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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines metallbeschichteten Kunststoffkörpers.
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Es gibt zahlreiche Anwendungsfälle, bei denen Kunststoffkörper ganz oder teilweise mit einer Metallschicht überzogen, mithin metallisiert werden sollen. Als Vorteilhaft wird u.a. das geringe Gewicht eines solchen Kunststoffkörpers, die Unempfindlichkeit gegen Korrosion und auch das in aller Regel preisgünstige Herstellen der zu beschichtenden Formteile angesehen. Typischerweise ist ein solcher Kunststoffkörper elektrisch nicht leitend, weshalb er ohne Vorbehandlung nicht durch Galvanisieren metallisiert werden kann. Vor allem, wenn in einer Produktserie größere Stückzahlen herzustellen sind, wird ein Kunststoffgalvanisieren gegenüber anderen metallischen Beschichtungsprozessen bevorzugt.
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Die Vorbereitung der zu metallisierenden Kunststoffoberfläche umfasst bei einer gewünschten Auftragung der Metallschicht durch Galvanisieren in einem ersten Schritt ein Aufrauen der Oberfläche, um in die Vertiefungen der aufgerauten Oberfläche metallene Abscheidungskeime einlagern zu können. Dieses Einlagern der Abscheidungskeime auf der aufgerauten Oberfläche des Kunststoffkörpers bezeichnet man auch als Aktivieren. Als Abscheidungskeime werden in vielen Fällen solche aus Palladium eingesetzt. Diese Palladiumpartikel dienen als Keime, an denen eine erste elektrisch leitfähige Schicht typischerweise aus Kupfer oder Nickel angelagert wird, beispielsweise durch Reduktion entsprechend konditionierter Elektrolyte. Diese erste Schicht überzieht die gesamte zu metallisierende Oberfläche des Kunststoffkörpers und bildet in dem nachgeschalteten Galvanisierprozess diejenige Oberfläche, auf der die gewünschte Metallschicht abgeschieden wird. Der Galvanisierprozess kann ein- oder mehrstufig durchgeführt werden, je nach dem, wie viele galvanisch aufgetragene Metallschichten die Metallisierung aufweisen soll.
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Zum Herstellen derartig metallisierter Kunststoffkörper werden in aller Regel fast ausschließlich ABS-Kunststoff und dessen Blends eingesetzt. Zum Aufrauen der urgeformten Oberfläche des Kunststoffkörpers wird diese mit Chromschwefelsäure gebeizt. Die Chromschwefelsäure löst die B-Komponente des ABS-Kunststoffes, wodurch mikroskopisch kleine Kavitäten entstehen. Chromschwefelsäure enthält Cr6+ und wird daher als schädlich angesehen. Die weite Verbreitung der Verwendung von ABS-Kunststoffen als Grundkörper zum Aufbringen von Metallschichten in der vorbeschriebenen Art und Weise liegt darin begründet, dass sich die Oberflächen von anderen Kunststoffen nicht in dieser Form zum Ausbilden von Kavitäten eignen.
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Die
DE 10 2005 000 836 A1 offenbart ein Verfahren zum Beschichten der Oberfläche eines faserverstärkten Polymerverbundteils, z. B. eines Fahrzeugkörperpanels. Um ein Ausgasen aus dem Polymerverbund beim Einbrennen einer Beschichtung zu vermeiden, wird eine Metallschicht als Barriere abgeschieden. Um für diese wiederum eine geeignete Basis zu schaffen, wird das Verbundteil mit einer faserfreien Polymerzusammensetzung beschichtet, welche partikelförmiges Calciumcarbonat enthält. Die Oberfläche der Beschichtung wird mit Schwefel- oder Chromsäure geätzt, um sie aufzurauen und Partikel freizulegen. Diese werden anschließend mit Salzsäure gelöst, wodurch sich Verankerungslöcher für die Metallschicht ergeben. Nach einer Aktivierung wird eine Kupferschicht und anschließend eine Zinkschicht abgeschieden, die als Oberfläche für einen Anstrich oder Ähnliches dient.
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Ausgehend von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Herstellen eines metallbeschichteten Kunststoffkörpers vorzuschlagen, bei dem nicht nur ein chemisches Aufrauen der Oberfläche auch ohne Einsatz von schädlich angesehener Chromschwefelsäure möglich ist, sondern sich auch eignet, in derselben Weise Kunststoffe ohne ABS-Anteil mit einer Metallbeschichtung auszurüsten.
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Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Herstellen eines metallbeschichteten Kunststoffkörpers mit folgenden Schritten:
- – Bereitstellen einer urformfähigen Kunststoffmasse angereichert mit in der Kunststoffmasse dispers verteilten, feinkörnigen Feststoffpartikeln, die mit einem die ausgehärtete Kunststoffmasse nicht angreifende Lösungsmittel gelöst werden können,
- – Urformen dieser Kunststoffmasse in einem Kunststoffurformwerkzeug zur Herstellung eines Kunststoffkörpers,
- – Behandeln der mit Metall zu beschichtenden Oberfläche des urgeformten Kunststoffkörpers mit dem Lösungsmittel zum zumindest teilweisen Herauslösen von an der Oberfläche der erhärteten Kunststoffmasse freiliegenden Feststoffpartikeln, wodurch in die Oberfläche Kavitäten eingebracht werden,
- – Aktivieren der auf diese Weise vorbehandelten Oberfläche durch Einlagerung von metallenen Abscheidungskeimen in den Kavitäten und
- – Aufbringen einer metallischen Beschichtung.
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Bei diesem Verfahren wird eine Kunststoffmasse zum Zwecke seiner Urformung verwendet, die feinkörnige Feststoffpartikel enthält. Diese sind gleichmäßig innerhalb der Kunststoffmasse verteilt, wenn diese in ein Urformwerkzeug eingebracht wird. Bei diesen Feststoffpartikeln, die im Zuge der Erwärmung der Kunststoffmasse für den Formprozess nicht erweichen, handelt es sich typischerweise um Feststoffpartikel von starrer Gestalt. Diese Feststoffpartikel weisen eine materialbedingte Löslichkeit auf, damit diese von einem Lösungsmittel angegriffen und gelöst werden, von welchem die ausgehärtete Kunststoffmasse hingegen nicht angegriffen wird. Die Besonderheit dieses Verfahrens besteht gegenüber vorbekannten Verfahren somit auch darin, dass nicht ein Bestandteil aus dem Kunststoff selbst für die Zwecke des Ausbildens von Kavitäten zum Einlagern von Abscheidungskeimen chemisch gelöst wird, sondern dass zu diesem Zweck zusätzlich in der Kunststoffmasse befindliche Feststoffpartikel, soweit diese an der Oberfläche des erhärteten Kunststoffkörpers zumindest bereichsweise freiliegen, vorgesehen sind.
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Die sich hieraus ergebenden Vorteile sind zahlreich. Vor dem Hintergrund, dass die nur oberflächig freiliegenden Feststoffpartikel gelöst werden, bleibt der Kunststoffkörper bei dem Prozess der chemischen Ausbildung der Kavitäten zumindest weitgehend unbeeinflusst und behält somit insgesamt die ihm zugedachten Eigenschaften. Ein selektives Lösen einzelner Kunststoffkomponenten, wie dieses beim Stand der Technik der Fall ist, beeinflusst auch die Materialparameter im Oberflächenbereich. Daher bleiben bei dem beanspruchten Verfahren die Materialparameter des Kunststoffes unbeeinflusst. Die Einlagerung von feinkörnigen Feststoffpartikeln in dem erhärteten Kunststoffkörper, wobei es im Zusammenhang dieser Ausführungen letztendlich nur auf die oberflächlich freiliegenden Feststoffpartikel ankommt, leistet zugleich eine besonders definierte Ausbildung der Kavitäten. Dieses ist im Unterschied zu vorbekannten Verfahren vor allem auch unabhängig von der Dauer des Säurebehandlungsprozesses, was darin begründet liegt, dass die für das Lösen der freiliegenden Feststoffpartikel eingesetzte Säure die Feststoffpartikel, aber nicht die Kunststoffmasse angreift. Vorteilhaft ist ferner, dass die Geometrie der auszubildenden Kavitäten durch die Geometrie der Feststoffpartikel definiert ist. Typischerweise sind die verwendeten Feststoffpartikel gut sortiert, das heißt: diese weisen ein sehr enges Korngrößenspektrum auf. Daher weisen auch die Kavitäten in einer Grenze ein eng verteiltes Volumen auf. Dies bringt Vorteile in der Gleichmäßigkeit der Ausbildung der aufzubringenden Metallschicht mit sich. Die an der Oberfläche des erhärteten Kunststoffkörpers mit zumindest in einem Teilbereich freiliegenden Feststoffpartikel werden, wenn diese abhängig vom Grad ihrer Symmetrie eine geometriebedingte variable Orientierung im Bereich der Grenzfläche aufweisen, was auf die durch Herauslösen ausgeformten Kavitäten ebenso zutrifft. Dieses macht die Verklammerung der aufzubringenden Schichten an dem erhärteten Kunststoffkörper besonders wirksam und dauerhaft.
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Das Urformen einer solchen mit feinkörnigen Feststoffpartikeln angereicherten Kunststoffmasse wird man in aller Regel im Wege eines Spritzgussprozesses vornehmen, das heißt: die zu formende Kunststoffmasse wird in ein Spritzgusswerkzeug gespritzt. Bei einem solchen Urformverfahren ist es zum Entgegenwirken einer im Zuge der Abkühlung eintretenden Schwindung üblich, ein- oder mehrfach Kunststoffmasse in das Spritzgusswerkzeug nachzudrücken. Dieser Schritt ist für das beschriebene Verfahren besonders zweckmäßig und wird daher auch bevorzugt durchgeführt, da hierbei die Ausrichtung der an der Abformoberfläche bereits anliegenden Feststoffpartikel zum Zwecke der Ausbildung der gewünschten Kavitäten verbessert werden kann.
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Die Feststoffpartikel können als Vollkörper oder auch als Hohlkörper ausgebildet sein. Handelt es sich bei den Feststoffpartikeln um Vollkörper, weisen diese eine Größe auf, die der gewünschten Größe der auszubildenden Kavitäten entspricht. Dieses bedeutet, dass mit diesem Verfahren die Auswahl der Korngröße der Feststoffpartikel zugleich die Größe der Kavitäten bestimmt, in denen Abscheidungskeime eingelagert werden sollen. Die Größe der Kavitäten wird man auch in Abhängigkeit von der aufzubringenden Schichtdicke der zum Realisieren der metallischen Beschichtung notwendigen Einzelschichten ausbilden, und zwar dergestalt, dass die Oberfläche einschließlich der aufgetragenen Beschichtungen bei dem fertigen kunststoffmetallisierten Körper die gewünschte Rauheit bzw. Glattheit aufweist. Sind in der urformfähigen Kunststoffmasse Feststoffpartikel mit einer größeren Körnung enthalten, bilden sich dementsprechend größere (tiefere) Kavitäten aus, so dass auf diese Weise eine rauere Oberflächenstruktur ausgebildet werden kann. Die Größe der Feststoffpartikel wird man in aller Regel zwischen 0,1 µm und 15 µm wählen.
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Werden als Feststoffpartikel Hohlkörper, beispielsweise Glashohlkugeln eingesetzt, wird mit dem Schritt des Herauslösens von an der Oberfläche der erhärteten Kunststoffmasse freiliegenden Partikeln die Schale zum Öffnen des Hohlraums der Feststoffpartikel gelöst, so dass bei einer solchen Ausgestaltung der Hohlraum der Feststoffpartikel selbst die Kavität bildet. Vorteilhaft bei einer solchen Ausgestaltung ist, dass für das Herauslösen und die damit verbundene Ausbildung einer Kavität deutlich weniger Zeit und Verbrauchsstoffe erforderlich sind als für das Herauslösen des gleichen Volumens eines als Vollkörper vorgesehenen Feststoffpartikels aus der erhärteten Kunststoffmasse. Insofern kann durch Einsatz von Hohlkörpern als Feststoffpartikel die Taktzeit reduziert werden. In aller Regel wird ein Feststoffpartikel nur mit einem Teilbereich seiner Oberfläche an der Oberfläche der erhärteten Kunststoffmasse freiliegen.
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Bei einem als Hohlkörper eingesetzten Feststoffpartikel wird sodann nur ein Teilbereich der den Hohlkörper bildenden Schale weggelöst, so dass der sich an den durch Lösen geschaffene Schalenöffnung anschließende Hohlraum in aller Regel hinterschnitten ist. Die Hinterschneidung der Kavität wirkt sich günstig auf die Verklammerung der aufzubringenden metallischen Beschichtung aus.
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Geeignet zum Durchführen dieses Verfahrens sind beispielsweise mineralische Feststoffpartikel, vor allem wenn die Feststoffpartikel monomineralisch sind, also keine Gemenge aus unterschiedlichen Mineralen oder Mineralbestandteilen sind. Minerale werden bevorzugt als Feststoffpartikel verwendet, da diese entsprechend ihrer Kristallform oftmals eine gute Spaltbarkeit und damit eine vorhersehbare Geometrie aufweisen. Dieses begünstigt auch die Einstellung eines sehr einheitlichen Habitus und einer sehr einheitlichen Korngröße, wenn die Feststoffpartikel in einem engen Korngrößenspektrum in der Kunststoffmasse enthalten sein sollen, was bevorzugt ist. Als monomineralische Feststoffpartikel eignen sich beispielsweise Kalzite. Diese weisen nicht nur eine gute Spaltbarkeit auf, sondern haben auf Grund ihres typischerweise trigonalen Kristallsystems keinen kugeligen, sondern einen eher langgestreckten Habitus mit hohen Spaltwinkeln, was nach Herauslösen eines solchen Körpers aus der gehärteten Kunststoffmasse und der damit gebildeten Kavität für die gewünschten Verklammerungszwecke der aufzutragenden Beschichtung besonders günstig ist.
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Mineralische Feststoffpartikel und insbesondere Kalzit lassen sich mit Säuren als Lösungsmittel lösen, die weder den gehärteten Kunststoffkörper angreifen, noch als umweltgefährdend eingestuft sind. Werden Kalzite als Feststoffpartikel eingesetzt, kann zum Lösen derselben beispielsweise Salzsäure oder auch Ameisensäure verwendet werden.
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Nachfolgend ist das beanspruchte Verfahren anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:
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1: einen schematisierten vergrößerten Ausschnitt aus dem Oberflächenbereich eines durch ein Spitzgussverfahren urgeformten Kunststoffkörper mit darin eingelagerten fein verteilten Feststoffpartikeln,
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2: der Ausschnitt des Oberflächenbereiches des Kunststoffkörpers der 1 nach Behandeln desselben mit einem Lösemittel zum Lösen von oberflächlich freiliegenden Feststoffpartikeln zum Ausbilden von Kavitäten,
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3: der Kunststoffkörper der 2 nach Aktivieren seiner Oberfläche mit Palladiumkeimen und
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4: der Kunststoffkörper der vorangegangenen Figuren mit einer darauf galvanisch abgeschiedenen Metallbeschichtung.
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Ein Kunststoffkörper 1 ist im Wege eines Spritzgussverfahrens urgeformt und nach dem Urformen und Erhärten dem Spritzgusswerkzeug entnommen worden. 1 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus einem Oberflächenbereich des Kunststoffkörpers 1. Die Oberfläche ist darin mit dem Bezugszeichen 2 kenntlich gemacht. Bei dem Kunststoffkörper 1 handelt es sich um einen ABS-Kunststoff, wobei dieses Material nur zum Zwecke der Erläuterung beispielhaft gewählt worden ist. Einsetzen lassen sich an Stelle eines ABS-Kunststoffes zahlreiche weitere Kunststoffe. Der Kunststoffkörper 1 enthält dispers verteilte Feststoffpartikel 3. Bei den Feststoffpartikeln des dargestellten Ausführungsbeispiels handelt es sich um mineralische Feststoffpartikel, nämlich Kalzite. Die Größe der Feststoffpartikel 3 beträgt etwa 1 µm. Die Feststoffpartikel 3 weisen ein Korngrößenspektrum in engen Grenzen auf, sind somit bezüglich ihrer Korngröße als sehr gut sortiert anzusprechen. In 1 sind die Kalzite als der Kunststoffmasse beigemengte Feststoffpartikel 3 schematisiert in zwei unterschiedlichen Kristallformen gezeigt. Auch dieses ist nur beispielhaft zu verstehen. Bei den Feststoffpartikeln 3 handelt es sich somit um starre, feste Körper, die diese Eigenschaft auch aufweisen, wenn die sich in der erwärmten urformfähigen erwärmten Kunststoffmasse befinden.
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Angereichert ist die Kunststoffmasse bzw. der daraus erhärtete Kunststoffkörper 1 mit den Feststoffpartikeln 3, um diese als Platzhalter für in die Oberfläche 2 einzubringende Kavitäten einzusetzen. Der Kunststoffköper 1 ist im Zuge eines Spritzgussverfahrens und somit durch Einspritzen der urformfähigen Kunststoffmasse mit den darin befindlichen Feststoffpartikeln 3 in ein Spritzgusswerkzeug eingepresst worden. Im Zuge des Spritzgussvorganges ist die noch fließfähige Seele einmal nachgedrückt worden. Durch den beim Urformen eingesetzten Druck, auch beim Nachdrücken, werden auf Grund der Kristallstruktur der Feststoffpartikel 3 diese mit einer Kristallfläche typischerweise zur Anlage an der die Oberfläche 2 bildender Abformfläche der Spritzgusswerkzeuge gebracht. Drei Feststoffpartikel 3 sind in 1 in einer solchen Ausrichtung innerhalb des Kunststoffkörpers 1 an der Oberfläche 2 gezeigt. Diese Feststoffpartikel 3 liegen somit mit einem Teil ihrer Oberfläche frei. Im Übrigen sind diese in dem Kunststoffkörper 1 verankert.
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Die bereits angesprochenen Kavitäten in der Oberfläche 2 des Kunststoffkörpers 1 werden benötigt, um die Oberfläche 2 metallisieren zu können. Erstellt werden die hierfür benötigten Kavitäten durch Herauslösen der einem Teil mit ihrer Oberfläche freiliegenden Feststoffpartikel 3. Zu diesem Zweck wird die Oberfläche 2 in ein Säurebad gelegt. Das saure Medium kann gegebenenfalls an spezielle Beständigkeitsanforderungen der jeweiligen Kunststoffmatrix angepasst werden. Daher ist die Bedeutung der Verweildauer des Kunststoffkörpers 1 in dem Säurebad als kritischer Faktor vermindert. Die Säure löst die als Feststoffpartikel 3 eingesetzten Kalzite, soweit diese oberflächlich angreifbar sind, sodass in der Oberfläche 2 Kavitäten 4 zurückbleiben. Bei dem Einsatz von Kalziten als Feststoffpartikel entsteht bei dem Auflösungsprozess CO2. Der Auflöseprozess kann somit anhand der in dem Säurebad entstehenden Gasbläschen beobachtet werden. Steigen keine Gasbläschen mehr auf, sind die oberflächlich teilweise freiliegenden Kalzite als Feststoffpartikel 3 aus dem Kunststoffkörper 1 herausgelöst. 2 zeigt das Ergebnis der auf diese Weise bearbeiteten Oberfläche 2 des Kunststoffkörpers 1 mit den nunmehr darin befindlichen Kavitäten 4.
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In einem nachfolgenden Schritt wird die Oberfläche 2 einem Waschprozess unterzogen, um Säurereste zu entfernen.
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In einem nächsten Schritt wird die Oberfläche 2, zu der nunmehr auch die Oberflächenanteile innerhalb der Kavitäten 4 zählen, aktiviert. Dieses bedeutet, dass auf der Oberfläche 2 des Kunststoffkörpers 1 Abscheidungskeime an- bzw. eingelagert werden. Im vorliegenden Fall wird hierfür Palladium eingesetzt. 3 zeigt schematisiert die mit Palladiumkeimen 5 aktivierte Oberfläche 2. Es versteht sich, dass bevorzugt bei dem Aktivierungsprozess die Palladiumkeime 5 in die Kavitäten 4 eingelagert werden. Aufgebracht werden die Palladiumkeime mit einem hierfür geeigneten und an sich bekannten Prozess.
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In nachfolgenden Schritten werden dann die notwendigen Beschichtungen vorgenommen, um die gewünschte Metallisierung zu erstellen. 4 zeigt den mit einer Metallschicht 6 an seiner Oberfläche 2 beschichteten Kunststoffkörper 1. Die Metallschicht 6 ist als einheitliche Schicht dargestellt, auch wenn diese aus mehreren Einzelschichten besteht. Der Einfachheit halber sind die Palladiumkeime darin nicht mehr gezeigt. Die Ausbildung der Kavitäten 4, die durch Lösen der Feststoffpartikel 3 erstellt worden sind, macht deutlich, dass diese auf Grund ihrer Raumlage und ihrer hinterschnittenen Ausbildung einen besonders guten und dauerhaften Verklammerungsgrund für die Metallschicht 6 bereitstellen.
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Das vorstehend anhand einer ABS-Kunststoffmasse und dem daraus hergestellten Kunststoffkörper beschriebene Verfahren seiner Metallisierung lässt sich mit unterschiedlichen Kunststoffen realisieren. Diese müssen lediglich widerstandfähig gegenüber dem zum Herauslösen der Feststoffpartikel eingesetzten Lösungsmittel sowie gegenüber den weiteren Behandlungsschritten bzw. Behandlungsbädern sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kunststoffkörper
- 2
- Oberfläche
- 3
- Feststoffpartikel
- 4
- Kavität
- 5
- Palladiumkeim
- 6
- Metallschicht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005000836 A1 [0005]
