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Die
Erfindung betrifft ein deformierbares Substrat mit mikrostrukturierter
Oberfläche
aus aufgebrachtem Material gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines
solchen Substrates gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 6. Derartige Substrate und Verfahren zu deren
Herstellung sind beispielsweise aus der
EP 193133 A2 ,
DE 19644463 A1 ,
DE 19834688 A1 und
der
DE 10050642 A1 bekannt.
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Deformierbare
Substrate werden häufig
mit Beschichtungen anderer Materialien versehen, um deren Oberflächeneigenschaften
zu modifizieren. Beispielsweise werden Dichtungsprofile für Kraftfahrzeuge
mit Gleitlacken beschichtet, um störende Geräusche zu reduzieren, die beim Übergang
von der Haft- in die Gleitreibung erzeugt werden (sog. Stick-Slip-Effekt). Zusätzlich wird
entweder die Substratoberfläche
mit einer Mikrostruktur versehen oder die Gleitlackschicht. Die
erste Variante wird beispielsweise in
DE 19644463 A1 oder
DE 19834688 A1 beschrieben.
Die zweite in
EP 193133
A2 oder auch in der
DE 10050642 A1 , wo die Mikrostruktur durch
Prägen
in die Beschichtung eingebracht wird.
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Gleitlacke
sind dem Fachmann z.B. aus der
WO 02081582 A2 oder der
DE 3839937 A1 bekannt sowie
aus [
Matthis Kimmann: „Gleitlacke
für Kunststoffe" in JOT 1999, Nr.
9, Seiten 60–65].
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Versuche
zeigen, dass sich mit derartig strukturierten Dichtungen die bekannten
Störgeräusche des
Stick-Slip-Effektes
sehr gut unterdrücken lassen.
Allerdings lässt
diese Wirkung nach längerer Einsatzdauer
der Dichtungen, d.h. nach mehreren Jahren deutlich nach.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein deformierbares
Substrat mit mikrostrukturierter Oberfläche aus aufgebrachtem Material
sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Substrates anzugeben,
welche ihre durch die mikrostrukturierte Oberfläche bedingten Eigenschaften
länger
beibehalten.
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Die
Erfindung ist in Bezug auf das zu schaffende Substrat und das zu
schaffende Verfahren durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und
6 wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Substrates
und des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die
Aufgabe wird bezüglich
des zu schaffenden deformierbaren Substrates mit mikrostrukturierter
Oberfläche
aus aufgebrachtem Material dadurch gelöst, dass das aufgebrachte Material
als einzelne Pixel ausgestaltet ist.
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Dabei
bedeutet Mikrostrukturierung dass die Pixel Maximalabmessungen kleiner
1 mm und Minimalabmessungen größer 1 nm
aufweisen, vorzugsweise kleiner 500 μm und größer 10 nm, insbesondere kleiner
als 300 μm
und größer als
50 nm.
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Ein
Pixel ist das mit dem Substrat verbundene Produkt eines Erstarrungsvorgangs
des aufgebrachten Materials, d.h. er weist keine scharfen Kanten
auf, sondern rundliche Konturen. Vorzugsweise ist ein Pixel aus
ausgehärtetem
Lack, insbesondere Gleitlack aufgebaut. Das Verhältnis seiner Maximalabmessung
parallel zur Substratoberfläche
und senkrecht zur Substratoberfläche
beträgt
vorzugsweise 5 zu 1 oder weniger, insbesondere 3 zu 1 oder weniger,
d.h. im Regelfall „liegt" ein Pixel eher flach auf
der Substratoberfläche
(vgl. 1a). Es sind jedoch auch Anwendungen
denkbar, in denen der Pixel eher „steht" (vgl. 1b), d.h.
ein Abmessungsverhältnis
von 1 zu 3, insbesondere 1 zu 5 oder noch mehr aufweist.
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Wesentlich
ist, dass die Pixeln einzeln vorliegen, d.h. klar definierte Grenzflächen zu
ihrer Umgebung aufweisen. Sie sind also entweder zu benachbarten
Pixeln beabstandet angeordnet und ihre Oberfläche stellt die Grenzfläche zu der
umgebenden Luft dar. Oder die Pixeln weisen zu benachbarten Pixeln
eine klar definierte Grenzfläche
auf, beispielsweise aufgrund unterschiedlicher Zusammensetzung und/oder
unterschiedlicher Erstarrungszeitpunkte.
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Ein
erfindungsgemäßes deformierbares Substrat
behält
seine durch die mikrostrukturierte Oberfläche bedingten Eigenschaften
deutlich länger als
vergleichbare deformierbare Substrate nach dem Stand der Technik.
Dies wird auf unterschiedliche Auswirkungen mechanischer Wechselbeanspruchungen
infolge von Deformation der Substratoberfläche zurückgeführt:
Nach dem Stand der
Technik wird auf eine strukturierte oder auch nicht-strukturierte
deformierbare Substratoberfläche
sprödes
Material in einer durchgängigen
Schicht aufgebracht und ggf. noch oberflächlich strukturiert. Das aufgebrachte
spröde
Material bleibt jedoch auch zwischen seinen ggf. strukturierten
Bereichen zumindest in einer tiefer liegenden Schicht miteinander
verbunden. Bei einer Deformation des Substrates und seiner Oberfläche erfährt die aufgebrachte
spröde
Materialschicht eine mechanische Wechselbeanspruchung in Form von
Zug- und/oder Druck (Stauchung und/oder Streckung). Diese Wechselbeanspruchung
führt im
Zusammenspiel mit Materialalterung, thermischer Beanspruchung, lokaler
Kerbwirkung durch eingelagerte Füllmittel
und Verschmutzungen und weiteren Einflüssen zur lokalen Rissbildung
der spröden
aufgebrachten Materialschicht. Ist die spröde Materialschicht einmal beschädigt, können die
genannten Einflüsse
noch effektiver wirksam werden und führen mit zunehmender Geschwindigkeit
zur Delamination der gesamten Schicht.
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Im
Gegensatz dazu weist das erfindungsgemäße Substrat keine zusammenhändende spröde Schicht
auf, die großflächig delaminieren
kann, sondern einzelne ggf. spröde
Pixeln, deren Ausdehnung parallel zur Substratoberfläche so gering
ist, dass keine wesentliche Wechselbeanspruchung durch Stauchen
oder Strecken aufgebaut werden kann (vgl. die schematischen und
nicht maßstabsgerechten 2a zur
Streck beanspruchung und 2b zur Stauchbeanspruchung der
Substratoberfläche
ohne entsprechende Beanspruchung der Pixeln).
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Dieser
grundsätzliche
Unterschied der Erfindung gegenüber
dem Stand der Technik bedingt deren zeitlich deutlich längeren Eigenschaftserhalt.
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Weitere
Eigenschaftsverbesserungen lassen sich erzielen, wenn das deformierbare
Substrat Pixel unterschiedlicher Eigenschaften aufweist, insbesondere
Pixel unterschiedlicher Form und/oder unterschiedlicher Größe und/oder
unterschiedlicher physikalischer und/oder chemischer Eigenschaften und/oder
relativ zueinander unterschiedlicher Beabstandung und/oder Anordnung
aufweist. Insbesondere die Anordnung ist ein neuer Mechanismus zur
Erhöhung
der Funktionalität
des aufgebrachten Materials. So kann beispielsweise durch einen
gezielten Strukturaufbau bzw. durch die Generierung einer funktionalen
Topologie eine gewünschte
Eigenschaft wie z.B. die Dichtwirkung oder die Verschmutzungsresistenz
optimiert werden.
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Unterschiede
in der Form können
in einer, in zwei oder in allen drei Raumachsen vorliegen, z.B. kann
ein Pixel flacher (Formunterschied in z-Richtung) oder ellipsoider
(Formunterschied in x- und/oder y-Richtung) als ein anderer ausgestaltet sein.
Beispiele für
unterschiedliche Anordnung von Pixeln sind in den 3a bis 3c gezeigt. 3a zeigt
die einfachste Anordnungsmöglichkeit
vollkommen gleichmäßiger und
gleichausgerichteter Verteilung der Pixeln. 3b zeigt
eine gleichmäßige Verteilung
versetzt angeordneter Pixeln. 3c zeigt eine
ungleichmäßige Anordnung
von Pixeln mit unterschiedlicher Beabstandung in Form eines Musters.
Mittels geeigneter Muster lassen sich einerseits gezielt Eigenschaften
einstellen und andererseits auch Identifikationsmerkmale erzeugen,
z.B. in Form von Punkt← oder
zusammengesetzten Strich oder Zeichen-Kodierungen oder auch direkte
Zuschnitt- oder Montageinformationen auf das Substrat auftragen. 3d zeigt
eine Kombination von Unterschieden in der Pixelanordnung, der Pixelbeabstandung und
der Pixelgröße.
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Unterschiede
in den physikalischen Eigenschaften können einerseits in der Form
der Pixeln, insbesondere deren Abmessungen und Abmessungsverhältnisse,
begründet
sein (z.B. Lotus-Effekt) und andererseits durch deren chemische
Zusammensetzung, z.B. hydrophobe Substanzen. Beispielsweise zeigt 3e schematisch
und nicht maßstabsgerecht
einerseits vergleichsweise große und
relativ zu Ihrer Größe dicht
benachbarte Pixeln aus einer hydrophoben Substanz, die als wasserabweisende
Sperrschicht fungieren. Andererseits zeigt 3e vergleichsweise
kleine Pixeln aus einer anderen Substanz, die zur Reduktion des
Stick-Slip-Effektes und damit der Geräuschreduktion dienen.
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Des
Weiteren können
Design-Aspekte berücksichtigt
werden, indem z.B. Pixeln aus einem oder mehreren farbigen Materialien
zwischen Gleitlack-Pixeln angeordnet werden. Diese beiden zusätzlichen
Aspekte können
auch kombiniert werden. Insbesondere können beliebige Merkmale damit
dargestellt werden, z.B. Identifizierungsmerkmale oder Kennzeichen.
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Erst
der erfindungsgemäß sortenrein
getrennte Auftrag von Pixeln unterschiedlicher Funktionalität ermöglicht derartige
Mehrfach-Funktionalitäten.
Dies war bisher nicht möglich,
da Gleitlacke üblicherweise
komplexe Zusammensetzungen aufweisen, die genau auf ihre erforderliche
Funktionalität eingestellt
sind und die Zugabe weiterer Komponenten zu anderen Zwecken diese
erforderliche Funktionalität
immer stören
würde.
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Vorteilhaft
ist es, wenn die Pixeln zusätzlicher,
insbesondere nachrangiger Funktionalität, geringere Höhe aufweisen
als die Pixeln der Basis-Funktionalität, z.B. die Gleitlack-Pixeln.
Dadurch wird die Basis-Funktionalität in keiner Weise beeinträchtigt und
gleichzeitig die nachrangige Funktionalität ermöglicht.
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Weitere
Möglichkeiten
zur gezielten Einstellung von Oberflächeneigenschaften ergeben sich durch
Pixeln, die senkrecht zur Substratoberfläche unterschiedliche Eigenschaften,
insbesondere Zusammensetzung, aufweisen (vgl. hierzu 3f).
Dabei können
die Unterschiede senkrecht zur Substratoberfläche sowohl bei jedem Pixel
in der gleichen Weise vorliegen als auch zwischen verschieden Pixeln
unterschiedlich ausgestaltet sein.
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Geeignete
deformierbare Substrate sind z.B.: Kunststoffe, insbesondere Elastomere;
Naturstoffe, insbesondere Leder, Ton, Textilien.
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Derartige
Substrate mit entsprechend mikrostrukturierter Oberfläche können z.B.
eingesetzt werden als gleitende Bauteile wie Dichtungen, Faltenbalge
oder Scheibenwischer, als Montage -oder Umformhilfen oder auch als
schwingungsverschleißgefährdete Bauteile.
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Die
Aufgabe wird bezüglich
des zu schaffenden Verfahrens zur Herstellung einer mikrostrukturierten
Oberfläche
auf einem deformierbaren Substrat durch Auftragen von Material dadurch gelöst, dass
das Material in Form von einzelnen Pixeln aufgebracht wird.
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Dadurch
weist das erfindungsgemäß hergestellte
Substrat keine zusammenhändende
spröde Schicht
auf, die großflächig delaminieren
kann, sondern einzelne Mikrostrukturen oder Pixeln, deren Ausdehnung
parallel zur Substratoberfläche
so gering ist, dass keine wesentliche Wechselbeanspruchung durch
Stauchen oder Strecken aufgebaut werden kann.
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Vorzugsweise
wird das Material in flüssiger Form
aufgebracht, insbesondere Lack, z.B. Gleitlack. Als besonders geeignet
zum Auftragen erweisen sich bekannte Druckverfahren wie sie z.B.
in der DIN 16500 mit weiteren Verweisen genannt sind, z.B. Hochdruck,
Tiefdruck, Flachdruck, Siebdruck. Aber auch elektronische Druckverfahren
ohne Druckform, insbesondere mittels Tintenstrahl- oder Laserstrahldruck
oder anderen Belichtungsverfahren. Druckverfahren ohne Druckform
haben den Vorteil, dass sie sich grundsätzlich leichter auf gekrümmte Oberflächen anwenden
lassen als solche mit Druckform. Besonders geeignet ist dabei der
Laserstrahldruck, da er in deutlich geringem Umfang als der Tintenstrahldruck
Schwerkrafteinflüssen
unterliegt.
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Mittels
dieser Druckverfahren können
die Pixeln entweder direkt auf die Substratoberfläche aufgedruckt
werden oder zunächst
auf eine Abziehfolie aufgedruckt werden und dann von dieser auf
die Substratoberfläche übertragen
werden. Letztere Variante ist vor allen bei solchen Oberflächen vorteilhaft,
die im Ruhezustand stark gekrümmte
Oberflächen
aufweisen.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn Pixel unterschiedlicher Eigenschaften aufgebracht
werden, insbesondere Pixel unterschiedlicher Form und/oder unterschiedlicher
Größe und/oder
unterschiedlicher physikalischer und/oder chemischer Eigenschaften und/oder
relativ zueinander unterschiedlicher Beabstandung aufgebracht werden.
Dies kann beispielsweise mittels zeitlich versetzter Aufträge, insbesondere
Druckvorgängen
erfolgen. Es kann aber auch gleichzeitig erfolgen, z.B. durch Tintenstrahldruck
mit unterschiedlich befüllten
und/oder unterschiedlich angesteuerten Mehrfachdruckköpfen. Geeignete Mehrfachdruckköpfe sind
kommerziell verfügbar,
insbesondere im materialauftragenden Bereich der generativen Rapid
Technologien.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn Pixel aufgebracht werden, die senkrecht
zur Substratoberfläche unterschiedliche
Eigenschaften, insbesondere Zusammensetzung, aufweisen, vorzugsweise
derart, dass zunächst
eine erste Pixelschicht mit einer ersten Eigenschaft und nachfolgend
eine oder mehrere weitere Pixelschichten mit einer oder mehreren
anderen Eigenschaften aufgebracht werden. Dabei können die
Unterschiede senkrecht zur Substratoberfläche sowohl bei jedem Pixel
in der gleichen Weise ausgestaltet werden als auch zwischen verschieden
Pixeln unterschiedlich.
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Außerdem ist
es vorteilhaft, wenn die Pixel in Form eines Musters angeordnet
werden.
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Nachfolgend
werden anhand von Ausführungsbeispielen
das erfindungsgemäße Verfahren und
das erfindungsgemäße Substrat
näher erläutert:
Gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
wird ein Substrat aus einer flexiblen Elastomer (z.B. eine Dichtungsrohling)
flach positioniert. Auf die ebene Substratoberfläche wird mittels eines Mehrfach-Tintenstrahl-Druckkopfes
(hier Piezo-Drucker) eine Mikrostruktur aus Lack-Pixeln auf die
Substratoberfläche
aufgedruckt. Dafür
werden aus einem ersten Druckkopf Pixeln aus einer hydrophoben Substanz und
aus einem zweiten Druckkopf Pixeln aus einer die Haftreibung zu
einer Gegenfläche
reduzierenden Substanz auf die Substratoberfläche aufgedruckt. 3e zeigt
schematisch und nicht maßstabsgerecht
einerseits die vergleichsweise großen und relativ zu Ihrer Größe dicht
benachbarten Pixeln aus der hydrophoben Substanz, die als wasserabweisende Sperrschicht
fungieren. Andererseits zeigt 3e die
vergleichsweise kleinen Pixeln aus der anderen Substanz, die zur
Reduktion des Stick-Slip-Effektes und damit der Geräuschreduktion
dienen.
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Gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel wird
ein Substrat aus Leder zunächst
flächig
mit einem aushärtbaren
flüssigen
Gleitlack dünn
beschichtet. Dies kann z.B. mittels Aufsprühen, Aufstreichen oder Eintauchen
erfolgen. Diese flächige
Beschichtung wird nun lokal pixelweise mittels eines Laserstrahls
gehärtet.
Nachfolgend wird das nicht gehärtete
Schichtmaterial abgesaugt oder abgespült. Bedarfsweise kann noch
ein Nachhärteschritt
erfolgen.
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Dieses
Verfahren hat den Vorteil, dass auch nicht ebene Substratoberflächen leichter
beschichtet werden können,
da der Laserstrahl aus beliebigen Richtungen und unter beliebigen
Winkeln auf die flüssige
Schicht auftreffen kann und dabei keinen nennenswerten Schwerkrafteinflüssen unterliegt.
Auch die flüssige
Schicht unterliegt wegen ihrer geringen Dicke von circa 0,005 bis
0,5 mm keinen nennenswerten Schwerkrafteinflüssen, da Ihre Oberflächenspannung
derartige Einflüsse
kompensiert. Geeignete robotergeführte Laserscannersysteme zur
punktuellen Laserbestrahlung aus schnell veränderbaren beliebigen Raumrichtungen
sind inzwischen weit verbreitet und werden immer preisgünstiger.
Aber das Verfahren funktioniert natürlich genauso mit einem feststehenden
Laser und ebener Substratoberfläche.
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Gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel wird
eine elastische Rollmembran aus Gummi flach positioniert. Auf deren
ebene Oberfläche
wird mittels eines Piezo-Tintenstrahl-Druckkopfes eine einfache Mikrostruktur
aus Gleitlack-Pixeln gemäß 3a auf die
Membranoberfläche
aufgedruckt. Der Gleitlack ist ein lufthärtendes PU-Harz mit darin dispergierten Festschmierstoffpartikeln
aus PTFE. Die andere Seite der Rollmembran wird mit der gleichen
Mikrostruktur aus Gleitlack-Pixeln
bedruckt. Nach Aushärtung der
Pixeln wird die Rollmembran entsprechend 4 in ihrem
Anwendungsbereich montiert. Je nach Position der relativ zueinander
beweglichen Bauteile, die mittels der Rollmembran verbunden sind,
stellt sich Reibkontakt zwischen verschiedenen Abschnitten der Rolmembran
und/oder zwischen der Rollmembran und einer Bauteiloberfläche ein.
Die aufgedruckte Mikrostruktur beseitigt den Stick-Slip-Effekt und
die aus ihm resultierenden Geräusche
langfristig und erhöht
die Lebensdauer der Rollmembran.
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Das
erfindungsgemäße Substrat
und das erfindungsgemäße Verfahren
erweisen sich in den Ausführungsformen
der vorstehend beschriebenen Beispiele als besonders geeignet für die verbesserte Herstellung
von gleitenden Bauteilen, z.B. Dichtungssystemen oder Faltenbalgen
(Rollmembranen), wie sie insbesondere in der Automobilindustrie
häufig benötigt werden.
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Erfindungsgemäß wird die
Lebensdauer der durch die mikrostrukturierte Oberfläche bedingten
Eigenschaften wesentlich erhöht.
Außerdem
können die
Eigenschaften wesentlich leichter variiert werden. Des Weiteren
sinkt der Verbrauch an Beschichtungsmaterial deutlich ab, was wiederum
zu einer Resourcenschonung und Umweltentlastung führt. Ferner können Montagebedingungen
verbessert werden, indem Montageanleitungen gleich mit aufgebracht
werden.
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Die
Erfindung ist nicht auf die dargestellten Beispiele beschränkt, sondern
auf weitere übertragbar.
Z.B. können
auch auf andere, z.B. plastisch oder elastisch deformierbare, insbesondere
metallische Substrate Pixeln aufgebracht werden.
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Außerdem ist
es denkbar, dass über
das als einzelne Pixel aufgebrachte Material noch eine abschließende elastische
Deckschicht, z.B. aus Silikon, aufgetragen wird. Aufgrund der Elastizität der Deckschicht
wird der erfindungsgemäße Vorteil
des pixelweisen Auftrags nicht beeinträchtigt. Entscheidend ist, dass
die Pixeln auch in diesem Fall noch einzeln vorliegen, d.h. klar
definierte Grenzflächen
zu ihrer Umgebung aufweisen.