Schritt "a";

(c) Reinigen des Legierungsverzahnungselements nach dem Naß-sandstrahlen, um anhaftende Partikelrückstände zu entfernen; und

(d) Unterziehen des Legierungsverzahnungselements einem Ionenätzen in einer Vakuumkammer im Anschluss an Schritt "c", um jeglichen verbleibenden Oxidbelag im Wesentlichen zu entfernen.
Erfindung nach Anspruch 1, wobei in Schritt "a" das kathodische Reinigen in einer alkalischen Lösung durchgeführt wird. Erfindung nach Anspruch 2, wobei in Schritt "a" die chemische Behandlung ferner ein Tränken des Legierungsverzahnungselements in einer alkalischen Lösung vor der kathodischen Reinigung umfasst. Erfindung nach Anspruch 2, wobei in Schritt "a" die chemische Behandlung ferner ein Eintauchen des Legierungsverzahnungselements in eine alkalische Lösung im Anschluss an das Ionenätzen umfasst, um jegliche verbleibende Säure zumindest teilweise zu neutralisieren. Erfindung nach Anspruch 1, wobei die beim Naßsandstrahlen verwendeten Schleifpartikel weicher sind als das Legierungsmaterial, welches das Verzahnungselement bildet. Erfindung nach Anspruch 5, wobei die beim Naßsandstrahlen verwendeten Schleifpartikel Bimssteinpartikel sind. Erfindung nach Anspruch 5, wobei das Naßsandstrahlen unter Verwendung von Luftdrücken von etwa 138 bis etwa 414 kPa (etwa 20 bis etwa 60 Pfund pro Quadratzoll) durchgeführt wird. Erfindung nach Anspruch 1, wobei in Schritt "c" das Legierungsverzahnungselement durch ein kathodisches Reinigen in einer alkalischen Lösung und/oder ein Ultraschallreinigen in einem Alkoholbad gereinigt wird. Erfindung nach Anspruch 1, wobei in Schritt "d" das Ionenätzen in einem Plasma ausgeführt wird, das in der Vakuumkammer gezündet wird, wobei dem Plasma Chrom-Ionen hinzugefügt sind. Erfindung nach Anspruch 9, wobei in Schritt "d" das Ionenätzen bei einem Druck von etwa 10-3 torr ausgeführt wird. Erfindung nach Anspruch 9, wobei in Schritt "d" während des Ionenätzens eine negative Beschleunigungsspannung an das Legierungsverzahnungselement angelegt wird. Verfahren zum Behandeln eines wärmegehärteten, zumindest teilweise mit einem Oxidbelag bedeckten Legierungsverzahnungselements zur Aufnahme einer Schutzbeschichtung, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

(a) Unterziehen des Legierungsverzahnungselements einer chemischen Behandlung umfassend die Schritte eines Tränkens des Legierungsverzahnungselements in einer alkalischen Lösung, gefolgt von einem kathodischen Reinigen des Legierungsverzahnungselements, gefolgt von einem Säureätzen des Legierungsverzahnungselements, um den Belag aufzuweichen und zumindest teilweise aufzulösen;

(b) Naßsandstrahlen des Legierungsverzahnungselements mit einer Suspension aus Schleifpartikeln in einer Fluidsuspension im Anschluss an die chemische Behandlung in Schritt "a", wobei die beim Naßsandstrahlen verwendeten Partikel weicher sind als das Legierungsmaterial, welches das Legierungsverzahnungselement bildet;

(c) Reinigen des Legierungsverzahnungselements nach dem Naßsandstrahlen, um anhaftende Partikelrückstände zu entfernen; und

(d) Unterziehen des Legierungsverzahnungselements einem Ionenätzen in einer Vakuumkammer im Anschluss an Schritt "c", um jegliche verbleibende Oxidschicht im Wesentlichen zu entfernen, wobei das Ionenätzen in einem Plasma ausgeführt wird, das in der Vakuumkammer gezündet wird, wobei dem Plasma Chrom-Ionen hinzugefügt sind.
Erfindung nach Anspruch 12, wobei die chemische Behandlung in Schritt "a" ferner ein Eintauchen des Legierungsverzahnungselements in eine alkalische Lösung im Anschluss an das Säureätzen umfasst, um jegliche verbleibende Säure zumindest teilweise zu neutralisieren. Erfindung nach Anspruch 12, wobei die beim Naßsandstrahlen verwendeten Schleifpartikel Bimssteinpartikel sind. Erfindung nach Anspruch 14, wobei das Naßsandstrahlen unter Verwendung von Luftdrücken von etwa 138 bis etwa 414 kPa (etwa 20 bis etwa 60 Pfund pro Quadratzoll) durchgeführt wird. Erfindung nach Anspruch 12, wobei das Legierungsverzahnungselement in Schritt "c" durch ein kathodisches Reinigen in einer alkalischen Lösung und/oder ein Ultraschallreinigen in einem Alkoholbad gereinigt wird. Erfindung nach Anspruch 12, wobei das Ionenätzen in Schritt "d" bei einem Druck von etwa 10–3 torr ausgeführt wird. Erfindung nach Anspruch 12, wobei in Schritt "d" während des Ionenätzens eine negative Beschleunigungsspannung an das Legierungsverzahnungselement angelegt wird. Verfahren zum Behandeln eines wärmegehärteten, zumindest teilweise mit einem Oxidbelag bedeckten Legierungsverzahnungselements zur Aufnahme einer Schutzbeschichtung, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

(a) Unterziehen des Legierungsverzahnungselements einer chemischen Behandlung umfassend die Schritte eines Tränkens des Legierungsverzahnungselements in einer alkalischen Lösung, gefolgt von einem kathodischen Reinigen des Legierungsverzahnungselements in einer alkalischen Lösung, gefolgt von einem Säureätzen des Legierungsverzahnungselements, um den Belag aufzuweichen und zumindest teilweise aufzulösen;

(b) Naßsandstrahlen des Legierungsverzahnungselements mit einer Suspension aus Bimssteinpartikeln in einer Fluidsuspension im Anschluss an die chemische Behandlung in Schritt "a":

(c) Reinigen des Legierungsverzahnungselements nach dem Naßsandstrahlen, um anhaftende Partikelrückstände zu entfernen; und

(d) Unterziehen des Legierungsverzahnungselements einem Ionenätzen in einer Vakuumkammer im Anschluss an Schritt "c", um jegliche verbleibende Oxidschicht im Wesentlichen zu entfernen, wobei das Ionenätzen in einem Plasma ausgeführt wird, das in der Vakuumkammer gezündet wird, wobei dem Plasma Chrom-Ionen hinzugefügt sind, wobei während des Ionenätzens eine negative Beschleunigungsspannung an das Legierungsverzahnungselement angelegt wird.






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