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Die Erfindung betrifft eine Klebefolie bzw. einen Klebestreifen für transparente Keramiken, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundes bestehend aus wenigstens einem transparenten Keramikelement und einem weiteren Mittel unter Verwendung einer solchen Klebefolie und die Verwendung eines erfindungsgemäßen Verbundes.
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Transparente Keramiken verbunden mittels der Klebefolie können für folgende Anwendungen Verwendung finden:
- – als ballistisches Schutzelement
- – zur Herstellung von elektronischen Artikel insbesondere Displays oder Displayschutzscheiben für z.B. Handys, Tablets, Computer, Notebooks, Fernsehgeräte, Smartwatches, Navigationsgeräte.
- – beispielsweise Abdeckungen in Automobilen, digitale Bilderrahmen, Touchdisplays in all diesen Anwendungen,
- – Plasmadisplays, zur Verklebung und/oder Beschichtung von Schutzabdeckungen von OLEDs, LCDs,
- – Abdeckungen bei Maschinen und Anlagen für die industrielle Fertigung, beispielsweise Strahlkabinenscheiben,
- – Schutzscheiben bzw, Abdeckungen von optischen Sensoren wie Lichtschranken, Lichtvorhängen oder Lichtdetektoren, sowie
- – Infrarotkameras, Schutzscheiben von Leuchtmitteln wie beispielweise Lampen oder Leuchten wie Bodeneinbauleuchten, Deckenleuchten, Fahrzeugleuchten,
- – als Ersatz für Glas bei Mitteln zur Personenbeförderung beispielsweise bei Zügen, Autos oder Flugzeugen.
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Transparente, kristalline Festkörper sind polykristalline Keramiken (MgAl2O4, Al2O3, MgO, ZrO2, Y2O3, AlON oder Kombinationen dieser Oxide) oder Einkristalle (MgAl2O4, Al2O3, ZrO2), auch transparente Keramik genannt.
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Bevorzugte Keramiken kommen aus der Gruppe der Oxide wie Mg-Al-Spinell (MgAl2O4), Al2O3 und AlON. Dabei sind diese Werkstoffe zumeist polykristallin, wobei Al2O3 darüber hinaus auch als Einkristall (Saphir) verarbeitet werden kann. Die Durchsichtigkeit wird über die absolute Transparenz ausgedrückt, die üblicherweise für transparente Keramiken in monolithischer Bauweise bei Werten größer 70 % liegt.
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Die transparenten Keramiken können unterschiedliche Formen basierend auf geometrischen Körpern aufweisen, beispielsweise Zylindern, Kugeln, Quadern oder Würfeln, aber auch Halbkugeln oder ähnliche Formen. Diese Formen, auch Keramikelemente genannt, können insbesondere auch abgerundete oder abgeschrägte Kanten oder Ecken aufweisen.
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Diese Keramikelemente werden bevorzugt als mehreckige Kacheln, auch Keramikkacheln genannt, hergestellt, Kantenlängen liegen z.B. bei 90 mm × 90 mm und Dicken kleiner 25 mm. Um Verbunde herzustellen, die eine vielfache Größe der einzelnen Keramikelemente aufweisen, werden Keramikelemente stoffschlüssig miteinander verbunden. Dabei können die Keramikelemente insbesondere nebeneinander angeordnet sein.
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Ein Verbund bzw. eine Struktur kann ein Mittel, beispielsweise eine unterstützende Trägerschicht und/ oder mindestens eine oder mehrere transparente Keramikelemente umfassen. Das Mittel ist ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Polymeren und/ oder amorphen Materialien wie Glas und ist ein Ein- oder Mehrlagensystem. Die verwendeten Werkstoffe des Mittels sind, beispielsweise Glas und/ oder Kunststoff. Nach aktuellem Stand der Technik werden die Keramikelemente an deren Stirnflächen mit einem flüssigen Kleber gefügt oder in eine Klebematrix eingebettet. An den Phasenübergängen zwischen Keramikelementen und Klebstoff kann es durch einen nicht an den Brechungsindex der transparenten Keramik angepassten Kleber zu unerwünschten Reflexionen kommen. Idealerweise weisen die Kleber deshalb einen Brechungsindex auf, der an die transparente Keramik angepasst ist. In der
DE10 2011 014 100 A1 wird offenbart, dass die Brechungsindizes von zwei Materialien um maximal ±10 % abweichen dürfen, um eine Transparenz größer 10 % zu erreichen.
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Um große Flächen von Verbunden aus mehreren Keramikelementen zu realisieren, können flüssige Kleber mit einem Brechungsindex im Bereich von 1,7 bis 1,73 genutzt werden (
DE 10 2014 216 487 A1 ). Zur Herstellung von Verbunden mit flüssigen Klebern ist eine Montage in mehreren Schritten erforderlich. Zunächst werden die einzelnen Keramikelemente ausgerichtet und miteinander verklebt. Dazu ist es erforderlich, dass der Klebstoff in die Fügespalte zwischen den einzelnen Keramikelementen eingebracht wird. Um Verunreinigungen außerhalb der Fügespalte durch den Klebstoff zu vermeiden ist eine exakte Arbeitsweise, betreffend die Positionierung sowie die Menge des Klebstoffs, der in die Fügespalte eingebracht wird, erforderlich. Die korrekte Einbringung des Klebstoffs in die Fügespalte ist auch die Voraussetzung, dass beim Aushärten des Klebstoffs sich keine Blasen bilden. Damit die geforderte Transparenz erhalten bleibt ist eine Blasenbildung unbedingt zu vermeiden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es alternative Klebemittel und Verfahren zur Herstellung von Verbunden, bestehend aus wenigstens einem Keramikelement und einem weiteren Mittel bereit zu stellen.
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Die zugrundeliegende Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch eine Klebefolie nach Anspruch 1, ein Verfahren mit den Schritten nach Anspruch 5 oder 6, ein Verbund mit den Merkmalen nach Anspruch 11, und einer Verwendung des Verbundes nach Anspruch 17 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Keramikelemente mittels einer Klebefolie zu einem Verbund verbunden. Die Klebefolie weist einen der transparenten Keramik angepassten Brechungsindex auf. Bevorzugt ist die Klebefolie flexibel, um beispielsweise Dehnungsunterschiede des Verbundes auszugleichen. Durch die einfachere Handhabung einer Klebefolie im Vergleich zu einem flüssigen Kleber wird das Verbinden von Keramikelementen verbessert, es lässt sich schneller und mit erhöhter Präzision durchführen.
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Ein Verbund kann auch aus einem transparenten Keramikelement und einem Mittel beispielsweise in Form eines Substrats gebildet sein, wobei das Mittel über die erfindungsgemäße Klebefolie stoffschlüssig mit dem transparenten Keramikelement verbunden ist. Bei dem Mittel kann es sich um Schichten aus unterschiedlichsten Werkstoffen handeln.
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In einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren wird die Klebefolie maschinell positioniert. Die maschinelle Positionierung kann durch CNC-gesteuerte Roboter erfolgen. Dadurch kann die Qualität der Positionierung erhöht und somit die Qualität des Verbundes verbessert werden.
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Die Klebefolie weist dabei einen an die transparente Keramik angepassten optischen Brechungsindex größer 1,60, besser größer 1,65 und noch besser > 1,70 auf. Der Brechungsindex der Klebefolie liegt insbesondere im Bereich von 1,65 bis 1,80, bevorzugt im Bereich von 1,70 bis 1,73. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die optische Beeinträchtigung in den Bereichen der Verbindung von Keramikelementen sehr stark reduziert, vorzugsweise ganz verhindert. Die Folie kann in Streifen, als Bogen oder auf einer Rolle zur Verfügung gestellt werden. Die Foliendicke kann abhängig von deren Anwendung bestimmt werden und kann eine maximale Dicke von 3 mm aufweisen.
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Die Haftung bildet sich unter Temperatureinwirkung von 80 bis 250 °C aus, ein bevorzugter Temperaturbereich liegt bei 80 bis 160°C. Dieser Verfahrensschritt wird auch Fügen oder Tempern genannt. Das Fügen kann drucklos, druckunterstützt (z.B. in einem Autoklaven) oder unter Vakuumbedingungen erfolgen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren verbindet in einem Schritt Keramikelemente an deren Stirnflächen mit sich selbst. Dadurch entsteht ein Verbund, eine Keramikplatte (bestehend aus Keramikelementen und Klebefolie) mit einer stoffschlüssigen Verbindung an den Stoßkanten, den Stirnseiten. Durch eine entsprechend gute Benetzung der Seitenflächen der Keramikelemente durch die Klebefolie ist es ausreichend, wenn diese Seitenflächen geschliffen sind.
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Bei einem anderen Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens werden vor dem Fügen Keramikelemente mit einer Dicke d (z.B. d = 10 mm) und einer Kantenlänge a (z.B. a = 90 mm) positioniert, wobei die Keramikelemente durch einen Abstand, getrennt sind. Der Abstand zwischen zwei oder mehr Keramikelementen wird als Fügespalt bezeichnet und ist kleiner 4 mm, bevorzugt < 1 mm und besonders bevorzugt < 0,5 mm. Der Fügespalt wird in Längsrichtung jeweils durch eine schmale Seitenfläche eines Keramikelements begrenzt. In Querrichtung wird der Fügespalt durch die Enden der Keramikelemente begrenzt. Durch an sich bekannte Mittel wird der Fügespalt an dessen Ende in Querrichtung verschlossen, so dass beim Fügen der Klebstoff nicht entweichen kann. Die Höhe des Fügespaltes ergibt sich aufgrund der Höhe der Keramikelemente. Der Fügespalt umfasst einen Raum oder ein Volumen dessen Länge durch die Länge der Seitenflächen eines Keramikelements, dessen Höhe durch die Dicke eines Keramikelements und dessen Breite durch den gewählten Abstand zweier Seitenflächen zweier Keramikelemente zueinander bestimmt wird. In den Fügespalt wird die Klebefolie in Form eines Streifens, der in seinen Maßen der Länge und Höhe einer Seitenfläche eines Keramikelements entspricht, positioniert. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Länge der Klebefolie 90 mm und die Breite 10 mm, wobei die Länge auch ein Vielfaches der Kantenlänge der Keramikelemente entsprechen kann. Werden beispielsweise drei Keramikelemente mit einer Kantenlänge von 90mm nebeneinander platziert, kann der Klebestreifen 270mm lang sein. Die Dicke des Klebestreifens kann geringfügig kleiner als die Weite des Fügespaltes sein, sodass die Klebefolie leicht positioniert werden kann. Im anschließenden Fügeprozess werden die Keramikelemente stoffschlüssig verbunden.
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In einem anderen Beispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Abmessung der Klebefolie von der Länge und Dicke der Seitenfläche eines Keramikelementes abweichen. Die Maße der Klebefolie können sich dann während des Fügeprozesses verändern. Außer den Abmessungen der Klebefolie sind die anderen Prozessschritte identisch wie im vorbeschriebenen Verfahrensbeispiel.
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Der Klebestreifen kann vor dem Tempern auf einer oder beiden Oberflächen die beim Fügen in Kontakt mit den Seitenflächen des Keramikelements kommt, nichthaftend oder haftend ausgebildet sein. Ist die Folie haftend ausgebildet, kann sie vor dem Positionieren der Keramikelemente auf deren Seitenflächen angebracht werden. Dadurch entfällt das Positionieren der Klebefolie in dem Fügespalt. Das Positionieren der Keramikelemente wird erleichtert.
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Unabhängig von der Art und Weise wie die Klebefolie angebracht oder positioniert wird, entsteht durch Temperatureinwirkung ein Verbund aus transparenter Keramik und brechungsindexangepasster Klebefolie. Nach der Fügung kann die Folie den Fügespalt vollständig ausfüllen. Die Klebefolie kann sich beim Fügen auflösen. Der Fügespalt ist dann nach dem Fügen mit Klebstoff gefüllt. Ein mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter Verbund kann als Schutzpanel bei Fahrzeugen eingesetzt werden.
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Erfindungsgemäß hergestellte Verbunde können mit einem Ein- oder Mehrlagensystem (eine oder mehrere separate Schichten) verbunden werden. Diese Mehrlagensysteme können eine und/ oder weitere Lagen verschiedener Werkstoffe oder Einzelschichten (z.B. eine Glasschicht) aufweisen, wobei diese Werkstoffe keine Keramik sein können.
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Bei einer alternativen Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können Keramikelemente seitlich mit sich selbst und flächenmäßig mit einer oberen oder unteren Schicht (z.B. einer Glasschicht) verbunden werden. Dabei werden die Keramikelemente mit einem definierten Fügespalt auf einer Klebefolie ausgelegt oder alternativ wird die Klebefolie auf den positionierten Keramikelementen platziert. Dabei werden die Fügespalte durch die Klebefolie abgedeckt, beziehungsweise einseitig geschlossen. Die Klebfolie wird zunächst nicht in den Raum der Fügespalte positioniert. Durch Temperatureinwirkung wird die Klebefolie flüssig und dann in die Fügespalte gezogen. Dieser Prozess kann unterstützt werden, indem er in einem Vakuum durchgeführt wird. Somit lassen sich Verbunde mit größeren Flächen herstellen, beispielsweise größer als 0,5 m2. Die Abmessungen der Klebefolie können dann den Abmessungen des zu erstellenden Verbundes entsprechen.
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Bei einer weiteren alternativen Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mittel entsprechender Klebefolie ein Raster bzw. ein Gitter gebildet. Dabei sind die Abstände des Rasters kleiner als die Kantenlänge der zu verbindenden Keramikelemente. Das Maß zwischen Außenkante eines ersten Klebestreifens zu Außenkante eines zweiten Klebestreifens wird als Abstand bezeichnet. Beispielsweise wird bei der beabsichtigten Verbindung von Keramikelementen mit den Außenmaßen 90 mm × 90 mm mittels Klebefolien ein Raster mit den Maßen 80 mm × 80 mm gebildet. Bei einer Weite des Fügespaltes von beispielsweise 1 mm werden Klebefolien mit einer Breite von 11 mm verwendet um dieses Raster zu erzeugen. Diese beispielhaften Maßangaben können basierend auf den Abmessungen der Keramikelemente, der Eigenschaften der Klebefolie und in Verbindung mit dem Prozess des Fügens an die erforderlichen Maßnahmen angepasst werden.
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Es hat sich gezeigt, dass Fügespalte von 50 bis 350 µm, bevorzugt 80 bis 250 µm für Verbindungen mittels Klebefolie geeignet sind. Dadurch ist es möglich Keramikelemente stoffschlüssig zu verbinden, wobei die Fügespalte vollständig, bis zur Oberseite der Keramikelemente gefüllt sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Verbundes aus transparenten Keramikelementen, umfasst die folgenden Schritte:
- • Herstellung eines transparenten keramischen Elements,
- • Positionieren von wenigstens zwei transparenten keramischen Elementen in einem Abstand zueinander, wobei ein Fügespalt gebildet wird.
- • Positionieren eines Klebstreifens.
- • Tempern dieser Anordnung, wodurch die transparenten Keramikelemente stoffschlüssig verbunden werden.
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Die einzelnen Schritte können je nach Prozessablauf angepasst werden. So ist es beispielsweise möglich, im Schritt 3 den Klebestreifen in den Raum des Fügespalts zu positionieren und/ oder die Fügespalte mittels der Klebefolie abzudecken beziehungsweise zu verschließen.
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Zudem ist es möglich die Reihenfolge der einzelnen Prozessschritte zu verändern bzw. anzupassen. Abhängig vom Prozessablauf kann der Schritt 3 das Positionieren der Klebefolie vor dem Schritt 2, dem Positionieren der Keramikelemente, erfolgen.
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Der Prozessschritt 4 kann mit verschiedenen Mitteln z.B. in einem Autoklaven und unter verschiedenen Bedingungen drucklos, druckunterstützt im Vakuum etc. erfolgen.
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Erfindungsgemäß kann ein Verbund bestehend aus wenigstens zwei transparenten Keramikelementen und einer Klebefolie mit einem Mittel wie oben beschrieben in einem weiteren separaten Prozessschritt verbunden werden. Dazu wird der bereits durch Fügen hergestellte Verbund auf dem Mittel, oder alternativ das Mittel auf dem Verbund positioniert, wobei zwischen Verbund und Mittel eine Klebefolie angebracht ist. In einem anschließenden Fügeprozess wird dann der bereits bestehende Verbund mit dem Mittel durch die Klebefolie zu einem Verbund verbunden. Dieser besteht dann aus wenigstens zwei transparenten Keramikelementen und einer Klebfolie, mit der ein Verbund in einem ersten Füge-Prozessschritt erzeugt wird, einem Mittel und einer weiteren Klebefolie mittels der der bereits erzeugte Verbund in einem zweiten Füge-Propzessschritt mit der Klebefolie verbunden wird.
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Beispiel 1:
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Um eine transparente Schutzfläche von rund 1 m2 zu erzeugen, werden transparente Keramikelemente mit einer Kantenlänge von 90 mm × 90 mm einlagig auf einer ebenen transparenten Trägerschicht aus einem Glas positioniert. Auf der Trägerschicht ist eine dünne Klebefolie mit einem Brechungsindex von n > 1,71 platziert. Der Abstand zwischen den Keramikkacheln wird auf den Bereich von 100 bis 200 µm eingestellt. Die Verklebung erfolgt auf einem beheizbaren Vakuumtisch bei einer Verarbeitungstemperatur von 150 °C. Dabei erfolgt die seitliche und flächenmäßige stoffschlüssige Verbindung des Verbundes. Ein erfindungsgemäßer Verbund wird nachfolgend mit weiteren Einzelheiten und mit Bezug auf die beigefügten schematischen Figuren näher erläutert. Diese zeigen:
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1 ein Verbund, bestehend aus mehreren transparenten Keramikelementen und Klebefolien,
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2 ein Verbund, bestehend aus einer transparenten Keramik, Klebefolien und Mittel und
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3 ein Verbund, bestehend aus mehreren transparenten Keramikelementen, Klebefolien und Mittel.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verbundes 1. Dieser besteht aus mehreren in diesem Ausführungsbeispiel aus 7 transparenten Keramikelementen 2 die mittels Klebefolien 3 verbunden sind. Die Keramikelemente könne wie gezeigt unterschiedliche Außenmaße aufweisen. Wie oben beschrieben können die Keramikelemente 2 so positioniert werden, dass Fügespalten 4 entstehen. In diese Fügespalten 4 werden die Klebefolien 3 eingeführt. Anschließend wird diese Baugruppe temperiert wodurch der Verbund 1 entsteht.
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Alternativ können die Klebefolien 3 zunächst an den Seitenflächen der Keramikelemente 2 angebracht werden. Anschließend werden die Keramikelemente 2 positioniert. Die Fügespalten 4 ergeben sich dann aufgrund der Dicke Klebefolien 3. Nach erstellen der Baugruppe wird diese temperiert, wodurch der Verbund 1 entsteht.
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2 zeigt einen erfindungsgemäßen Verbund 1 der aus einem transparenten Keramikelement 2, einer Klebefolie 3 und einem Mittel 5 besteht. Die Klebefolie 3 wird auf dem Mittel 5 positioniert. Das transparente Keramikelement 2 wird auf der Klebefolie 3 positioniert. Durch Temperieren entsteht ein erfindungsgemäßer Verbund 1. Dabei ist es unerheblich, ob die Klebefolie zuerst auf dem Mittel 5 oder auf dem Keramikelement 2 angebracht wird. Dies kann abhängig vom angewandten Fertigungsverfahren durchgeführt werden. Das Mittel 5 kann wie oben beschrieben beispielsweise eine transparente Trägerschicht oder ähnliches sein. Auch ist es möglich, dass das Mittel 5 aus weiteren Mitteln 6 wie in 2 gezeigt gebildet ist. Es kann sich dabei um flächenhafte Schichten bzw. Lagen handeln, die von Keramiken abweichen. Auch ist es möglich, dass die Mittel 5 und 6 zusammengefügt und stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
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3 zeig einen erfindungsgemäßen Verbund
1 der neben streifenförmigen Klebefolien
3 auch eine flächenförmige Klebefolie
7 umfasst. Zusätzlich weist dieser Verbund
1 ein Mittel
5 auf, das wie oben beschrieben als Trägerschicht verwendet werden kann. Ansonsten gilt die Beschreibung wie zu
2.
| 1 | Verbund |
| 2 | Transparentes Keramikelement |
| 3 | Klebefolie, Klebestreifen |
| 4 | Fügespalte |
| 5 | Mittel |
| 6 | Mittel |
| 7 | Klebefolie |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011014100 A1 [0007]
- DE 102014216487 A1 [0008]
