MEDIZINTECHNIK ALUMINIUMGEHÄUSE BEARBEITUNG

Medizintechnik Aluminiumgehäuse Bearbeitung: Präzision und Perfektion für lebenswichtige Technologien

 

Die Medizintechnik Aluminiumgehäuse Bearbeitung ist eine hochspezialisierte Fertigungsdisziplin, die an der Schnittstelle von fortschrittlicher Zerspanungstechnologie und strengsten regulatorischen Anforderungen agiert. In einer Branche, in der Präzision, Zuverlässigkeit und Biokompatibilität nicht nur Qualitätsmerkmale, sondern oft lebensentscheidende Kriterien sind, spielen Gehäuse aus Aluminium eine zentrale Rolle. Sie schützen empfindliche Elektronik in Analysegeräten, gewährleisten die Stabilität von OP-Robotern und bilden die ergonomische und hygienische Hülle für diagnostische und therapeutische Apparaturen. Die Herstellung dieser komplexen Bauteile erfordert weit mehr als nur das Fräsen von Metall; sie verlangt nach einem tiefen Verständnis für Materialwissenschaft, modernste CNC-Technologien wie die 5-Achs-Bearbeitung und eine lückenlos dokumentierte Qualitätssicherung. Dieser umfassende Leitfaden beleuchtet alle Facetten der Bearbeitung von Aluminiumgehäusen für die Medizintechnik. Wir werden die spezifischen Herausforderungen analysieren, die eingesetzten Fertigungstechnologien detailliert beschreiben, die Anwendungsbereiche erkunden und einen Ausblick auf die Zukunft dieser anspruchsvollen und systemrelevanten Fertigungsnische geben.

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Die Evolution des medizintechnischen Gehäusebaus: Vom Stahlblech zum monolithischen Design-Aluminium

 

Die Entwicklung von Gehäusen für medizinische Geräte spiegelt den rasanten Fortschritt in der Medizintechnik selbst wider. Die Anforderungen an das "Äußere" eines Geräts sind parallel zur Komplexität des "Inneren" stetig gestiegen.

 

Die Anfänge: Funktionalität vor Form

 

In den frühen Tagen der Medizintechnik, bis weit in die 1970er und 1980er Jahre hinein, stand die reine Funktionalität im Vordergrund. Gehäuse bestanden oft aus lackierten Stahlblech- oder einfachen Gusskonstruktionen. Sie waren schwer, oft kantig und ihre Herstellung war geprägt von vielen manuellen Schritten wie Schneiden, Kanten, Schweißen und Schleifen. Die Ästhetik spielte eine untergeordnete Rolle; der Fokus lag auf dem Schutz der internen Komponenten und einer gewissen Robustheit.

 

Der Aufstieg von Kunststoff und die Grenzen des Materials

 

Mit dem Fortschritt in der Kunststofftechnologie begannen tiefgezogene oder spritzgegossene Kunststoffgehäuse an Bedeutung zu gewinnen. Sie ermöglichten komplexere Formen, waren leichter und boten eine bessere Ergonomie. Für viele Anwendungen, insbesondere im Low-Cost-Bereich, ist Kunststoff bis heute ein wichtiger Werkstoff. Jedoch zeigten sich auch die Grenzen:

• Mangelnde Steifigkeit: Für größere Geräte oder solche mit hohen mechanischen Belastungen (z.B. durch bewegliche Arme) war Kunststoff oft nicht stabil genug.

• EMV-Abschirmung: Kunststoff bietet von Natur aus keine Abschirmung gegen elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Empfindliche Elektronik musste durch aufwändige interne Metallkäfige oder leitfähige Beschichtungen geschützt werden.

• Wärmeableitung: Die schlechte Wärmeleitfähigkeit von Kunststoff machte ihn ungeeignet für Geräte mit hoher Leistungsdichte und Abwärme.

 

Die Renaissance des Aluminiums: Die Ära der Zerspanung aus dem Vollen

 

Angetrieben durch die Miniaturisierung in der Elektronik und die steigenden Anforderungen an Design, Stabilität und thermisches Management, erlebte Aluminium eine Renaissance im Gehäusebau. Anstatt Bleche zu formen, etablierte sich ein neuer Ansatz: die Bearbeitung aus dem Vollen. Moderne CNC-Fräsmaschinen, insbesondere 5-Achs-Bearbeitungszentren, machten es möglich, komplette Gehäusehälften "monolithisch" aus einem einzigen Aluminiumblock herauszuarbeiten.

Dieser Ansatz revolutionierte den Gehäusebau für die Medizintechnik:

• Maximale Designfreiheit: Jede erdenkliche Form, jede Rundung und jede komplexe Kontur konnte nun präzise gefertigt werden.

• Integrierte Funktionalität: Funktionen wie Kühlrippen, Befestigungsdome für Leiterplatten, Gewindebohrungen und Abschirmwände konnten direkt in das Gehäuse integriert werden, was die Anzahl der Einzelteile und den Montageaufwand drastisch reduzierte.

• Überlegene Qualität und Haptik: Aus dem Vollen gefräste Aluminiumgehäuse bieten eine unübertroffene Wertigkeit, Stabilität und Oberflächenqualität, die den hohen Anspruch moderner Medizintechnik widerspiegelt.

Heute ist die zerspante Aluminiumkonstruktion der Goldstandard für hochwertige medizintechnische Geräte.

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Materialwissenschaft: Warum Aluminium der ideale Werkstoff ist

 

Aluminium ist nicht gleich Aluminium. Die Auswahl der richtigen Legierung ist der erste und einer der wichtigsten Schritte im Entwicklungsprozess eines medizintechnischen Gehäuses. Die spezifischen Eigenschaften müssen exakt auf die Anwendung abgestimmt sein.

 

Die entscheidenden Vorteile von Aluminium

 

• Geringes Gewicht bei hoher Festigkeit: Aluminium hat nur etwa ein Drittel der Dichte von Stahl. Dies ist entscheidend für mobile Geräte (z.B. in der Notfallmedizin) oder für große, bewegliche Systeme wie CT-Scanner oder OP-Roboter, wo jede Reduzierung der bewegten Masse die Dynamik und Präzision erhöht.

• Exzellente Wärmeleitfähigkeit: Aluminium leitet Wärme hervorragend ab. Dies ermöglicht es, das Gehäuse selbst als passiven Kühlkörper zu nutzen. Fein gefräste Kühlrippen können die Oberfläche vergrößern und die Wärmeabfuhr von Prozessoren oder Netzteilen optimieren, oft ohne den Bedarf an lauten und störanfälligen Lüftern.

• Hervorragende Zerspanbarkeit: Aluminium lässt sich exzellent bearbeiten, insbesondere im Hochgeschwindigkeitszerspanungsverfahren (HSC). Dies ermöglicht hohe Abtragsraten, kurze Bearbeitungszeiten und exzellente Oberflächengüten.

• Natürliche Korrosionsbeständigkeit: An der Luft bildet Aluminium eine dünne, aber sehr dichte und widerstandsfähige Oxidschicht, die das darunterliegende Material vor Korrosion schützt. Für den Einsatz in der Medizintechnik wird dieser Schutz durch Eloxieren nochmals deutlich verbessert.

• EMV-Abschirmung: Als Metall bietet Aluminium eine natürliche und sehr effektive Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen, was für die zuverlässige Funktion der internen Elektronik unerlässlich ist.

 

Gängige Legierungen für medizintechnische Gehäuse

 

Die Auswahl der Legierung ist ein Kompromiss aus Festigkeit, Zerspanbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und Eloxalqualität.

• AlMgSi1 (EN AW-6082): Eine der am häufigsten verwendeten Legierungen. Sie bietet eine hohe Festigkeit (vergleichbar mit Baustahl), eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit und lässt sich gut schweißen und zerspanen. Ihre Eloxalqualität ist gut, was sie zu einem Allrounder für viele Gehäuseanwendungen macht.

• AlMg4,5Mn0,7 (EN AW-5083): Diese Legierung zeichnet sich durch eine exzellente Korrosionsbeständigkeit, auch gegenüber Salzwasser und Chemikalien, aus. Sie wird oft für Geräte verwendet, die häufig desinfiziert werden müssen. Ihre Festigkeit ist ebenfalls sehr hoch.

• AlZn5,5MgCu (EN AW-7075): Eine hochfeste Luft- und Raumfahrtlegierung. Sie wird für Gehäuse oder Strukturkomponenten verwendet, die extremen mechanischen Belastungen standhalten müssen. Ihre Zerspanbarkeit ist gut, die Korrosionsbeständigkeit jedoch geringer als bei den 5000er- und 6000er-Legierungen, weshalb ein hochwertiger Oberflächenschutz unerlässlich ist.

• AlMgSi0,5 (EN AW-6060): Eine Legierung, die sich besonders gut für dekorative Zwecke eignet, da sie eine exzellente Oberflächengüte nach dem Eloxieren erzielt. Ihre Festigkeit ist jedoch geringer. Sie wird oft für Frontplatten oder Designelemente verwendet.

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Die Fertigungstechnologie: Präzision aus dem Vollen gefräst

 

Die Herstellung eines monolithischen Aluminiumgehäuses ist ein hochtechnologischer Prozess, der auf dem perfekten Zusammenspiel von Maschine, Werkzeug und Software basiert.

 

Das 5-Achs-Bearbeitungszentrum: Die Schlüsselmaschine

 

Für die komplexe Geometrie moderner Medizintechnikgehäuse ist ein 5-Achs-Bearbeitungszentrum die Maschine der Wahl.

• Komplettbearbeitung in einer Aufspannung: Durch die Fähigkeit, das Werkzeug in fünf Achsen (drei lineare, zwei rotatorische) zu bewegen, kann ein Gehäuse von allen sechs Seiten (inklusive Hinterschnitten und schrägen Bohrungen) in einer einzigen Aufspannung komplett fertig bearbeitet werden. Dies hat entscheidende Vorteile:

  • Höchste Präzision: Fehler, die durch das manuelle Umspannen des Teils entstehen, werden eliminiert. Alle Flächen, Bohrungen und Konturen haben eine exakte Lagebeziehung zueinander.

  • Kürzere Durchlaufzeiten: Die unproduktiven Rüst- und Liegezeiten zwischen verschiedenen Maschinen entfallen.

• Hochgeschwindigkeitszerspanung (HSC): Die Bearbeitung erfolgt mit extrem hohen Spindeldrehzahlen (oft über 20.000 U/min) und hohen Vorschüben. Dies führt zu exzellenten Oberflächen und einer geringen thermischen Belastung des Bauteils, was Verzug minimiert.

 

Der Prozess: Vom Aluminiumblock zum fertigen Gehäuse

 

1. Rohteil und Aufspannung: Ein präzise zugesägter Aluminiumblock wird auf dem Maschinentisch oder einer speziellen Spannvorrichtung fixiert. Oft werden Vakuumsysteme oder Nullpunktspannsysteme verwendet, um eine schnelle und wiederholgenaue Spannung zu ermöglichen.

2. Schruppen: Im ersten Schritt wird mit großvolumigen Werkzeugen (z.B. Schaft- oder Messerkopffräsern) das überschüssige Material mit hohen Zerspanungsraten entfernt. Hierbei entstehen die groben Konturen des Gehäuses.

3. Schlichten: Anschließend wird mit feineren Werkzeugen (oft Kugel- oder Torusfräsern) die Endkontur des Gehäuses mit höchster Präzision und Oberflächengüte herausgearbeitet. Die 5-Achs-Simultanbearbeitung ermöglicht hierbei die Herstellung fließender, organischer Freiformflächen.

4. Detailbearbeitung: In weiteren Schritten werden alle funktionalen Details eingebracht:

   • Bohren und Gewindeschneiden: Herstellung von Befestigungsbohrungen und Gewinden für Leiterplatten, Steckverbinder und Gehäusedeckel.

   • Taschenfräsen: Ausfräsen von Vertiefungen für Displays, Schalter oder Batteriefächer.

   • Gravuren: Anbringen von Logos, Beschriftungen oder Symbolen direkt auf der Maschine.

Unsere umfassende Expertise, die auf unzähligen erfolgreichen Kundeninstallationen beruht, befähigt uns, jede Maschineninspektion mit maximaler Akribie durchzuführen, um sowohl höchste Qualitätsstandards als auch die vollständige Einhaltung der CE-Sicherheitsvorschriften zu garantieren. Die Überprüfung der geometrischen Genauigkeit und der Sicherheitsfunktionen einer 5-Achs-Maschine ist entscheidend für die prozesssichere Fertigung von Medizintechnikprodukten.

 

Die Werkzeugtechnologie: Schärfe und Standhaftigkeit

 

Die eingesetzten Werkzeuge müssen speziell auf die Aluminiumzerspanung ausgelegt sein. Zum Einsatz kommen Vollhartmetallfräser mit:

• Scharfen Schneidkanten: Um das Material sauber zu schneiden und nicht zu quetschen.

• Polierten Spannuten: Um eine reibungslose Spanabfuhr zu gewährleisten und Aufbauschneiden zu verhindern.

• Speziellen Beschichtungen: Extrem glatte, reibungsarme Beschichtungen (z.B. DLC – Diamond-Like Carbon) können die Standzeit weiter erhöhen und die Oberflächenqualität verbessern.

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Oberflächentechnik: Schutz, Hygiene und Ästhetik

 

Die Oberfläche eines medizintechnischen Gehäuses muss höchsten Anforderungen an Hygiene, Beständigkeit und Optik genügen. Die reine, gefräste Aluminiumoberfläche wird daher fast immer durch nachgelagerte Prozesse veredelt.

 

Eloxieren (Anodisieren): Der Goldstandard

 

Das Eloxieren ist ein elektrochemischer Prozess, bei dem die oberste Aluminiumschicht in eine extrem harte, verschleißfeste und korrosionsbeständige Oxidschicht umgewandelt wird.

• Vorteile für die Medizintechnik:

  • Härte und Kratzfestigkeit: Die Eloxalschicht ist deutlich härter als das Grundmaterial und schützt das Gehäuse vor mechanischer Beschädigung im rauen Klinikalltag.

  • Chemische Beständigkeit: Die geschlossene Schicht ist sehr beständig gegen viele Reinigungs- und Desinfektionsmittel.

  • Elektrische Isolation: Die Oxidschicht ist ein elektrischer Isolator.

  • Hygienische Oberfläche: Die porenarme Oberfläche ist leicht zu reinigen und bietet Mikroorganismen kaum Anhaftungsmöglichkeiten.

  • Farbgebung: Durch die Einlagerung von Farbpigmenten in die Poren der Schicht vor dem Verdichten (Sealing) kann das Gehäuse in nahezu jeder Farbe dauerhaft gefärbt werden.

 

Weitere Veredelungsverfahren

 

• Pulverbeschichten: Bietet eine sehr robuste, schlagfeste und chemisch beständige Oberfläche in allen RAL-Farben.

• Nasslackieren: Ermöglicht spezielle Effekte und eine sehr hochwertige Optik, ist aber mechanisch weniger beständig als Pulverbeschichtung oder Eloxal.

• Glasperlenstrahlen: Erzeugt eine feine, matte und seidig glänzende Oberfläche, die oft als Vorbehandlung für das Eloxieren dient, um eine besonders edle Optik zu erzielen.

• Bedruckung und Laserbeschriftung: Für das dauerhafte Anbringen von Logos, Symbolen, Seriennummern oder CE-Kennzeichnungen.

Auf der Grundlage unserer tiefgreifenden, in zahlreichen Kundenprojekten gewonnenen Erfahrung, stellen wir sicher, dass Service- und Sicherheitsüberprüfungen stets den strengsten Kriterien für Qualität und CE-konforme Betriebssicherheit genügen. Dies schließt auch die Überprüfung der Absauganlagen und der Arbeitssicherheit in den Bereichen der Oberflächenvorbehandlung mit ein.

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Qualitätssicherung und regulatorische Anforderungen

 

Die Medizintechnik ist eine der am stärksten regulierten Branchen. Die Qualitätssicherung ist hier kein optionales Extra, sondern ein integraler und lückenlos dokumentierter Bestandteil des gesamten Fertigungsprozesses.

 

ISO 13485: Der Qualitätsstandard

 

Hersteller von Medizintechnikkomponenten sind oft nach der Norm ISO 13485 zertifiziert. Diese Norm definiert die Anforderungen an ein umfassendes Qualitätsmanagementsystem für die Entwicklung, Herstellung und den Vertrieb von Medizinprodukten. Sie fordert unter anderem:

• Rückverfolgbarkeit: Jedes einzelne Gehäuse muss über seine gesamte Lebensdauer rückverfolgbar sein. Welches Rohmaterial (Charge) wurde wann auf welcher Maschine von welchem Mitarbeiter mit welchem Programm bearbeitet?

• Prozessvalidierung: Alle Fertigungsprozesse müssen validiert werden. Es muss nachgewiesen werden, dass der Prozess konstant und reproduzierbar Bauteile liefert, die die Spezifikationen erfüllen.

• Risikomanagement: Potenzielle Risiken im Fertigungsprozess müssen identifiziert, bewertet und durch geeignete Maßnahmen minimiert werden.

 

Messtechnik und Dokumentation

 

Die Einhaltung der engen Toleranzen wird mit modernster Messtechnik überprüft.

• 3D-Koordinatenmessmaschinen (KMM): Diese hochpräzisen Maschinen tasten das fertige Gehäuse an hunderten oder tausenden von Punkten an und vergleichen die Ist-Maße mit dem CAD-Soll-Modell.

• Messprotokolle: Für jedes Bauteil wird ein detailliertes Messprotokoll erstellt, das die Konformität mit allen Zeichnungsvorgaben belegt und Teil der Produktdokumentation wird.

Die Sicherheit und Langlebigkeit von Anlagen ist unser oberstes Gebot. Deshalb fließt unsere langjährige Projekterfahrung in jede Inspektion ein, um eine erstklassige Qualität und die konsequente Einhaltung aller CE-Sicherheitsnormen zu gewährleisten. Eine regelmäßig kalibrierte und geprüfte Messmaschine ist ebenso Teil eines sicheren Gesamtprozesses wie die Produktionsmaschine selbst.

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Wirtschaftlichkeitsbetrachtung: Eine Investition in Qualität und Design

 

Die Entscheidung für ein aus dem Vollen gefrästes Aluminiumgehäuse ist auch eine wirtschaftliche Entscheidung. Die Kosten sind in der Regel höher als bei einer Kunststoff- oder Blechkonstruktion, aber die Vorteile können diesen Mehraufwand oft rechtfertigen.

 

Kostenfaktoren

 

• Materialkosten: Aluminiumblöcke sind teurer als Kunststoffgranulat oder Blechtafeln. Zudem ist der Materialausschuss durch die Zerspanung hoch ("Buy-to-Fly-Ratio").

• Maschinenkosten: 5-Achs-Bearbeitungszentren haben einen hohen Maschinenstundensatz aufgrund der hohen Investitions- und Wartungskosten.

• Programmieraufwand: Die Erstellung komplexer 5-Achs-Programme erfordert teure CAM-Software und hochqualifizierte Programmierer.

 

Der Nutzen und die Rechtfertigung der Kosten

 

• Reduzierung der Werkzeugkosten: Im Vergleich zum Spritzguss entfallen die extrem hohen Kosten für die Herstellung eines Spritzgusswerkzeugs, die oft im fünf- bis sechsstelligen Bereich liegen. Dies macht das Fräsen ideal für kleine bis mittlere Stückzahlen.

• Minimierung der Montagekosten: Durch die hohe Funktionsintegration werden viele Einzelteile und damit aufwändige Montageschritte eingespart.

• Flexibilität: Änderungen am Design können schnell und einfach durch eine Anpassung des NC-Programms umgesetzt werden. Beim Spritzguss wäre eine teure Werkzeugänderung notwendig.

• Wertigkeit und Markenimage: Ein hochwertiges Aluminiumgehäuse transportiert die Qualität und Innovationskraft des darin befindlichen Geräts. Es ist ein wichtiges Element der Markenwahrnehmung und kann höhere Verkaufspreise am Markt rechtfertigen.

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Zukunftstrends: Die nächste Generation medizintechnischer Gehäuse

 

Die Entwicklung bleibt nicht stehen. Neue Technologien und Designtrends werden die Bearbeitung von Aluminiumgehäusen in der Medizintechnik weiter verändern.

 

Additive Fertigung und Hybrid-Maschinen

 

Die additive Fertigung (3D-Druck von Metall) ermöglicht die Herstellung noch komplexerer Geometrien, z.B. mit innenliegenden, bionischen Kühlstrukturen, die gefräst nicht herstellbar wären. Der Trend geht zu Hybrid-Maschinen, die in einer Aufspannung sowohl Material additiv auftragen als auch subtraktiv hochpräzise zerspanen können. Dies verbindet die Designfreiheit des 3D-Drucks mit der Präzision und Oberflächengüte der Zerspanung.

 

Intelligente und vernetzte Fertigung (Industrie 4.0)

 

Die Fertigung wird vollständig digitalisiert. Das Bearbeitungszentrum wird zum intelligenten Akteur in einer vernetzten "Smart Factory". Es kommuniziert mit dem ERP-System, meldet seinen Zustand per Predictive Maintenance und optimiert seine Bearbeitungsprozesse mittels künstlicher Intelligenz (KI) selbstständig.

 

Neue Oberflächen und Materialien

 

Die Forschung an neuen Oberflächen geht weiter. Zukünftige Beschichtungen werden noch widerstandsfähiger, vielleicht sogar mit antibakteriellen oder selbstreinigenden Eigenschaften. Neue, noch leichtere und festere Aluminiumlegierungen oder sogar Metall-Matrix-Composites werden zum Einsatz kommen und neue Anforderungen an die Zerspanungstechnologie stellen.

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FAQ – Häufig gestellte Fragen zur Bearbeitung von Medizintechnik-Aluminiumgehäusen

 

 

Frage 1: Warum ist die 5-Achs-Bearbeitung für Medizintechnikgehäuse so wichtig?

 

Moderne Medizintechnikgehäuse haben oft komplexe, organische Formen (Freiformflächen) für eine bessere Ergonomie und Ästhetik. Zudem erfordern sie Bearbeitungen wie schräge Bohrungen oder Hinterschnitte an mehreren Seiten. Die 5-Achs-Bearbeitung ermöglicht es, all diese komplexen Operationen in einer einzigen Aufspannung durchzuführen. Dies maximiert die Präzision, da Fehler durch Umspannen vermieden werden, und verkürzt die Fertigungszeit erheblich.

 

Frage 2: Was ist der Unterschied zwischen Eloxieren und Pulverbeschichten?

 

Eloxieren ist ein elektrochemischer Prozess, bei dem die Aluminiumoberfläche selbst in eine harte Keramikschicht (Aluminiumoxid) umgewandelt wird. Die Schicht wächst in das Material hinein und ist untrennbar mit ihm verbunden. Der metallische Charakter des Aluminiums bleibt erhalten. Pulverbeschichten ist ein organisches Beschichtungsverfahren. Dabei wird ein Farbpulver elektrostatisch auf das Gehäuse aufgesprüht und anschließend bei hoher Temperatur eingebrannt. Es entsteht eine lackähnliche, deckende Schicht auf dem Material. Eloxal ist in der Regel kratzfester, während Pulverlack eine höhere Schlagfestigkeit und Farbvielfalt bietet.

 

Frage 3: Welche Rolle spielt die Dokumentation und Rückverfolgbarkeit in diesem Fertigungsbereich?

 

Sie spielt eine absolut zentrale und gesetzlich vorgeschriebene Rolle (z.B. durch die Medical Device Regulation - MDR in Europa). Im Falle eines Problems oder Rückrufs muss lückenlos nachvollziehbar sein, wann, von wem und aus welchem Materialcharge ein bestimmtes Gehäuse gefertigt wurde. Jeder einzelne Fertigungs- und Prüfschritt muss dokumentiert werden. Diese Dokumentation ist Teil des offiziellen Produktdatensatzes, der den Behörden vorgelegt werden muss. Ohne eine perfekte Dokumentation darf ein Medizinprodukt nicht in Verkehr gebracht werden.

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