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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Spritzgießen von Hohlraum-Formteilen,
bei der ein mittels Injektionstechnik injiziertes Kühlmittel
gegen kälteres Kühlmittel derart ausgetauscht
wird, dass derselbe Injektor eingesetzt werden kann, infolgedessen
sich auf einer vorhandenen Vorrichtung der Wärmeabtransport
verbessern lässt. Insbesondere handelt es sich bei dem
Kühlmittel um Wasser (Wasserinjektionstechnik WIT). Gegenstand
der Erfindung ist folglich auch eine Vorrichtung, deren Steuereinheit eine
automatische Durchführung des Verfahrens erlaubt. Die Vorrichtung
wird zum Spritzgießen von Hohlraum-Formteilen verwendet.
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Es
ist im Stand der Technik bekannt, das Urformverfahren des Spritzgießens
in der Kunststoffverarbeitung einzusetzen. Hierbei kommt ein unter Druck
stehendes Fluid zur Anwendung, das wenigstens zwei Aufgaben erfüllt:
Erstens ergeben sich im Zuge der Ausformung des Gegenstandes hohle
Innenbereiche, die mit Gewichts- und Materialersparnissen einhergehen.
Zweitens übt das unter Druck stehende Fluid in dem Formhohlraum
einen nach außen gerichteten Druck aus, der den Kunststoff
gegen die Formoberflächen presst, während sich
der Gegenstand verfestigt. Dadurch wird die Oberflächenqualität
verbessert, indem Einfallstellen in Bereichen des Gegenstandes mit
verhältnismäßig dickeren Profilen, wie
zum Beispiel versteifenden Rippen, vermindert werden.
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Die
Vorzüge der Wasserinjektionstechnik (WIT) gegenüber
der Gasinjektionstechnik (GIT) beim Spritzgießen von Hohlraum-Formteilen
sind beschrieben: eine um 40% bis 70% kürzere Zykluszeit, eine
gleichmäßigere Verteilung der Wanddicke bei gleichzeitig
sehr glatten Innenwänden und eine besonders gute Eignung
für Medienleitungen, insbesondere mit großen Durchmessern.
Jedoch bewirken die erforderliche Ausrüstung und die Verfahrenskontrollparameter,
die erforderlich sind, um das Einbringen des Fluids zu bewerkstelligen,
eine deutliche Erhöhung der Komplexität dieser
Art des Spritzgießens. Prinzipiell kann das Injizieren
durch die Maschinendüse und damit durch das Angussystem
oder durch einen separaten Injektor direkt in das Formteil in der
Kavität erfolgen. Problematisch ist, dass der Injektionsdruck
des Fluids vor dem Injektor komplett aufgebaut sein muss, da ansonsten
die Schmelze beim Öffnen des Injektors unweigerlich in
den Injektor fließen würde.
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Die
DE 38 50 543 T3 lehrt
ein Verfahren, um die eingebrachte Fluidladung daran zu hindern,
in die Einspritzdüse einzudringen, indem die Fluidladung
in den Fließweg an einer Stelle der Fluideinspritzung eingebracht
wird, in der das Harz der Bewegung der Fluidladung einen größeren
Widerstand zwischen der Fluideinspritzposition und dem Anfang des
Fließwegs entgegenbringt als zwischen der Fluideinspritzposition
und dem Ende des Fließwegs. Aufgrund des Zusammenspiels
verschiedener Drücke, die den Transport der Fluidladung
im Fließweg bewirken, ist eine Kühlung des zu
erstarrenden Formteils nicht vorgesehen.
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Egger
et al. (Kunststoffe 09/2004, Seite 196–202, Carl Hanser
Verlag, München) beschreiben eine Wasserinjektionsanlage
mit zwei Wasserinjektoren, so dass das System nach dem Verdrängen
der Kernschmelze durch Wasserinjektion über den angussnahen
Injektor über den in der Nähe der Nebenkavität
befindlichen zweiten Injektor mit Wasser im Kreislauf nachkühlen
kann. Die voneinander unabhängige Ansteuerung der externen
Wasserversorgungsanlage und der für die Injektoröffnung
zuständigen Kernzüge der Spritzgussmaschine birgt
wiederum die Gefahr des Rückflusses von Schmelze in die
Injektoren. Der Spülprozess, das Ausblasen des Wassers
aus dem Hohlraum und das abschließende Trockenblasen müssen
mittels einer diffizil aufeinander abgestimmten Prozesssteuerung
definiert gesteuert werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die im Stand der Technik aufgezeigten
Nachteile zu überwinden und ein Verfahren zur Verfügung
zu stellen, das einen einfachen Austausch des Fluids und eine effiziente
Kühlung realisiert. Aufgabe der Erfindung ist auch das
Bereitstellen einer Vorrichtung, mittels derer die vorgenannten
Verfahrensmerkmale umgesetzt werden können.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird gemäß den unabhängigen
Ansprüchen gelöst. Die Unteransprüche
beinhalten bevorzugte Ausführungsformen. Erfindungsgemäß wird
ein Verfahren zum Spritzgießen von Hohlraum-Formteilen
bereitgestellt, das die folgenden Schritte umfasst:
- a) Bereitstellen einer Vorrichtung zur Injektion eines Kühlmittels
mit einem Injektor,
- b) Einbringen einer Formmasse in eine Kavität der Vorrichtung,
- c) Verdrängen von Kernschmelze der Formmasse durch
Injektion eines Kühlmittels über den Injektor unter
Bildung eines Hohlraums,
- d) Ablassen zumindest eines Teils des Kühlmittels aus
dem Hohlraum,
- e) Injizieren eines Kühlmittels mit einer im Vergleich
zum abgelassenen Kühlmittel geringeren Temperatur über
den Injektor, und
- f) Ausblasen der Kühlflüssigkeit aus dem Hohlraum-Formteil.
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Überraschenderweise
hat sich gezeigt, dass die Prozessführung auf einer herkömmlichen
Vorrichtung zum Spritzgießen von Hohlraum-Formteilen derart
gestaltet werden kann, dass derselbe Injektor sowohl zum Injizieren
des Kühlmittels zum Ausschälen in Schritt c) als
auch zum Injizieren des Kühlmittels in Schritt e) verwendet
wird, wobei bevorzugt in beiden Injektionsschritten das gleiche
Kühlmittel, insbesondere Wasser, zum Einsatz kommt. Indem
nur ein druckbetriebener Fluidzugang vorhanden ist, vereinfacht
sich die Durchführung des Verfahrens erheblich, da sämtliche
Fluide zeitlich versetzt in nur einem Transportkreislauf gefahren
werden, dessen Steuerung über eine einzelne Steuereinheit
realisiert wird. Die Schritte d) und e) können wahlweise
auch wiederholt werden.
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Ausgangspunkt
des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Bereitstellen
einer Vorrichtung zur Kühlmittelinjektion, die lediglich
einen Injektor umfasst. Die Ausgestaltung der Vorrichtung ist dabei nicht
limitiert und wird in Abhängigkeit vom durchzuführenden
Verfahren gewählt. Grundsätzlich stehen dem Anwender
das Nebenkavitäts-, das Masserückdrück-
und das Teilfüllverfahren zur Auswahl. Bei den ersten beiden
Varianten erfolgt die vollständige Füllung der
Kavität mit Schmelze mit anschließendem Ausblasen
von Schmelze in eine Nebenkavität oder das Zurückblasen
in den Schneckenzylinder. Das Nebenkavitätsverfahren ist
einfach zu bewerkstelligen, erfordert allerdings einen hohen Materialeinsatz.
Das wirtschaftliche, aber anspruchvollere Teilfüllverfahren
senkt erheblich den Materialverbrauch – bei einer Medienleitung
je nach Geometrie zwischen 35% und 45%. Dabei wird die Kavität
zunächst nur teilweise mit Material gefüllt. Das
injizierte Kühlmittel (Wasser) verdrängt das Material
aus der inneren Masseseele. Mit der verdrängten Masse wird
der Rest des Bauteils gebildet. Die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte
können in jedes der vorgenannten Verfahren integriert werden
und sind auch nicht auf diese Verfahren beschränkt.
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Im
nächsten Schritt wird der jeweilige Werkstoff, der auch
als Formmasse bezeichnet wird, in die Vorrichtung eingebracht. Die
Formmasse kann dabei im festen Zustand als auch in einem formbaren
Zustand vorliegen. In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die
Formmasse in der Vorrichtung plastifiziert, vorzugsweise in einer
Spritzeinheit, wodurch sie in einen formbaren beziehungsweise fließfähigen Zustand übergeht,
der erst die Weiterverarbeitung ermöglicht. Die Formmasse
wird also insbesondere im plastifizierten Zustand in die Kavität
eingebracht. Dieser Hohlraum der Vorrichtung bestimmt die Form und die
Oberflächenstruktur des fertigen Formteils.
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Das
Verfahren ist für nahezu alle Formmassen mit Quellflussverhalten
anwendbar. Bevorzugte Formmassen im erfindungsgemäßen
Verfahren sind Kunststoffe. Pulverförmige oder granulatförmige Kunststoffe
werden über ihre spezifischen Schmelztemperaturen erhitzt,
so dass sie eine heiße, homogene Kunststoffmasse bilden.
Das ist insbesondere für Thermoplaste, Duroplaste und/oder
thermoplastische Elastomere möglich.
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Thermoplaste
sind Kunststoffe, die sich in einem bestimmten Temperaturbereich
einfach verformen lassen. Dieser Vorgang ist reversibel, das heißt, er
kann durch Abkühlung und Wiedererwärmung bis in
den schmelzflüssigen Zustand beliebig oft wiederholt werden,
solange nicht durch Überhitzung eine thermische Zersetzung
des Materials einsetzt. Thermoplaste sind aus wenig oder nicht verzweigten,
also linearen Kohlenstoffketten aufgebaut, die nur durch schwache
physikalische Bindungen miteinander verbunden sind, wobei zwischen
amorphen und teilkristallinen Thermoplasten unterschieden wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind
die Thermoplaste ausgewählt aus der Gruppe von Polyvinylchlorid,
Polystyrol, Polyethylen, Polypropylen, Polytetrafluorethylen, Polycarbonat,
Polyamid und Polymethylmethacrylat.
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Duroplaste
sind mittels Polykondensation hergestellte Kunststoffe, die nach
ihrer Aushärtung nicht mehr verformt werden können,
indem sie über chemische Hauptvalenzbindungen dreidimensional fest
vernetzt sind. Die Vernetzung erfolgt beim Mischen von Vorprodukten
mit Verzweigungsstellen und wird beispielsweise bei hohen Temperaturen thermisch
aktiviert. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
des vorliegenden Verfahrens sind die Duroplaste ausgewählt
aus der Gruppe von Aminoplast, Polyester, Polyurethan und Phenoplast.
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Elastomere
sind formfeste, aber elastisch verformbare Kunststoffe, deren Glasübergangspunkt sich
unterhalb der Raumtemperatur befindet. Die Kunststoffe können
sich bei Zug- und Druckbelastung verformen, finden aber wieder in
ihre ursprüngliche, unverformte Gestalt zurück.
Konventionelle Elastomere sind nicht schmelzbar. Die so genannten thermoplastischen
Elastomere verhalten sich bei Raumtemperatur vergleichbar den klassischen
Elastomeren, während sie sich unter Wärmezufuhr
plastisch verformen lassen und somit ein thermoplastisches Verhalten
zeigen, indem sie in Teilbereichen physikalische Vernetzungspunkte
ausweisen, die sich bei Wärme auflösen, ohne dass
sich die Makromoleküle zersetzen. Nach dem inneren Aufbau
unterscheidet man Blockcopolymere und Elastomerlegierungen.
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In
Schritt c) wird nun die Kernschmelze durch das Kühlmittelfluid
verdrängt, das über den Injektor injiziert wird.
Im Ergebnis des Verdrängens der plastischen Seele bildet
sich ein Hohlraum im Formteil. Das unter Druck stehende Fluid wird
im Formkörper gehalten, während sich der Kunststoff
verfestigt und die Form des geformten Gegenstands annimmt. Während
dieser Zeit bewirkt das unter Druck stehende Fluid einen nach außen
gerichteten Druck, der die Formmasse zwingt, sich den Einzelheiten
der Formoberfläche anzupassen. Die gezielte Hohlraumbildung
erhöht die Steifigkeit der Formteile und ermöglicht
damit vielfältige Designvariationen.
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Das
Verfahren der Erfindung beinhaltet des Weiteren das Abkühlen
des so geformten Hohlraum-Formteils bis auf eine Temperatur unterhalb des
Erweichungspunktes der Formmasse. Während im Stand der
Technik das Kühlmittel nach dem Ausschälen zum
Kühlen weiterhin für eine bestimmte Zeit im Hohlraum
eingeschlossen worden ist, wird diese Zeit nun verkürzt,
indem das beim Ausschälen erwärmte Kühlmittel
ausgetauscht wird, sobald dafür ein stabiler Hohlraum entstanden
ist. Dazu wird zunächst das erwärmte Kühlmittel
aus dem Hohlraum abgelassen und möglichst zügig
ein Kühlmittel in den Hohlraum injiziert, das eine im Vergleich
zum abgelassenen Kühlmittel geringere Temperatur aufweist. Aufgrund
der größeren Temperaturdifferenz zwischen Formteil
und frischem Kühlmittel gegenüber Formteil und
erwärmten Kühlmittel des ersten Kühlzyklus
wird der Wärmetransport deutlich beschleunigt. Die Kühlmittelinjektion
geschieht mit demselben Injektor, mit dem bereits das erste Kühlmittel
zum Ausschälen injiziert worden ist. Folglich ist es in
einer Ausgestaltung des Verfahrens bevorzugt, dass auch das Kühlmittel
des zweiten Kühlzyklus Wasser ist. Das Kühlmittel
kann auch anderweitig zusammengesetzt sein, wobei vorzugsweise eine
Kühlflüssigkeit injiziert wird, die wiederum in
einer anderen besonders bevorzugten Ausgestaltung Öl, Alkohol
oder fluorierte Kohlenwasserstoffe umfasst. Bevorzugt wird somit
das Kühlmittel des ersten und des zweiten Kühlzyklus
demselben Reservoir entnommen.
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Das
in Schritt e) injizierte Kühlmittel wird für einen
definierten Zeitraum, der durch das Erreichen einer Soll-Temperatur
des Formteils determiniert wird, im Hohlraum belassen oder im Kreislauf
gefahren. Die Soll-Temperatur ist dadurch charakterisiert, dass
sie unterhalb des Erweichungspunktes der Formmasse liegt, infolgedessen
ein stabiler Hohlkörper ohne Verwerfungen entstanden ist,
der nach der Ausformung und seiner Entnahme aus der Vorrichtung
nicht in sich zusammenfällt. Während beim Verweilen
des Kühlmittels im Hohlraum ein sukzessives Angleichen
der Temperaturen von Formteil und Kühlmittel erreicht wird,
kann die Wärmeabfuhr durch einen kontinuierlichen Austausch
des Kühlmittels weiter beschleunigt und die Temperatur
auf dessen Niveau gesenkt werden. Die kontinuierliche Prozessführung
kann so ausgestaltet sein, dass das Kühlmittel permanent
oder in periodischen Intervallen dem Hohlkörper am Zulauf
(Injektor) zugegeben und gleichzeitig am Ablauf entfernt wird, wodurch
der Hohlkörper durchströmt und von innen gekühlt
wird. Für das Fahren im Kreislauf bietet sich insbesondere Wasser
an, dass nicht nur eine 40fach höhere Wärmeaufnahme
gegenüber Gas besitzt, sondern auch bereits zum Ausschälen
verwendet wurde, so dass folglich dieses erwärmte Wasser
nach externer Abkühlung wieder verwendet werden kann. Das
in Schritt d) abgelassene, erwärmte Kühlmittel
und das frische kälteren Kühlmittel, die sich
also auf unterschiedlichen Temperaturniveaus befinden, können durch
eine entsprechende Transportführung in ihrer Temperatur
angeglichen werden.
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Mit
Erreichen der Solltemperatur wird das Kühlmittel aus dem
Hohlraum-Formteil ausgeblasen, so dass im Anschluss daran das erstarrte
fertige Formteil entnommen werden kann.
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Weitere
bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen,
in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand
der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
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1a einen
einfachen WIT-Zyklus;
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1b einen
WIT-Zyklus mit Wasseraustausch;
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2a eine
Thermographieaufnahme, die das Ergebnis einer Entformung in einem
einfachen WIT-Zyklus dokumentiert und
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2b eine
Thermographieaufnahme, die das Ergebnis einer Entformung in einem
modifizierten WIT-Zyklus bei gleichzeitig reduzierter Zykluszeit dokumentiert.
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1 zeigt einen einfachen WIT-Zyklus (1a)
und einen erfindungsgemäßen WIT-Zyklus mit Wasseraustausch
(1b). Ein Zyklus mit den Schritten a) bis f) benötigt
eine geringere Zeit t bis zum Erreichen der Soll-Temperatur als
ein Zyklus mit den Schritten a) bis d) bis zum Erreichen derselben Soll-Temperatur
bei konstantem Wasserdruck pw.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens wird
die Zykluszeit um mindestens 5% verkürzt wird, besonders
bevorzugt um mindestens 10%. Die effektive Verkürzung der
Zykluszeit hängt von der Schnelligkeit der Ausbildung eines
stabilen Hohlraums ab. Die Erprobung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wurde bereits getestet.
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2 zeigt Thermographieaufnahmen, die das
Ergebnis einer Entformung in einem einfachen WIT-Zyklus (2a)
beziehungsweise in einem modifizierten WIT-Zyklus (2b)
bei gleichzeitig reduzierter Zykluszeit dokumentieren. Diese Beispiele
für konkrete Ausführungsformen sind nicht limitierend.
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Gegenstand
der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zum Spritzgießen
von Hohlraum-Formteilen, die einen Injektor und eine Steuereinheit
zur voll- oder halbautomatischen Steuerung des Verfahrens umfasst.
Dabei ist hinter dem Injektor eine Steuereinheit mit einem Ventil
oder mehreren Ventilen angeordnet, die umprogrammiert werden, um
den erfindungsgemäßen zweistufigen Prozess durchzuführen.
Die Ventile sind vorzugsweise wasserhydraulischer Art. Ein weiterer
Gegenstand der Erfindung betrifft die Verwendung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zum Spritzgießen von Hohlraum-Formteilen.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung werden also erstmalig ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Spritzgießen von Hohlraum-Formteilen
bereitgestellt, das eine zweistufige, automatische Prozessführung
mit einem Injektor ermöglichen. Die Erfindung nutzt die
Ausgestaltung des vorhandenen Werkzeugs, um auf einfachem und zuverlässigem Wege
einen Wasseraustausch zu gewährleisten. Der Einsatz eines
zweiten Injektors zum Spülen ist ebenso wenig notwendig
wie die Steuerung von zwei Injektoren beziehungsweise die teilweise
manuelle Abstimmung mit einer externen Wasserversorgungsanlage.
Vorteil ist, dass vorhandene Werkzeuge nicht umgerüstet
werden müssen und neue Werkzeuge wie gehabt gebaut werden
können. Durch den Austausch des Prozesswassers, der über
die Steuerung der WIT-Anlage realisiert wird, werden die Wärmeabfuhr
und die Kühlleistung des Wassers verbessert und infolge
der Kühlungsverbesserung kann die Zykluszeit bei einer
WIT-Vorrichtung reduziert werden, so dass die Wirtschaftlichkeit
des Prozesses deutlich steigt. Verfahren und Vorrichtung der Erfindung zeichnen
sich durch eine einfache und kostengünstige Handhabung
aus und eröffnen eine Vielzahl von Anwendungsperspektiven.
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Es
versteht sich, dass diese Erfindung nicht auf die spezifischen Methoden,
Zusammensetzungen und Bedingungen beschränkt ist, wie sie
hierin beschrieben sind, da solche Dinge variieren können. Es
versteht sich des Weiteren, dass die vorliegend verwendete Terminologie
ausschließlich dem Zweck der Beschreibung besonderer Ausführungsformen dient
und nicht den Schutzumfang der Erfindung einschränken soll.
Wie vorliegend in der Spezifikation einschließlich der
anhängigen Ansprüche verwendet, schließen
Wortformen im Singular, wie zum Beispiel "ein", "eine", "einer",
"der" oder "das" die Entsprechung im Plural ein, sofern der Kontext
nicht eindeutig etwas anderes vorgibt. Beispielsweise enthält
der Bezug auf "ein Kühlmittel" ein einzelnes Kühlmittel oder
mehrere Kühlmittel, die wiederum identisch oder verschieden
sein können, oder der Bezug auf "ein Verfahren" schließt äquivalente
Schritte und Verfahren ein, die dem Fachmann bekannt sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Egger et al.
(Kunststoffe 09/2004, Seite 196–202, Carl Hanser Verlag,
München) [0005]