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Die
Erfindung betrifft Werkstoffe und das Herstellverfahren dieser Werkstoffe
mittels Kaltwalzplattieren, wobei diese Schichtverbundwerkstoffe,
als Edelstahlersatzwerkstoffe eingesetzt werden können.
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Einleitung
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Walzplattierte
Schichtverbundwerkstoffe finden dort ihren Einsatz wo konventionelle
Flachmaterialien, bestehend aus nur einem Werkstoff, dem geforderten
Profil mechanisch-technologischer Eigenschaften nicht mehr genügen
können. Dies können Eigenschaften sein, die widersprüchlich
sind und nicht von einem Material gewährleistet werden
können, wie beispielsweise hohe Verschleißfestigkeit
bei gleichzeitig guter Umformbarkeit. Oder aber die Forderung nach
hoher Güte der Gebrauchseigenschaften bei gleichzeitig
geringem Preis, wie beispielsweise sehr gute Korrosionsbeständigkeit
ohne die hohen Kosten für Legierungsbestandteile, die eine
solche Eigenschaft im allgemeinen begründen (z. B. Cr oder
Ni).
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Diese
Forderungen können zum Beispiel dadurch erfüllt
werden, dass auf einen besonders gut umformbaren Grundwerkstoff,
der nur bedingt korrosionsbeständig ist, ein- oder zweiseitig,
eine dünne Schicht, aus einem sehr korossionsbeständigen
Material plattiert wird. Neben diesen Beispielen lassen sich eine
Vielzahl von eigentlich widersprüchlichen Merkmalskombinationen
aufzählen, welche nach dem gleichen Prinzip aufgebaut sind,
z. B. elektrische Leitfähigkeit und hohe Warmfestigkeit,
oder Korrosionsbeständigkeit und Erwärmbarkeit
durch elektrische Induktion.
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Stand der Technik
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Die
Herstellung von Verbundwerkstoffen, ausgehend von verschiedenen
metallischen Ausgangswerkstoffen, ist bereits seit mehreren tausend
Jahren bekannt. Das im dem Bereich metallischer Flachwerkstoffe bekannteste
Beispiel hierfür ist die Schwertschmiedekunst, aus Japan
und Spanien, allen Werkstofffachleuten durch die Damazehnertechnik
bestens bekannt. Mit dieser, extrem aufwändige Fertigungstechnik,
lässt sich aber bereits seit mehreren Jahrzehnten nicht
mehr die erforderliche Stückzahl der gefragten Güter
herstellen, außerdem ist sie zur Erzeugung von schichtweise
homogenen Verbundwerkstoffen ungeeignet.
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Aus
dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Anmeldungen, Ideen und
Publikationen bekannt, die sich für die Herstellung eines
Schichtverbundwerkstoffs der Flüssigphase, mindestens eines
der am Verbund beteiligten Partner, bedienen. Als Beispiel sei die
DE 100 11 758 C2 genannt.
Die Verwendung solcher Verfahren genügen hinsichtlich der
erzielbaren technologischen Eigenschaften oftmals nicht den geforderten
Parametern, bspw. der Rauhigkeit wie sie durch dieses Verfahren,
am Fertigprodukt, realisierbar sind.
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Auch
die Erzeugung von Schichtverbundwerkstoffen durch die Kombination
mehrer, abschnittsweise genutzter Schritte über die metallische
Flüssigphase der beteiligten Partner ist aus der Literatur
bekannt. So ist beispielsweise in der
DE 102 02 212 B4 ein Verfahren
zur Erzeugung von aus metallischem Verbundwerkstoff bestehendem
Band oder Blech beschrieben. Dabei wird zunächst ein Hohlkörper
aus dem ersten Werkstoff durch Schleuderguss erzeugt und dieser
dann mit einem schmelzflüssigen zweiten Partner gefüllt.
Der so entstandene zylindrische Körper wir anschließend
warm umgeformt und zu Flachmaterial ausgewalzt. Die erreichbaren
Abmessungen und Toleranzen, sowie die Eignung für die Weiterverarbeitbarkeit
auf kaltwalztechnischem Wege entsprechen allerdings nicht den heute üblichen
Anforderungen.
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Für
die Herstellung von mindestens zweischichtigen Schichtverbundwerkstoffen
auf dem Wege der reinen Walzumformung sind ebenfalls bereits mehrere
Verfahren bekannt und eingeführt. So beschreibt beispielsweise
die
EP 0 004 063 B1 ein
Verfahren zu Herstellung von plattierten Blechen, ausgehend von
einem mehrschichtigen Plattierpaket welches von einem rundherum
angebrachten Rahmen eingefasst, vakuisiert und dann in diesem Zustand
warm Schweißplattiert wird. Die dabei erreichbaren Dicken
liegen zwischen 30 und 10 cm minimal.
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Die
dabei erzeugte Schichtverbunde liegen außerhalb des heute
geforderden Dickenbereichs, sind nur sehr aufwendig herstellbar
und lassen sich zudem nicht mit den gängigen Kaltwalzprozessen
an kleinere Abmessungen weiter verformen.
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Ein
weiteres Verfahren zur Herstellung von plattierten Schichtverbundwerkstoffen
wird von der
EP 0 201
202 B1 offenbart. Hierbei werden die beteiligten Werkstoffe
in Form von Tafeln auf den Plattieroberflächen gereinigt
und aufgestapelt. Die als Abdeckmaterial oder äußere
Lage fungierenden Tafeln werden überstehend ausgeführt
und der so entstandene Stapel in der Art miteinander verschweißt,
dass die äußeren Kanten miteinander verbunden
sind. Desweiteren wird im Bereich des Überstandes Material
aufgeschweißt um Verwerfungen beim Auswalzen zu verhindern.
Nach einem ersten Warmwalzprozess des gesamten Pakets wird dieses
Hilfsmaterial durch Besäumen entfernt und das so entstandene
Band einer Dicke von 50 mm kann weiter verarbeitet werden. Durch
mehrere aufeinander folgende Schritte Erwärmung und Warmwalzen
lassen sich Dicken, die anschließend in einem Kaltwalzprozess
weiter in Richtung der erforderlichen Enddicken umzuformen sind,
herstellen. Das vorgeschlagene Verfahren führt zu endverwendungsnahen
Abmessungen ist aber durch eine sehr hohe Fertigungstiefe mit immensem
Energieaufwand gekennzeichnet und deshalb aus heutiger Sicht auf
Grund der Kosten nicht wettbewerbsfähig.
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Einer
der letzten Vorschläge für ein Verfahren zum Herstellen
von walzplattiertem Band über die Warmstrecke mit der Option
das so hergestellte Material auch zu Kaltband weiter verarbeiten
zu können wird in
DE 10 2005 0060 606 B3 beschrieben. Die beschriebene
Erfindung realisiert das kaltwalzfähige Material ähnlich
der in
EP 0 201 202
B1 beschriebenen Vorgehensweise. Allerdings werden die
hier verwendeten Ausgangsplatten formgenau vorgefertigt. Die Zwischenschichtoberflächen
werden durch chemisch-physikalische Prozesse von Fremdpartikeln
gereinigt und aktiviert, die Partner paketiert und anschließend
das rumdherum verschweißte Paket nach Vorerwärmung
im Ofen warm ausgewalzt. Dieses Verfahren zeichnet sich dadurch aus,
dass keine ergänzenden Arbeitsschritte wie Besäumen
oder mehrmaliges Erwärmen erforderlich sind. Nachteilig
bei diesem Verfahren ist allerdings die, für die Warmumformung
erforderliche, relativ hohe Temperatur. Hiermit lassen sich zwar
eine Vielzahl von Stahlwerkstoffen plattieren, Kombinationen von
Werkstoffen aus sehr unterschiedlichen Gruppen allerdings nur sehr
schwer oder gar nicht. Auch sind zur Einstellung von Abmessungen
für typische Halbzeugdicken, beispielsweise für
Tiefziehanwendungen, ein oder mehrere nachgeschaltete separate Arbeitsgänge
im Kaltwalzwerk erforderlich.
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Technologie des Kaltwalzplattierens
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Beim
Kaltwalzplattieren werden normalerweise ein oder zwei Deckschichten
auf den in der Mitte liegenden Werkstoff, das Kernband, aufgebracht. 1 gibt
die Beschreibung der Standardprozessschritte beim Kaltwalzplattieren
eines 3-Lagen-Verbundes, bestehend aus zwei Foilen (Decklagen) und
einem Kernband (Trägerwerkstoff) wieder. Dieser lässt
sich wie folgt beschreiben.
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Das
als Ringmaterial (Coil) vorliegende Kernband (1a) wird
in einem mehrstufigen Prozess (1) auf den eigentlichen
Plattiervorgang (2) vorbereitet. Dabei wird das Bandmaterial
chemisch und mechanisch entfettet und gereinigt und die Oberfläche
so von Verunreinigungen gesäubert. Gleichzeitig wird die
Bandoberfläche aktiviert, d. h. haftungsfähiger
gemacht. An die Reinigungsstrecke (1) schließt
sich der eigentliche Plattierprozess (2) an. Hierbei werden
ein oder zwei Auflagenwerkstoffe (2a, 2b) von
oben und/oder unten in den Walzprozess eingeschleust. Die zwei respektive
drei Bandmaterialien laufen dann gemeinsam in den Walzspalt des
nachgeschalteten Walzgerüstes (2) ein. Im Normalfall
wird hierzu ein sogenanntes Quartogerüst, bestehend aus vier
Walzen, je zwei Arbeits- und zwei Stützwalzen, eingesetzt.
Die Bänder werden im Walzgerüst gemeinsam verformt
und anschließend als ein Coil gemeinsam gehaspelt (2c).
Durch die gemeinsame Verformung und die, durch die Vorbehandlung,
mitgebrachte Oberflächenstruktur und -topographie erhält
der so entstandene Schichtverbundwerkstoff eine als „grüne
Haftung" zwischen den Schichten bezeichnete Haftfestigkeit. Diese ist
in vielen Fällen für die weitere Verarbeitung
des so entstandenen Verbundwerkstoffes nicht ausreichend. Zudem
sind die beim Plattiervorgang erzielbaren Dicken oft nicht an die
Endverwendung angepasst. Aus diesen Gründen wird der eigentlichen Plattierverformung
eine zusätzliche Haftungsglühe (3) und
ein Nachwalzprozess zur Dickenreduzierung (Quartogerüst, 4)
angeschlossen. Sollte die so erzielbare Dicke, oder die erreichten
Oberflächenqualitäten den Kundenanforderungen
noch nicht genügen, schließt sich ein weiterer
Wärmebehandlungs- (5) und Umformvorgang (6),
oft auf einem Duowalzgerüst, bestehend nur aus zwei Walzen, an.
Anschließend wird der so entstandene Verbund auf einer
Länsteilanlage (7) auf die gewünschte
Breite geschnitten, oder aber vor oder nach dem Schneiden auf einer
im Schema (1) nicht dargestellten Richt-
und Schneidanlage zu Tafelblechen verarbeitet. Die zwischengeschalteten
Wärmebehandlungsschritte des Verfahrens (3 oder 5)
können dabei optional in Durchlauf- oder Haubenglühöfen
erfolgen.
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Beschreibung der Erfindung:
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Die
Aufgabe ferritische Werkstoffe und austenitische Güten,
auf plattiertechnischem Wege miteinander zu verbinden ist nicht
neu. Dem Stand der Technik entsprechen Verbundwerkstoffe mit den
genannten Eigenschaften, bei denen die Auflagewerkstoffe mittels
Warmwalz- oder Sprengplattieren auf die Kernwerkstoffe direkt aufgebracht
werden. Beide Verfahren sind jedoch technologisch aufwendig und
kostenintensiv.
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Dagegen
haben Versuche, einen in gleicher Weise aufgebauten Verbundwerkstoff
mittels eines, vom Grundprinzip her technologisch einfacheren und
kostengünstigeren Kaltwalzplattierverfahrens darzustellen,
in der Vergangenheit nicht zum Erfolg geführt.
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Es
stellte sich heraus, dass zur Erzeugung einer ausreichenden Haftfestigkeit
zwischen dem Trägerband und dem oder den Auflagebändern
eine erhebliche Walzumformung, jenseits von 70%, erforderlich ist.
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Zur
Erzeugung solcher Umformgrade sind extrem hohe Walzkräfte
notwendig und die Verformung führt zu einer sehr starken
Temperaturentwicklung. Da die Walzkräfte anlagenseitig
begrenzt sind war das Verfahren auf die Erzeugung sehr schmaler
Bänder beschränkt. Zur Reduzierung der auslaufseitigen
Bandtemperatur musste zudem die Geschwindigkeit des Walzprozesses
stark limitiert werden. Diese Faktoren führten in ihrer
Summe dazu, dass eine wirtschaftlich konkurrenzfähige Fertigung
in einem angemessenen Breitenspektrum mittels Kaltwalzplattieren
als nicht realisierbar erachtet wurde.
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Erfindungsgemäß wird
zur Lösung der Aufgabenstellung ein kaltwalzplattierter
Verbundwerkstoff vorgeschlagen, mit einem Trägerwerkstoff
aus ferritischem, ggfs. nichtrostendem, Stahl, mindestens einer
Deckschicht, ggfs. zwei Deckschichten, aus einem Cr-Ni-Stahl mit
austenitischem Gefüge und einer zusätzlichen Schicht
zwischen dem Trägerband und jeder Deckschicht.
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Die
Trägerwerkstoffe werden dabei so gewählt, dass
der Gesamtverbundwerkstoff kostengünstiger als austenitisches
Vollmaterial gleicher Dicke ist oder aber Eigenschaften aufweist,
die ein Austenit nicht besitzt, z. B. Magnetisierbarkeit.
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Die
Zwischenschichten bestehen aus Kupfer oder einem Kupferwerkstoff
und/oder Nickel oder einem Nickelwerkstoff. Dabei kommt dem als
Zwischenschicht ausgewählten Werkstoff besondere Bedeutung
zu. Überraschenderweise hat sich nämlich herausgestellt,
dass die zur Erzielung einer ausreichenden Haftfestigkeit in einem
Kaltwalzplattierverfahren benötigten Umformgrade durch
die Verwendung einer erfindungsgemäßen Zwischenschicht
erheblich reduziert werden können, einhergehend mit einer
entsprechenden Reduktion der Walzkräfte und der Temperaturentwicklung.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich
anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
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1 eine
schematische Darstellung eines Walzplattierprozesses;
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2 eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Verbundwerkstoffes (Variante zweiseitig plattiert);
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3 eine
schematische Darstellung einer Vorplattierung eines Kernbandes mit
zwei Zwischenschichten;
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4 eine
schematische Darstellung einer Plattierung eines aus 3 erzeugten
Verbundes mit zwei Deckschichten;
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5 eine
schematische Darstellung einer Vorplattierung einer Deckschicht
mit zwei Zwischenschichten;
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6 eine
schematische Darstellung einer beidseitigen Plattierung eines Kernbandes
mit zwei aus 5 erzeugten Verbunden;
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7 eine
schematische Darstellung einer gleichzeitigen Walzplattierung mit
zwei Zwischenschichten und zwei Deckschichten in einem Walzplattiervorgang
zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes;
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Tabelle 1: Versuchsergebnisse im Zusammenhang
mit der Herstellung eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs.
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Für
die der vorliegenden Anmeldung zugrunde liegenden Untersuchungen
wurden verschiedene Trägerbänder und Auflagenkombinationen,
aus den entsprechenden Werkstoffgruppen, ausprobiert.
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Im
Zusammenhang mit einer Parameterstudie zum Plattieren von verschiedenen
Kernbandgüten mit unterschiedlichen Auflagebändern
(„Folien") zur Ermittlung der anlagenspezifischen Grenzen
hat sich, bei einem Versuch außerhalb der eigentlichen
Versuchsreihen unerwarterter weise gezeigt, dass die Lösung
der Probleme (Temperaturentwicklung und Walzkraftlimitierung) in
der Verwendung einer Zwischenlagenschicht liegen könnte.
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Dieser
Ansatz wurde in der Folge systematisch untersucht und die beteiligten
Plattierpartner und Parameter systematisch varriert.
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Ein
Ausschnitt des gesamten Versuchsfeldes ist in Tabelle 1 dargestellt.
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Variiert
wurden dabei der Trägerbandwerkstoff („Kernband"),
die Auflagenwerkstoffe („Folie"), die Zwischensschichtwerkstoffe
und das Verfahren wie diese aufgebracht wurden.
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Als
quantitative Vergleichsgrößen wurden die zur Plattierung
erforderliche Walzkraft (in kN/mm Bandbreite) und die sich auslaufseitig
einstellende Walzguttemperatur (in °C) gemessen. Qualitativ
wurden die Versuche auf Basis der Anlagenbelastung bei der Plattierung,
orientiert am verfügbaren Anlagenmaximum, der Qualität
der Haftung nach der Plattierung, durch händisch durchgeführte
Abschälversuche, sowie anhand der Verfärbung der
plattierten Bänder auf Basis eines optischen Vergleichs,
bewertet. Daneben wurde analysiert welche Abfolge unter den bestehenden
Möglichkeiten für den zu erzeugenden Endzustand
am Besten geeignet ist. Die Möglichkeiten der Fertigung
eines erfindungsgemäßen, beispielsweise 5-lagigen,
Schichtverbunds sind nachfolgend zusammen-gestellt.
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Der
Fünf-Lagen-Verbund ist schematisch in 2 dargestellt.
Er besteht aus zwei Auflagewerkstoffen (2a, 2b),
zwei Zwischenschichten (2d, 2e) und dem Kernband
(1a).
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Wenn
man die fünf beteiligten Partner nicht gemeinsam in einem
Schritt plattieren möchte, gibt es die Möglichkeit
das Kernband oder die Auflagenwerkstoffe vorbeschichtet einzusetzen.
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Diese
Vorbeschichtung kann galvanisch oder elektrolytisch durchgeführt
werden ist meist aber sehr aufwendig.
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Plattiertechnisch
gibt es 3 unterschiedliche Varianten den 5-Lagen-Verbund herzustellen.
Die erste besteht in der Vorplattierung des Kernbandes. Dies ist
in 3 gezeigt. Das Kernband (1a) wird in
der Anlage (1) gereinigt, entfettet und oberflächenaktiviert.
Dieses Band läuft dann in das Walzgerüst (2)
ein, wo es gemeinsam mit den beiden Zwischenschichtfolien (2d, 2e)
zum vorgefertigten Kernband (2f) plattiert wird.
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Das
so vorgefertigte Kernband kann dann entsprechend des Verfahrensablaufs
in 4 als Ausgangszustand für die Plattierung
mit den beiden Auflagebändern (2a, 2b)
eingesetzt werden.
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Eine
Alternative zum Vorplattieren des Kernbandes besteht in der Folienvorplattierung
(5). Hierbei werden die Auflagenwerkstoffe (2a, 2b)
mit den Zwischenschichtwerkstoffen (2d, 2e) in
zwei Schritten vorplattiert. Die so entstandenen Deckfolien (2g)
werden dann ganz normal mit dem Kernband (1a) zum Fertigzustand
(2h) plattiert (6). Diese Vorgehensweise ist
kostenintensiver bietet aber mehr Möglichkeiten die am Endprodukt
eingestellten Auflagenstarken zu beeinflussen.
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Die
eleganteste und kostengünstigste Art einen 5-Lagen-Verbund
Plattiertechnisch herzustellen ist die gleichzeitige Plattierung
aller beteiligten Schichten, Kernband (1a), Zwischenschichten
(2d, 2e) und Deckfolien (2a, 2b)
zum Endzustand (2h). Dieses Anlagenkonzept ist in 7 dargestellt.
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Bei
den Versuchen wurde das Zwischenlagenmaterial systematisch variiert.
Zum Einsatz kamen verschiedene Cu-, und Ni-Werkstoffe, sowie verschiedene
Legierungssysteme. Als die geeignetsten Werkstoffe haben sich dabei
E-Cu, SF-Cu, CuFe2P, LC-Ni 99,5, CuNi25 herausgestellt. Es wurden
elektrolytisch vorbeschichtete Trägerbänder, vorplattierte
Trägerbänder und das gemeinsame Plattieren aller
Komponenten studiert. Die Plattierkombinationen sehen folgende grundsätzlichen
Systeme vor. Ebenso wurde untersucht welche Ergebnisse sich einstellen,
wenn das Auflageband vorbeschichtet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10011758
C2 [0005]
- - DE 10202212 B4 [0006]
- - EP 0004063 B1 [0007]
- - EP 0201202 B1 [0009, 0010]
- - DE 1020050060606 B3 [0010]
