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Die Erfindung betrifft ein Spritzgusswerkzeug zum Herstellen eines Spritzgussbauteils aus Kunststoff. Das Spritzgusswerkzeug umfasst insbesondere einen Einsatz, der eine Vielzahl in einer Oberfläche des Einsatzes ausgeformte Vertiefungen besitzt.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Einsatzes für ein Spritzgusswerkzeug. Mit dem Spritzgusswerkzeug werden Spritzgussbauteile hergestellt und der Einsatz für das Spritzgusswerkzeug weist eine Vielzahl von Vertiefungen auf, die in dem Spritzgussbauteil abgebildet werden.
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Im Wesentlichen existieren zurzeit zwei Lösungen zur Mikrostrukturierung eines Einsatzes für ein Werkzeugteil zur Herstellung von Spritzgussbauteilen. Eine Möglichkeit zur Herstellung von Mikrostrukturen in einem Einsatz ist das Ultrapräzisionsfräsen. Das Ultrapräzisionsfräsen ist analog zu normalen Fräsprozessen. Jedoch werden für das Ultrapräzisionsfräsen sehr hohe Drehzahlen und sehr filigrane Fräser verwendet. Dadurch besteht das Risiko des Bruchs eines Fräsers. Der Aufwand der Schwingungsdämpfung ist beträchtlich. Normale, auch sehr gute kommerzielle Maschinen, können dieses Gebiet nicht abdecken. Investitionen in diese Technologie würden im Millionenbereich liegen.
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Eine weitere Möglichkeit zur Mikrostrukturierung bei einem Einsatz für ein Spritzgusswerkzeug ist das LIGA-Verfahren. Hier wird ein lithographischer Schritt von einer galvanischen Abformung gefolgt. Die dadurch erstellten Einsätze für Spritzgusswerkzeuge sind zwar sehr genau und auch für die Massenproduktion (z. B. von CDs) geeignet, jedoch ist die Dauerfestigkeit dieser Einsätze begrenzt auf ca. 100.000 Schuss. Sehr große Mengen im Bereich von einigen 100 Millionen Stück lassen sich nicht ohne erheblichen Aufwand herstellen.
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Die europäische Patentschrift
EP 1 422 193 B1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugeinsatzes zum Spritzgießen eines Teils mit einstufigen Mikrostrukturen. Die Strukturen für den Einsatz des Werkzeugs werden mittels lithographischer Verfahren hergestellt.
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Die U.S.-Patentanmeldung US 2004/0178537 A1 offenbart Techniken zum Spritzgießen zur Ausbildung von mikrofluiden Strukturen. Ein Glas- oder Siliziumwafer wird mittels Ätzprozessen entsprechend maskiert. Anschließend wird ein metallischer Einsatz auf dem Masterwafer ausgebildet. Der metallische Einsatz wird dann vom Masterwafer getrennt und mit dessen Hilfe können die Kunststoffbauteile abgeformt werden.
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Die internationale Patentanmeldung
WO 2010/025515 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von mikrostrukturierten Bauteilen zur Zellkultivierung. Hierzu wird eine Oberfläche eines Einsatzes für ein Werkzeug zur Verfügung gestellt, dessen Oberfläche mikrostrukturiert ist. Die Oberfläche des Einsatzes wird einem Ätzprozeß mit einem gepulsten Laser ausgesetzt, um die inverse Struktur der Mikrostruktur, welche die Wände des Rays definiert, zu formen. Mit dem gepulsten Laser wird das Material von der Oberfläche des Einsatzes entfernt, um eine Vertiefung in der Oberfläche auszubilden, die beim Spritzgussvorgang das Polymermaterial aufnehmen kann. Zur Herstellung der Mikrostrukturen wird ein Laser mit Pulsen im Femtosekundenbereich verwendet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Spritzgusswerkzeug zum Herstellen eines Spritzgussbauteils aus Kunststoff zu schaffen, wobei ein für das Spritzgusswerkzeug vorgesehener Einsatz mit Mikrostrukturen versehen ist, die präzise und mit hoher Qualität und Reproduzierbarkeit in den Einsatz eingebracht sind, und wobei eine Nachbearbeitung des mit dem Einsatz gefertigten Spritzgussbauteils vermieden wird.
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Diese Aufgabe wird durch ein Spritzgusswerkzeug zum Herstellen eines Spritzgussbauteils aus Kunststoff gelöst, das die Merkmale des Anspruchs 1 umfasst.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen eines Spritzgusswerkzeugs für ein Spritzgussbauteil zu schaffen, das mit einem Einsatz versehen ist, der an der Oberfläche mikrostrukturierte Vertiefungen aufweist und das Verfahren dabei derart gestaltet ist, dass die Strukturen mit hoher Qualität, Präzision und ohne Nacharbeit des Einsatzes hergestellt werden können. Ferner soll bei dem mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Spritzgussbauteil eine Nachbearbeitung nicht erforderlich sein.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, das die Merkmale des Anspruchs 8 umfasst.
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Das Spritzgusswerkzeug dient zum Herstellen eines Spritzgussbauteils aus Kunststoff. Hierzu umfasst das Spritzgusswerkzeug einen Einsatz, der eine Vielzahl in einer Oberfläche des Einsatzes ausgeformte Vertiefungen besitzt. Die Vertiefungen sind mittels Materialabtrag mit einem gepulsten Laser gebildet. Die Laserenergie des gepulsten Lasers ist derart gewählt, dass ein möglichst großer Teil der vorhandenen Laserenergie pro Puls in Abtragsleistung umsetzbar ist, so dass der Abtrag im Wesentlichen ohne Wärmeeinflusszone und ohne Schmelzbildung erfolgt.
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Der Laser hat eine Pulsdauer von < 20 Pikosekunden (10–12 sek). Ein Puls eines Laserstrahls besitzt parallel dazu eine hohe Energiedichte (Lichtintensität) im jeweiligen Lichtpuls, so dass der Abtrag im Wesentlichen ohne Wärmeeinflusszone und ohne Schmelzbildung erfolgt. Die Energie liegt oberhalb der Abtragschwelle.
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Die im Einsatz ausgebildeten Vertiefungen besitzen eine Breite, die bis zur Auflösungsgrenze eines Fokus des Lasers reicht. Die Auflösungsgrenze des Lasers liegt dabei zwischen 10 µm bis 20 µm.
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Der Einsatz ist aus einem Werkzeugstahl. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Werkzeugstahl ein Kunststoff-Formenstahl vom Typ M 333.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Einsatzes für ein Spritzgusswerkzeug, mit dem Spritzgussbauteile hergestellt werden können, umfasst einen Einsatz, der mit einer Vielzahl von Vertiefungen versehen ist. Zum Herstellen der Vertiefungen im Einsatz wird ein Laserstrahl eines gepulsten Lasers auf eine Oberfläche des Einsatzes fokussiert. Der Laserstrahl hat dabei eine Pulsdauer von < 20 Pikosekunden und dabei hat der Laserstrahl des gepulsten Lasers eine hohe Energiedichte.
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Der gepulste Laserstrahl kann zur Erzeugung der Vertiefungen im Einsatz mittels einer Steuerung anhand von Positionsdaten der Vertiefungen relativ zur Oberfläche des Einsatzes verfahren werden. Die Vertiefungen werden dabei in der Oberfläche des Einsatzes mittels Materialabtrag und ohne Wärmeeinflusszone im Einsatz gebildet.
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Die Vertiefungen werden im Einsatz mit einer Breite bis zur Auflösungsgrenze eines Fokus des Lasers ausgebildet. Die Auflösungsgrenze des verwendeten Lasers liegt zwischen 10 µm bis 20 µm.
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Das Material des Einsatzes ist aus einem Werkzeugstahl.
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Jeder Werkstoff weist ein spezifisches Abtragsverhalten bei der Ablation mittels ultra kurz gepulster Laserstrahlung auf. Der Volumenabtrag pro Puls als feste Basisgröße variiert dabei nicht nur mit veränderten Laserparametern, wie Pulsenergie oder Frequenz. Ebenso sind die Ablenkgeschwindigkeit des Scansystems, die Form des verwendeten Scanmusters sowie die Abmessungen und das Aspektverhältnis der zu erzeugenden Struktur relevant.
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Allgemein gilt, dass bei höheren Fluenzen der thermische Anteil am Ablationsprozess steigt, es kommt zur Bildung von Schmelzrückständen. Für eine qualitativ hochwertige Bearbeitung sollte die Pulsenergie so gewählt werden, dass sie unterhalb der thermischen Schwelle, knapp über der Abtragsschwelle liegt. Dann treten die Wärmeleitungseigenschaften des Substrates in den Hintergrund und der Ablationsprozess wird von der unmittelbaren Eindringtiefe des Laserlichts dominiert.
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Um Werkstoffe mit Laserpulsen effizient zu bearbeiten, sollte idealerweise ein möglichst großer Teil der vorhandenen Laserenergie in Abtragsleistung umgesetzt werden. Je nach Werkstoff läuft die Bearbeitung dann am effizientesten, wenn das Material mit Laserpulsen einer speziell darauf abgestimmten Energiedichte bearbeitet wird. So wird zum Beispiel bei Hartmetall die beste Abtragsrate bei Energiedichten im Bereich von 1 J/cm2 erreicht. Die Bearbeitung in einem solchen Regime ist zwar vor allem für das Laserbohren und -schneiden gut geeignet, übersteigt aber die Energiedichte, bei der der Abtragsprozess sein Effizienzmaximum erreicht, um den Faktor 1.000. Der damit verbundene Energie-Überschuss führt bei derartigen Anwendungen stattdessen zu unerwünschten Effekten, wie beispielsweise Schmelze, Grat- oder Lunkerbildung.
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Der Einsatz ultrakurz gepulster Laser ermöglicht einen sog. kalten Materialabtrag. Liegt die Pulsdauer des Lasers im Bereich von < 20 Pikosekunden bei gleichzeitig hoher Lichtintensität (Energiedichte), so entsteht ein Abtrag (Ablation) ohne Schmelzbildung. Damit sind Strukturierungen bis zur Auflösungsgrenze des Laserfokus – in der Praxis 10 µm bis 20 µm – möglich. Rauigkeiten durch Unwucht konventioneller Fräser sowie Bruch von Fräsen kann somit vermieden werden. Da diese Form der Strukturierung prinzipiell für jeden Materialtyp geeignet ist, kann Werkzeugstahl verwendet werden, der gute Oberflächenqualität bei gleichzeitig hoher Standfestigkeit erlaubt. Damit ist auch eine Perspektive für die Herstellung sehr hoher Stückzahlen gegeben. In einem Versuch wurde Werkzeugstahl vom Typ M 333 verwendet. Die Vertiefungen wurden in den Werkzeugstahl mit einer Pulsdauer von 12 Pikosekunden bei einer Wellenlänge von 1064 Nanometer geschrieben. Ebenfalls konnte in dem Versuch eine Abformung mit Polycarbonat realisiert werden. In der Abformung bilden sich dann die den Vertiefungen des Einsatzes entsprechenden Erhebungen aus.
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Als Ultrakurzpulslaser werden Laserstrahlquellen bezeichnet, die gepulstes Laserlicht mit Pulsdauern im Bereich von Pikosekunden und Femtosekunden aussenden. Hierunter fallen die Pikosekundenlaser und Femtosekundenlaser. Es handelt sich in der Regel um modengekoppelte Laser.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Figuren, sowie deren Beschreibungsteile.
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Es zeigen im Einzelnen:
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1 einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung, mit dem die Mikrostrukturen (Vertiefungen) in die Oberfläche eines Einsatzes eingebracht werden können;
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2 eine schematische Draufsicht auf einen Einsatz, bei dem die Vertiefungen ausgebildet werden;
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3 eine vergrößerte Darstellung des in 2 mit einem Kreis gekennzeichneten Bereichs;
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4 einen Querschnitt durch einen mit einem Ultrakurzpuls-Laser bearbeiteten Einsatz aus Werkzeugstahl für ein Spritzgusswerkzeug;
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5 eine schematische Ansicht des Werkzeugs im Schnitt, bei dem der erfindungsgemäß ausgebildete Einsatz eingesetzt ist;
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6 eine teilweise perspektivische Ansicht eines mit dem erfindungsgemäßen Einsatzes hergestellten Spritzgussbauteils; und
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7 eine mikroskopische Aufnahme eines mit einem mikrostrukturierten Einsatzes hergestellten Spritzgussbauteils.
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Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden identische Bezugszeichen verwendet. Das dargestellte Ausführungsbeispiel für die Herstellung eines Absatzes stellt lediglich eine Ausführungsform dar.
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1 zeigt eine schematische Ansicht einer Anordnung, mit der Mikrostrukturierungen in eine Oberfläche 4 eines Einsatzes 2 für ein Spritzgusswerkzeug (hier nicht dargestellt) zur Herstellung eines Spritzgussbauteils eingebracht werden können. Für die Strukturierung der Oberfläche 4 des Einsatzes 2 wird ein gepulster Laser 7 verwendet. Bevorzugt liegt dabei die Pulsdauer des Lasers zwischen 10 und 20 Pikosekunden und der auf die Oberfläche 4 treffende gepulste Laserstrahl 9 hat dabei eine hohe Lichtintensität. Um die Vertiefungen (hier nicht dargestellt) in der Oberfläche 4 des Einsatzes 2 zu schreiben, muss eine Relativbewegung zwischen der Oberfläche 4 des Einsatzes 2 und des auf die Oberfläche 4 des Einsatzes 2 treffenden, gepulsten Laserstrahls 9 bestehen. Eine Möglichkeit um dies zu erreichen, ist eine Scanneinrichtung 12, mit der der gepulste Laserstrahl 9 in X-Richtung X und in Y-Richtung Y auf der Oberfläche 4 des Einsatzes 2 abgelenkt wird, um somit die Vertiefungen (hier nicht dargestellt) zu schreiben. Wie der gepulste Laserstrahl 9 auf der Oberfläche 4 des Einsatzes 2 abgelenkt werden soll, wird durch eine Steuerung 11 geregelt.
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2 zeigt eine Draufsicht auf die Oberfläche 4 des Einsatzes 2. Hier ist die Situation dargestellt, das der Fokus 8 des Lasers 7 entlang der Oberfläche 4 des Einsatzes 2 geführt wird. Mittels einer Relativbewegung zwischen Fokus 8 und Oberfläche 4 des Einsatzes 2 wird der Fokus in X-Richtung X und Y-Richtung Y über die Oberfläche 4 geführt. Dabei werden mittels eines Materialabtrags und ohne dabei eine merkliche Schmelzbildung des abzutragenden Materials zu erzeugen die gewünschten Vertiefungen in der Oberfläche 4 des Einsatzes 2 erzeugt. Die gestrichelten Linien in 2 zeigen die angedeutete Lage 13 der Vertiefungen 16 an. An denjenigen Stellen müssen noch mit dem Fokus 8 des Lasers 7 die Vertiefungen 16 erzeugt werden.
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3 zeigt eine vergrößerte Darstellung des in 2 mit K gekennzeichneten Bereichs. Der Fokus 8 des Lasers 7 hat dabei bereits in der Oberfläche 4 des Einsatzes 2 einen Materialabtrag ohne Schmelzbildung durchgeführt, so dass die geforderte Vertiefung 16 entstanden ist. Damit im Wesentlichen keine Schmelzbildung auftritt, werden die Parameter (Fokusdurchmesser, Energiedichte, Pulsdauer, etc.) des Lasers 7 in entsprechender Weise eingestellt.
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4 zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen Einsatz 2 für ein Spritzgusswerkzeug 1, in dessen Oberfläche 4 mit einem gepulsten Laser 7 Vertiefungen 16 durch Materialabtrag gebildet sind. Dabei sind die Laserenergie und andere Parameter des gepulsten Lasers 7 derart gewählt, dass ein möglichst großer Teil der vorhandenen Laserenergie pro Puls in Abtragsleistung umgesetzt wird, so dass der Abtrag im Wesentlichen ohne Wärmeeinflusszone und ohne Schmelzbildung erfolgt. Durch den Abtrag bleiben im Einsatz 2 für das Spritzgusswerkzeug 1 Strukturen 5 stehen. Die Vertiefungen 16 haben eine Breite a und eine Tiefe b, wobei die Breite a und die Tiefe b im Bereich zwischen 20µm und 1 mm liegen.
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5 zeigt eine schematische Ansicht des Spritzgusswerkzeugs 1, mit dem ein Spritzgussbauteil hergestellt werden kann. In dem Spritzgusswerkzeug 1 ist der Einsatz 2 eingesetzt. Zwischen dem Einsatz 2 und dem Spritzgusswerkzeug 1 ist dann ein Freiraum 14 ausgebildet, der beim Spritzgussvorgang mit dem für den Spritzgussvorgang verwendeten Kunststoff gefüllt werden kann. Die mit dem gepulsten Laser 7 in der Oberfläche 4 des Spritzgusswerkzeugs 1 erzeugte Strukturierung sind Vertiefungen 16 und Strukturen 5, die sich abwechseln. Die Vertiefungen 16 und Strukturen 5 stellen somit die Negativform des letztendlich erzeugten Spritzgussbauteils (hier nicht dargestellt) dar.
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6 zeigt eine teilweise perspektivische Darstellung des mit dem erfindungsgemäßen Einsatz 5 hergestellten Spritzgussbauteils 10. Die Vertiefungen 16 des Einsatzes 2 sind, wie bereits erwähnt, die Erhebungen 15 des fertigen Spritzgussbauteils 10. Die Erhebungen 15 besitzen eine Breite A, die im Wesentlichen der Breite a der Strukturen 5 im Einsatz 2 entsprechen. Mit dem erfindungsgemäß gestalteten Einsatz 2 ist es möglich, mehrere Millionen Stück der Spritzgussbauteile 10 herzustellen, ohne dass der Einsatz 2 und die mit dem Einsatz 2 hergestellten Spritzgussbauteile 10 an Qualität bzw. an Maßhaltigkeit verlieren.
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7 zeigt eine perspektivische Ansicht eines mit dem erfindungsgemäßen Einsatz 2 gefertigten Spritzgussbauteils 10, das mit einer Vielzahl von mikrostrukturierten Erhebungen 15 hergestellt worden ist. Hierzu wurden die entsprechenden Vertiefungen 16 in einen Einsatz 2 aus einem Werkzeugstahl des Typs M 333 eingebracht. Dazu wurde ein gepulster Laser mit einer Pulsdauer von 12 Pikosekunden bei einer Wellenlänge von 1064 nm verwendet. Die Abformung des Spritzgussbauteils 2 wurde mit Polycarbonat erzeugt. Durch die erfindungsgemäße Bearbeitung des Einsatzes 2 für das Spritzgusswerkzeug 1, kann das fertige Spritzgussbauteil 10 sauber aus dem Spritzgusswergzeug 1 bzw. dem Einsatz gelöst 2 werden. Eine Nachbearbeitung des Spritzgussbauteils 10 ist nicht mehr erforderlich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spritzgusswerkzeug
- 2
- Einsatz
- 4
- Oberfläche
- 5
- Strukturen
- 7
- Laser
- 8
- Fokus des Lasers
- 9
- gepulster Laserstrahl
- 10
- Spritzgussbauteil
- 11
- Steuerung
- 12
- Scanneinrichtung
- 13
- angedeutete Lage
- 14
- Freiraum
- 15
- Erhebungen
- 16
- Vertiefung
- a
- Breite der Vertiefung
- b
- Tiefe der Vertiefung
- A
- Breite der Erhebungen
- B
- Höhe der Erhebungen
- X
- Richtung
- Y
- Richtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1422193 B1 [0005]
- WO 2010/025515 A1 [0007]
