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BEZUGNAHME AUF VERWANDTE FÄLLE
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Diese
Anmeldung beansprucht die Priorität der ebenfalls anhängigen
US Provisional Application Nr.
60/930,238 vom 15. Mai 2007 mit dem Titel „Electrostatically
Applying a Label to a Mold Cavity”; auf diese Provisional
Application wird hiermit vollständig Bezug genommen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung ist gerichtet auf Systeme, Verfahren und Vorrichtungen
zur Verwendung bei der Herstellung geformter Gegenstände
mit integral ausgebildeten Etiketten. Spezieller betrifft die Erfindung den
Einsatz von Elektrostatik zur Verbesserung der Qualität
und Effizienz der gerade genannten Herstellungsprozesse. Es ist
demnach eine allgemeine Aufgabe der Erfindung, neue Systeme, Verfahren
und Vorrichtungen dieser Art vorzusehen.
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Beschreibung des verwandten
Standes der Technik
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Die
Etikettierung innerhalb der Form („In-Mold Labelling”;
IML) wurde in den vergangenen Jahren zunehmend populär
und umfasst allgemein das Anbringen eines Etiketts an die Wand der
Formkavität, das Schließen der Formkavität
und das Einspritzen von Kunststoff. Diese Herstellungstechnik kann
dazu verwendet werden, eine große Vielzahl von Gegenständen
herzustellen, einschließlich Töpfe, Becher, Tabletts,
Eimer etc. in beinah jeder denkbaren Form. Das Anbringen des Etiketts
während der Formung macht einen nachgeschalteten Schritt
zum Stempel- oder Siebdrucken, Aufbringen eines Etiketts und dergleichen überflüssig,
weil das Etikett ein integraler Teil des geformten Gegenstandes
wird. Wichtiger ist, dass das Endergebnis dauerhaft ist. Dies macht
es besonders attraktiv für Information hin sichtlich Produkthaftung
und Bedienungsanleitung, sowie für UPC(Universal Product
Code)-Codes, Logos und Ausschmückung.
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Obwohl
die Etikettierung in der Form zahlreiche technische Herausforderungen
darstellt, ist eine der Schwierigsten, wie das Etikett während
des Einspritzens des plastifizierten Materials in Position gehalten
wird. Die zwei Techniken zum Halten des Etiketts, die heute in Gebrauch
sind, basieren auf Vakuum und/oder Elektrostatik, und jede dieser
Techniken bringt eine andere Gruppe von Problemen mit sich.
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Es
ist bekannt, dass ein Etikett an der gewünschten Position
in der Form durch speziell konstruierte und bearbeitete Vakuumanschlüsse
gehalten werden kann. In solchen Systemen nimmt eine automatisierte
Maschine üblicherweise ein Etikett aus einem geeigneten
Material aus einem Magazin unter Verwendung eines Dorns mit darin
ausgebildeten Vakuumanschlüssen auf und platziert es in
der richtigen Position in der weiblichen Formkavität. Das Vakuum
des Dorns wird dann abgeschaltet. Das Vakuum der Form wird eingeschaltet,
und der Dorn wird aus der Formkavität entfernt. Schließlich
wird die Form gespritzt.
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In
einigen Anwendungen bietet Elektrostatik eine zuverlässigere
und kostengünstigere Alternative zu dem Einsatz von Vakuum
zum Halten des Etiketts an seiner richtigen Position innerhalb der
Form/Kavität. In einem üblichen elektrostatischen
Prozess nimmt eine automatische Maschine ein Etikett von dem Magazin
unter Verwendung eines Dorns mit darin ausgebildeten Vakuumanschlüssen
und Löchern auf. Während das Etikett von dem Dorn
gehalten wird, wird eine statische Ladung auf das Etikett aufgebracht,
während der Dorn mit dem Etikett sich der Form annähert.
Wenn der Dorn und das Etikett in die Formkavität eingeführt
sind, wird das Vakuum des Dorns abgeschaltet, und das Etikett wird
aufgrund der elektrostatischen Kräfte auf die Oberfläche
der Form übertragen. Hierzu wird kein Vakuum in der Form
und kein Klebstoff an dem Etikett benötigt. In einer Abwandlung
des Verfahrens umfasst der Dorn Elektroden, und diese Elektroden
können angeregt werden, nachdem das Vakuum des Dorns abgeschaltet
wurde. In dieser Abwandlung des Verfahrens wird nach dem Einführen
des Dorns und des Etiketts in die Formkavität das Vakuum
des Dorns abgeschaltet und die Vakuumanschlüsse geben ein „Stoß” komprimierter
Luft ab, um die Übertragung auf die Oberfläche
zu unterstützen. Die Elektroden erzeugen ein Ionisierungsstrom,
um das gesamte Etikett aufzuladen. Das resultierende elektrostatische
Feld heftet („pins”) das gesamte Etikett im Wesentlichen
sofort gegen die Formkavität. Der Dorn wird aus der weiblichen
Kavität zurückgezogen, und die Form wird gespritzt.
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Geformte
Teile mit zylindrischer, konischer oder angeschrägter Form
stellen besondere Herausforderungen dar. Einige jüngere
Versuche auf dem Gebiet der Etikettierung in der Form haben sich
auf solche Formen konzentriert und umfassen die verschiedenen Vorrichtungen
und Techniken, die in den folgenden US-Patenten und veröffentlichten
Anmeldungen beschrieben sind:
3,062,496 ,
erteilt am 31. August 1971, mit dem Titel „Apparatus for
Manipulating Labels Or The Like” (auf den gesamten Inhalt dieses
Dokumentes wird hier Bezug genommen);
6,007,759 , erteilt am 28. Dezember
1999, mit dem Titel „Method For Manufacturing An Injection
Moulded Article” (auf den gesamten Inhalt dieses Dokumentes wird
hier Bezug genommen); und
US
2007/0042144 , US-Serial Number 11/506,818, angemeldet am
18. August 2006 und veröffentlicht am 22. Februar 2007, mit
dem Titel „Labeled Containers, Methods and Devices For
Making Same” (auf den gesamten Inhalt dieses Dokumentes
wird hier Bezug genommen). Verschiedene spezialisierte Einrichtungen
und Techniken dieser Art sind auch in der folgenden Zeitschriftenveröffentlichung
beschrieben:
Plastics Technology, In-Mold Labeling, Electrostatics
Are the Way to Go, Scott E. Shelton (April 2004).
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Während
die oben beschriebenen Vorrichtungen und Techniken bestimmte Aspekte
des Standes der Technik verbessert haben, verbleiben zahlreiche
Aspekte dieses Standes der Technik, die noch immer wenig verstanden
sind. Die herkömmlichen Prozesse und Vorrichtungen zum
Etikettieren innerhalb der Form führen daher nach wie vor
nur dann zu zufrieden stellenden Ergebnissen, wenn viele verschiedene
Faktoren, die unten erörtert sind (wie Materialzusammensetzung,
Toleranzen und Abmessungen, Zeitsteuerung, Temperaturen, etc.),
präzise gesteuert werden.
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ABRISS DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung erfüllt die oben angegebenen Anforderungen und überwindet
die oben beschriebenen und andere Nachteile des Standes der Technik durch
neue Verfahren, Systeme und Vorrichtungen für den Einsatz
von Elektrostatik in Vorrichtungen und Technik für die
Etikettierung in der Form. Gemäß der Erfindung
wird ein Etikett an einer Oberfläche eines elektrostatischen
Dornkörpers angebracht, welcher ein erstes Ende, ein gegenüberliegendes
entferntes Ende und Ionisierungselektroden in der Nähe
des entfernten Endes des Dornkör pers aufweist. Der Dornkörper
wird dann in einer weiblichen Formkavität positioniert,
und das Etikett wird von dem Dorn freigegeben. Dann wird eine hohe
Spannung (Hochspannung) an die Elektroden angelegt, um ein Ionisierungsstrom
zu erzeugen und das Etikett aufzuladen, um das Etikett in der Nähe
der Ionisierungselektroden elektrostatisch an die weibliche Formkavität
zu heften. Wenn der Dorn zunehmend aus der weiblichen Formkavität
zurückgezogen wird, wird ein zunehmend größerer
Teil des Etiketts elektrostatisch an die Formkavität geheftet,
bis im Wesentlichen das gesamte Etikett an die Kavität
geheftet ist. Sobald das gesamte Etikett anheftet ist, kann die
Hochspannung abgeschaltet werden, und anschließlich kann ein
etikettierter Gegenstand durch Spritzgießen geformt werden.
Die Stromversorgung kann eine variierende Hochspannung liefern,
die an die Elektroden abgegeben wird, um dadurch einen konstanten
Ionisierungsstrom zu erzeugen, selbst wenn der Abstand zwischen
den Elektroden und der Formkavität variiert.
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Eine
verwandte Form der Erfindung bezieht sich auf einen elektrostatischen
Dorn, der ein Etikett in einer Form positionieren kann. Der erfindungsgemäße
Dorn kann einen eine Achse definierenden Körper mit einem
ersten Ende, einem gegenüberliegenden fernen Ende, einer
Gruppe Ionisierungselektroden wenigstens in der Nähe des
entfernten Endes und Mitteln zum Abgeben einer variierenden Hochspannung
an die Elektroden aufweisen. In dieser Ausführung der Erfindung
umfasst ein optionales Merkmal eine Rille, Ausnehmung oder Wanne,
die um den Körper herum angeordnet ist und in einer Ebene
liegt, die wenigstens im Wesentlichen senkrecht zu der Achse ist.
Die Rille kann bei oder in der Nähe des fernen Endes des
Dorns angeordnet sein, und die Gruppe der Ionisierungselektroden
kann mehrere Ionisierungselektroden mit Ionisierungsspitzen, die
in der Dornrille positioniert sind, umfassen. Wenn eine geeignete
Hochspannung an die Elektroden angelegt wird, kann ein im Wesentlichen
gleichmäßiger Ionisierungsstrom von den Elektroden
um den gesamten Umfang des Dorns herum abgegeben werden. In einigen
Ausführungen der Vorrichtung der Erfindung können
die oben genannten Komponenten als eine einzelne Einheit, die nach
Bedarf ersetzt werden kann, ausgebildet sein. In anderen Ausführungen
der Vorrichtung können die Elektroden als eine entfernbare/ersetzbare
Einheit ausgebildet sein, die mit dem Rest des Dorns verbunden wird;
diese Anordnung kann das Ersetzen einer verbrauchten Elektrodeneinheit
erlauben, während ein Teil oder der gesamte Rest des Dorns
weiterverwendet werden kann.
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Die
oben beschriebenen Verfahren der Erfindung eignen sich natürlich
besonders gut zur Verwendung mit der oben beschriebenen Vorrichtung der
Erfindung. Ähnlich eignet sich die Vorrichtung der Erfindung
sehr gut zum Ausführen des hier beschriebenen erfindungsgemäßen
Verfahrens.
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Zahlreiche
weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich dem Fachmann
auf diesem Gebiet aus der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter
Ausführungen, aus den Ansprüchen und aus den Zeichnungen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
bevorzugten Ausführungen der Erfindung sind unten mit Bezug
auf die Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen entsprechende
Schritte und/oder Strukturen darstellen und wobei:
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1 eine
perspektivische Darstellung eines elektrostatischen Dorns gemäß einer
bevorzugten Ausführung der Erfindung zeigt;
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2 den
elektrostatischen Dorn der 1 zeigt,
wobei ein Etikett in Vorbereitung zur Positionierung in einer Formkavität
auf den Dorn aufgebracht wurde;
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3 eine
Seitenansicht des elektrostatischen Dorns der 1 zeigt;
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3a eine
Seitenansicht eines elektrostatischen Dorns gemäß einer
alternativen bevorzugten Ausführung der Erfindung zeigt;
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3b eine
Seitenansicht des elektrostatischen Dorns der 3a zeigt,
wobei in Vorbereitung für die Positionierung in einer Formkavität
ein Etikett auf den Dorn aufgebracht wurde;
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4a bis 4d vier
verschiedene Schnittdarstellungen entlang der Schnittlinie S-S der 3 bzw.
der 3a zeigen, wobei verschiedene Ausführungen
verschiedene Gruppen von Ionisierungselektroden und Anordnungen
zum Abgeben von Spannung an die Elektroden verwenden;
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5a bis 5e schematisch
eine bevorzugte Ausführung des Verfahrens gemäß der
Erfindung zeigen, das mit jeder der elektrostatischen Dorne der 1 bis 4d kompatibel
ist;
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6a, 6b und 6c den
Vorgang des Zurückziehens eines erfindungsgemäßen
Dorns aus einer weiblichen Formkavität zeigen, wobei der Abstand
zwischen den Elektrodenspitzen und der Kavitätswand sich ändert
und wobei die an die Elektroden angelegte Spannung sich ändert,
um dadurch einen konstanten Ionisierungsstrom aufrechtzuerhalten;
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7a eine
repräsentative Beziehung zwischen der Elektroden-Versorgungsspannung
und dem Abstand zwischen den Elektrodenspitzen und der Wand der
Formkavität während des Prozesses der 6a bis 6c zeigt;
und
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7b eine
repräsentative Beziehung zwischen dem Ionisierungsstrom
und dem Abstand zwischen den Elektrodenspitzen und einer Wand der Formkavität
während des Prozesses der 6a bis 6c zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
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Mit
Bezug hauptsächlich auf 1 ist eine erste
bevorzugte Ausführung der Erfindung auf einen elektrostatischen
Dorn 10 gerichtet, der ein Etikett in einer weiblichen
Formkavität positionieren kann. Der Dorn kann einen Körper 12 (welcher
eine Achse A definiert) mit einem ersten Ende 14 und einem
gegenüberliegenden fernen Ende 16, eine Gruppe
Ionisierungselektroden 20, eine Rille 18, die
um den Körper 12 herum in eine Ebene P (siehe 3)
angeordnet ist, welche wenigstens ungefähr senkrecht zur Achse
A ist, aufweisen. Der Dorn 12 kann optional auch einen
axial ausgerichteten Führungsschaft aufweisen, um die Kompatibilität
mit herkömmlichen Vorrichtungen zur Etikettierung in der
Form zu erleichtern. In dieser Form der Erfindung liegt die Rille 18 in
der Nähe des fernen Endes 16 des Dorns 10, und
die Gruppe Ionisierungselektroden 20 umfasst mehrere Ionisierungselektroden,
deren Ionisierungsspitzen innerhalb der Rille 18 des Dorns
(unter der Oberfläche des Körpers 12)
liegen. Wenn eine geeignete Hochspannung an die Elektrodengruppe 20 angelegt
wird, wird ein im Wesentlichen gleichmäßiger Ionisierungsstrom
von den Elektroden 20 in der Rille 18 in der Nähe
des fernen Endes 16 um den gesamten Umfang des Dorns herum
abgegeben. Anders als bei dem oben beschriebenen Stand der Technik
gibt es im Wesentlichen keinen anderen Ionisierungsstrom, der von
dem Dorn 10 ausgeht. Der Ionisierungsstrom wird daher nach
und nach an ein Etikett angelegt, wenn der Dorn aus der Formkavität
zurückgezogen wird, wie unten mit weiteren Einzelheiten beschrieben
ist.
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Wie
am Besten in den 1 und 2 zu sehen,
umfasst der Dorn 10 eine Struktur zum Befestigen eines
Etiketts 26 an dem Dorn 10 vor dem Einführen
in eine weibliche Formkavität. Während andere
herkömmliche Verfahren und Strukturen verwendet werden
könnten, um das Etikett 26 vorübergehend
zu befestigen, verwendet diese Ausführung vorzugsweise
mehrere interne Vakuumanschlüsse (nicht gezeigt) und mehrere
Oberflächenlöcher 22 für diesen
Zweck. Die Anschlüsse erstrecken sich vorzugsweise durch
den Führungsschaft 24, durch das Innere des Körpers 12 und
zu den Vakuumlöchern 22, die auf der Oberfläche
des Körpers 12 angeordnet sind. Zu beachten ist
jedoch, dass die Erfindung insbesondere keine Vakuumlöcher 22 zwischen
den Elektroden 20 vorsieht. Dies ermöglicht höhere
Dichten der Elektrodenspitze, was für das Vorsehen eines gleichmäßigen
elektrostatischen Feldes wichtig ist, wenn die Elektroden angeregt
werden. Die Erfindung sieht ferner vor, dass es nur eine ringähnliche
Gruppe Ionisierungselektroden in dem Dorn 10 gibt. Dies
wird vorzugsweise mit nur einer Elektrodenrille/-ausnehmung 18 und
nur einer darin angeordneten Gruppe von Elektroden 20 erreicht.
Man wird auch verstehen, dass jede der Elektroden 20 innerhalb
ihrer eigenen Ausnehmung angeordnet sein kann (wobei die Ausnehmungen
insgesamt den Körper 12 umkreisen), anstatt alle
Elektroden 20 innerhalb einer einzelnen Rille anzuordnen.
Da diese Konfiguration äquivalent zu der bevorzugten Rille 18 ist,
wird auch sie als Rille oder Wanne gemäß der Terminologie
dieser Spezifikation und der Ansprüche betrachtet.
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Da
in der erörterten Ausführung der Körper 12 kegelstumpfförmig
ist, ergibt es sich, dass die Rille 18 eine Umfangsrille,
-wanne oder -ausnehmung ist, und die Elektroden 20 in der
Umfangsrille angeordnet sind, so dass die Elektrodenspitzen ungefähr
1/4'' (einen Viertel Inch) von dem äußeren Rand
der Rille 18 (d. h. auch von der Oberfläche des
Körpers 12) beabstandet sind. Dieser Abstand kann
jedoch abhängig von einer Anzahl von Faktoren variieren,
wie dem Material des Etiketts, der Etikettdicke, der Größe
und Geometrie der Rille 18 und der Geometrie und des Neigungswinkels
des Körpers 12. Der Abstand kann also irgendwo
zwischen 1/8'' (ein Achtel Inch) bis 1'' (ein Inch) vom äußeren
Rand der Rille liegen. Die Rille 18 ist vorzugsweise gleichmäßig
und kann in ihrem Querschnitt u-förmig, v-förmig,
etc. sein. Sie kann im Querschnitt gekrümmte oder gerade
Wände aufweisen. Wenn sie geradlinig sind, können
die Wände relativ zu der Ebene der Elektroden 20 mit
einem Winkel von ungefähr 45° nach außen
geneigt sein. Wenn der Dorn aus mehreren Komponenten aufgebaut ist, welche
lösbar aneinander angebracht sind (im Gegensatz zu einer
einteiligen Ausbildung), gibt es eine Schnittstelle 19,
die an beiden Enden der Rille 18 oder in der Mitte der
Rille 18 liegen kann. Unabhängig von der genauen
Form oder Größe der Rille 18 gibt es
keine merkliche Störung des Ionenstroms zu dem Etikett.
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In
einer alternativen Ausführung, die in den 3a und 3b gezeigt
ist, sind Elektroden 20' und Rille/Ausnehmung/Wanne 18 (mit
einem l-förmigen Querschnitt) an dem entfernten Ende 16 des Körpers 12 des
Dornes angeordnet. Ein Vorteil dieser Anordnung ist, dass die Elektroden 20' ganz
am Ende des Dornes liegen, so dass die Elektrodenspitzen mit dem
untersten Rand des Etiketts 26 weitgehend fluchten. Die
alternativen Ausführungen der 3a und 3b bieten
auch Vorteile hinsichtlich der Herstellung und Reparatur des Dorns,
weil sie Elektrodenanordnungen möglich machen, die entweder
während der Herstellung mit dem Dornkörper einteilig
ausgebildet oder als ein abnehmbares Elektrodenanordnungs-Modul 20' ausgebildet
werden, das nach Bedarf an dem Dornkörper 12 angebracht
oder von diesem gelöst werden kann. Wie gezeigt kann das
Elektrodenanordnungs-Modul 20' mit dem fernen Ende 16 des
Körpers 12 bei einer Grenzfläche 19 verbunden
werden, und das Modul 20' kann mit Hilfe einer oder mehrerer
aus einer großen Vielzahl bekannter Strukturen daran angebracht
werden (siehe Schrauben/Schraubenlöcher 17 oder 17' in
den 1, 2 und 4a bis 4d)
beispielsweise mittels Schrauben, Bolzen, Mutter, federbelasteten Anordnungen,
Presssitzanordnungen, Krimpptechniken, Kleber, Rasthakenanordnungen,
etc. Es wird jedoch bevorzugt, eine lösbare Form der Befestigung einzusetzen,
um schnelle und einfache Modul-Austauschtechniken zu ermöglichen
(und somit eine einfache und kostengünstige Funktion für
die Reparatur vorzusehen), weil davon auszugehen ist, dass ein langlebiger
Dorn wesentlich länger hält als eine Elektrodengruppe.
Wie oben mit Bezug auf die 4a bis 4c erörtert,
können geeignete Spannungen über Drähte
vorgesehen werden, welche durch den Dornkörper 12 gehen.
Während Elektrodenmodule 20' über diese
Verdrahtung fest verdrahtet werden können, sind die Ausführungen
der 3a und 3b vorzugsweise
mit einem der vielen bekannten Formen elektrischer Verbinder versehen,
um die Elektrodenmodule nach Bedarf anzuschließen und/oder
zu trennen. Man wird verstehen, dass die Ausführungen der 3a und 3b einfacher
und billiger in der Herstellung sind als elektrostatische Dorne
gemäß dem Stand der Technik, weil die Elektroden
und die zugehörige Verdrahtung des Standes der Technik
an verschiedenen Stellen über einen gegebenen Dorn eingerichtet
werden müssen. Im Gegensatz dazu kann das erfindungsgemäße
Elektrodenmodul 20' getrennt von dem Dornkörper
aufgebaut und dann an einer Stelle befestigt und verdrahtet werden.
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Der
bevorzugte Elektrodenabstand wird auf der Grundlage einer Anzahl
Faktoren bestimmt, wie der Größe und Geometrie
des Dornkörpers 12 und der komplementären
Formka vität, mit welcher er benutzt werden kann, der Art
und Dicke des Etiketts 26, der Art und Dicke des an dem
Etikett 26 anzuformenden Kunststoffs etc. Es wurde erkannt,
dass in vielen Anwendungen die Spitzen der Elektroden 20 innerhalb
der Rille 18 des Dorns vorzugsweise den gleichen Abstand
haben und von benachbarten Spitzen ungefähr 0,1'' (Inch)
bis ungefähr 1'' (Inch) entfernt sind. Der Abstand der
Elektrodenspitzen sollte insbesondere so gewählt werden,
dass er eine im wesentlichen gleichmäßige Aufladung
des Etiketts um den Umfang des Dornkörpers 12 herum
vorsieht. Während höhere Dichten der Spitzen unter
Verwendung der hier erörterten Elektroden möglich
sind, hat sich herausgestellt, dass höhere Dichten der
Spitzen vorteilhaft sind, wenn die Spitzen in großer Nähe
zu der Formkavität liegen, und dass geringere Dichten der Spitzen
ausreichend sind, wenn die Spitzen von der Form/Kavität
weiter entfernt sind.
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In
den verschiedenen bevorzugten Ausführungen wurde erkannt,
dass die Elektrodenanordnung eine nahezu gleichmäßige
Aufladung um den Umfang des Etiketts/der Formkavität an
dem Rand des Etiketts 26, der dem abgeschnittenen fernen Ende 16 des
Körpers 12 am nächsten liegt, erzielt. Dies
ist besonders wichtig, wenn die Angussbohrungen der Form, über
die Kunststoff in die Formkavität eingespritzt wird, in
der Nähe des fernen Endes 16 des Dornkörpers 12 liegen,
wenn das Einspritzen beginnt, weil dort eine erhöhte Gefahr
besteht, dass das Kunststoff das Etikett 26 ablöst
oder zwischen das Etikett 26 und die Wand der Formkavität
fließt. Zusätzliche Vorteile dieser Elektrodenanordnung
werden im Lichte der folgenden Erörterung noch klarer werden.
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Der
Dorn 10 kann im Wesentlichen vollständig aus einem
nicht leitenden Material, wie PE, PTFE, PVC, Acryl oder einem anderen
Kunststoffmaterial bestehen. Alternativ kann der Dorn 10 weitgehend
aus einem leitenden Material bestehen, wie Aluminium oder Stahl,
solange die Elektroden ausreichend Abstand zu den Rändern
des Metallteils des Dornkörpers haben, um eine Bogenentladung
weitgehend zu vermeiden. In einigen oder allen Ausführungen,
die hier gezeigt und beschrieben sind, können die Ionisierungselektroden 20 oder 20' in
die Struktur des Dornkörpers auf eine von mehreren herkömmlichen
Weisen integriert sein, z. B. durch integrales Ausbilden der Elektroden
mit dem Körper 18 unter Verwendung eines geeigneten
Kunstharzes etc. Die Elektroden 20 oder 20' können
alternativ lösbar an dem Dornkörper an einer Grenzfläche 19 oder 19' angebracht
sein, wie hier gezeigt und beschrieben. Der Dornkörper 12 kann
die Form eines Kegelstumpfes haben (wie gezeigt), und Ionisierungselektroden 20 können
in der Rille 18 in einer Kreisform angeordnet sein und
um den Umfang des Körpers 12 an dessen fernen
Ende 16 umlaufen. Im Gebrauch entspricht dies dem Boden
des zu formenden Gegenstandes, so dass das Etikett 26 die
Elektroden 20 bedeckt, wenn es auf den Dorn aufgebracht
wird. Die Gruppe der Ionisierungselektroden 20 kann auf
mindestens zwei verschiedene Arten mit der Hochspannungsquelle elektrisch
gekoppelt sein: Durch direkte Kopplung oder durch Ohm'sche Kopplung.
Die direkt gekoppelten Elektroden können zu der üblicherweise metallenen
Oberfläche der Form einen bogenentladung erzeugen, wenn
die an die Elektroden 20 angelegte Spannung zu hoch oder
der Abstand zur Oberfläche der Form zu klein ist. Wie unten
mit weiteren Einzelheiten gezeigt und erörtert ist, sind
die durch Ohm'sche Kopplung angeschlossene Elektroden mit der Hochspannungsquelle
einzeln oder in Gruppen über einen oder mehrere hochohmige
Hochspannungs-Widerstände (und optional einen Bus) verbunden.
Die Widerstände unterdrücken die Bogenentladung
von den Elektroden 20 zu der weiblichen Formkavität.
Dies erlaubt das Anlegen einer hohen Spannung an die Elektroden
und eine stärkere elektrostatische Haftung des Etiketts 26 an
der Form.
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Es
ist vorgesehen, dass die Erfindung auf praktisch jede Form/Dorn-Anordnung
mit einer konkaven Form und einem komplementären konvexen Dornkörper
anwendbar ist. Lediglich beispielsweise kann daher der Formkörper 12 die
Form eines Konus, einer Pyramide, einer Halbkugel, eines Ellipsoids,
eines Parabolabschnitts etc. haben. Zusätzlich ist vorgesehen,
dass die Erfindung auf Dornkörper angewandt wird, wie die
unmittelbar oben beschriebenen, die jedoch an ihrem schmaleren Ende
abgeschnitten sind (wie der Stumpf einer Pyramide oder eines Konus
etc.). Der Dornkörper 12 kann ferner praktisch
jede andere konvexe Form haben.
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Während
die Erfindung auf jede dieser Körperformen anwendbar ist,
werden die Elektrodenspitzen so angeordnet, dass sie im Wesentlichen
dieselbe Form haben wie der Dornkörper 12 in der
Nähe der Rille 16, in welche die Elektroden 20 eingebettet sein
können. Anders gesagt ist die Querschnittsform des Dornkörpers
in der Nähe der Elektroden 20 im Wesentlichen
gleich der Form, welche durch die Anordnung der Elektrodenspitzen
definiert wird. Die Elektrodenspitzen können z. B. einen
Kreis bilden, wenn der Dornkörper konisch oder ellipsoid
ist, etc.
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Die
physikalischen und elektrischen Eigenschaften des Etiketts, das
in Verbindung mit der Erfindung eingesetzt werden kann, sind im
Stand der Technik gut bekannt, und es sind keine speziellen Etiketten
notwendig. Die Erfindung ist somit kompatibel mit einer großen
Anzahl von Etiketten, die in herkömmlichen Systemen allgemein
im Einsatz sind. Die Oberflächen solcher Etiketten sind
gute Isolatoren, so dass die Etiketten die statischen Ladungen,
durch welche sie im Gebrauch an die Formkavitäten angeheftet
werden gut aufnehmen und aushalten können. Diese Oberfläche
sollte vorzugsweise einen spezifischen Widerstand von 1012 Ohm/Quadrat (ohms/sq) oder größer
haben. Je höher der spezifische Widerstand, desto besser
nimmt das Etikett die Ladung an, ohne die Ladung bei Kontakt mit
einer Formkavität gegen Masse zu leiten. Wenn die Ladung
bei Kontakt mit der Form nicht aufrechterhalten wird, kann die Haftwirkung
verloren gehen, und das Etikett kann aus der gewünschten
Position herausrutschen. Eigenschaften des Etiketts, wie Dicke,
Krümmung und Oberflächenbeschaffenheit, beeinflussen
ebenfalls die Haftwirkung. Ein strukturiertes Etikett oder eine strukturierte
Formoberfläche können z. B. aufgrund der Verringerung
des engen Oberflächenkontakts zwischen dem Etikett und
der Formkavität eine gute Haftwirkung erschweren. Ein relativ
dünnes, nicht strukturiertes Etikett mit guten dielektrischen
Eigenschaften und eine nicht-strukturierte Formoberfläche ergeben üblicherweise
die besten Ergebnisse.
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Verschiedene
bevorzugte Anordnungen der Ionisierungselektroden sowie Anordnungen
zum Abgeben der Spannung an die Elektroden sind in den Schnittdarstellungen
der 4a bis 4d dargestellt,
welche entlang der Linie S-S der 3 und 3a aufgenommen
sind. Diese Figuren zeigen unter anderen verschiedene bevorzugte
Elektrodenanordnungen und -konfigurationen zum Abgeben geeigneter
Ionisierungsspannungen an die Elektroden 20. Die Stromversorgung
sollte vorzugsweise in der Lage sein, eine minimale Ausgangsspannung
von ungefähr 5 kV und ein Ausgangsstrom von ungefähr 0,5
mA für kleine Gegenstände vorzusehen, und sie sollte
vorzugsweise in der Lage sein, eine Ausgangsspannung von bis zu
ungefähr 30 kV und ein Strom von ungefähr 1 mA
für größere geformte Objekte vorzusehen.
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4a zeigt
eine bevorzugte Ausführung der Erfindung, in der die Ionisierungselektroden 20a alle
mit einem einzelnen Busring 21a elektrisch gekoppelt sind,
der seinerseits mit einer Hochspannungsquelle direkt durch einen
einzelnen Widerstand (nicht gezeigt) gekoppelt ist. Ein Verbinder
oder Draht kann elektrischen Kontakt mit dem Elektroden-Busring 21a innerhalb
des Dorns herstellen und dient daher dazu, die Elektroden 20 mit
einer geeigneten Stromversorgung, vorzugsweise einer Konstantstromquelle,
elektrisch zu verbinden.
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4b zeigt
eine bevorzugte Ausführung der Erfindung, in der Ionisierungselektroden 20b mit einem
einzelnen Busring 21b über Widerstände 28b auf
mehreren getrennten Substraten 30b einzeln gekoppelt sind
(die Anordnung der Elektrodenspitze, die hier bevorzugt genutzt
wird, kann ähnlich den herkömmlichen Anordnungen
von Elektrodenspitzen sein, die in dem MKS, Ion Industrial charging
bar Model 7401 genutzt werden). Ein Verbinder oder Draht kann einen
elektrischen Kontakt zu dem Elektrodenbusring 21b innerhalb
des Dorns herstellen und somit dazu dienen, die Elektroden 20 mit
einer geeigneten Stromquelle, vorzugsweise einer Konstantstromquelle
zu verbinden.
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4c zeigt
noch eine weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung,
in der die Ionisierungselektroden 20c in Gruppen mit einem
einzelnen Busring 21c über Gruppenwiderstände 28c auf
mehreren getrennten Substraten 30c gekoppelt sind (die
Anordnung der Elektrodenspitze, die hier bevorzugt genutzt wird,
kann ähnlich den herkömmlichen Anordnungen von
Elektrodenspitzen sein, die in dem MKS, Ion Industrial charging
bar Model 7430 genutzt werden). Ein Verbinder oder Draht kann einen
elektrischen Kontakt zu dem Elektrodenbusring 21c innerhalb
des Dorns herstellen und somit dazu dienen, die Elektroden 20 mit
einer geeigneten Stromquelle, vorzugsweise einer Konstantstromquelle
zu verbinden.
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4d zeigt
eine bevorzugte Ausführung der Erfindung, in der die Ionisierungselektroden 20d in
Gruppen mit einem einzelnen Busring 21d über Gruppenwiderstände 28d auf
einem einzelnen gemeinsamen Substrat 30d gekoppelt sind.
Ein Verbinder oder Draht kann einen elektrischen Kontakt zu dem
Elektrodenbusring 21d innerhalb des Dorns herstellen und
somit dazu dienen, die Elektroden 20 mit einer geeigneten
Stromquelle, vorzugsweise einer Konstantstromquelle zu koppeln.
Man beachte, dass die Elektrodenanordnungen der 4c und 4d unter
anderem größere Pindichten erlauben als die Elektrodenanordnung
der 4b.
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Bevorzugte
Verfahren zum elektrostatischen Positionieren eines Etiketts in
einer Formkavität und zum Herstellen eines mit einem Etikett
versehenen Gegenstands gemäß der Erfindung sind
im Folgenden mit Bezug auf die 5a bis 5e beschrieben.
Die bevorzugte Ausführung kann mit dem Vorsehen eines geeigneten
elektrostatischen Dorns und dem Aufbringen eines geeigneten Etiketts 26 auf
den Dorn ausgehend von einem Etikettenmagazin 26' beginnen
(siehe 5a). Wenn der Dornkörper 12 mit dem
daran befestigten Etikett 26 vollständig in eine weibliche
Formkavität 34 eingefügt ist, geben die Stelleinrichtungen
des Systems das Vakuum frei, und die Vakuumlöcher können
einen Stoß komprimierter Luft vorse hen, um die Übertragung
des Etiketts auf die Oberfläche zu unterstützen,
wodurch das Etikett 26 von dem Körper 12 freigegeben
wird. Das Etikett 26 ist dann für die Übertragung
auf die Form bereit (siehe 5b).
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Mit
Bezug auf 5c (wobei dies auch mit weiteren
Einzelheiten in Bezug auf die 6a, 6b und 6c gezeigt
ist) kann man erkennen, dass dann die Ladungs-Stromquelle eingeschaltet und
eine Hochspannung an die Ionisierungselektrodengruppe 20 angelegt
wird, um ein Ende des Etiketts 26 an die Wand 34 der
Formkavität zu heften. Im Wesentlichen gleichzeitig beginnt
der Dornkörper 12 mit dem Rückzug aus
der Formkavität 34. Da die Hochspannung weiter
an die Elektroden 20 angelegt wird, wird das Etikett 26 zunehmend
an die Kavitätswand 34 geheftet, während
die Elektroden 20 im Wesentlichen die gesamte Oberfläche
des Etiketts queren. Ungefähr dann, wenn die Elektroden 20 an
dem gegenüberliegenden Rand des Etiketts 26 vorbeikommen
(also an dem Rand, der am Nächsten bei der Außenwand
der Kavität 34 liegt), wird die Ladungs-Stomversorgung
abgeschaltet und der Ladezyklus ist beendet. Das Etikett wurde somit
elektrostatisch in der Formkavität positioniert. Das Zurückziehen
des Dornkörpers 12 aus der Formkavität 34 erfordert
vorzugsweise eine Zeitspanne, die im Bereich von ungefähr
0,25 Sekunden bis ungefähr 2,0 Sekunden liegt, abhängig
von einer Anzahl von Faktoren, wie der Dicke des Etikettmaterials,
der Lade-Spannungen, der Geometrie des Gegenstandes, etc. Für
viele übliche Anwendungen ist eine Zeit zum Zurückziehen
des Körpers 12 von ungefähr 0,5 bis ungefähr
1 Sekunde ausreichend. Man wird verstehen, dass die erfindungsgemäßen
Verfahren und Vorrichtungen die Übertragungszeiten für
das Etikett minimieren, weil der Dornkörper aus der Kavität
entfernt wird, während das Etikett angeheftet wird. Die Systeme
und Verfahren gemäß dem Stand der Technik erfordern
dagegen getrennte und kumulative Zeitspannen zum (1) Heften eines
Etiketts an eine Kavität und (2) Zurückziehen
des Dornkörpers aus der Kavität. Zum Abschließen
der Herstellung des mit dem Etikett versehenen Gegenstandes kann
der Dorn 10 von der weiblichen Formkavität 34 wegbewegt
werden (5c), ein männliches
Formteil 36 wird zur Eingrenzung eines geschlossenen Einspritzhohlraums,
welcher der Form des Spritzgussgegenstandes entspricht, verwendet
werden (siehe 5d), und Material wird eingebracht,
um so einen Gegenstand 40 mit einem integral mit diesem
ausgebildeten Etikett 26 herzustellen. Die Teile 34 und 36 können
dann zurückgezogen und der Gegenstand 40 kann
entfernt werden (siehe 5e).
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Man
wird verstehen, dass die verschiedenen gezeigten und hier beschriebenen
Dornkonfigurationen Ionen um den Umfang des Körpers 12 erzeugen und
ein im Wesentlichen ringförmiges elektrostatisches Feld
auf das Etikett/die Formkavität aufbringen, welches die
Formkavität in axialer Richtung quert, wenn der Körper 12 aus
der Formkavität zurückgezogen wird. Da keine anderen
Elektroden vorhanden sind, gibt es keine (oder praktisch keine)
andere Ionenquelle und es wird kein anderes elektrostatisches Feld
auf das Etikett/die Formkavität aufgebracht. Die ringförmige
Ionenquelle wird somit zu jedem gegeben Zeitpunkt nur auf ein relativ
schmales Band des Etiketts/der Formkavität angewandt. Durch das
Herausziehen des Dornkörpers 12 werden die Ionen
jedoch auf die gesamte Oberfläche des Etiketts aufgebracht.
Anders gesagt legen die Elektroden 20 einen im Wesentlichen
gleichmäßig und in Umfangsrichtung laufenden Ionisierungsstrom
an das Etikett 26 an, der in der Nähe des fernen
Endes 16 beginnt, wobei sich das Feld vorzugsweise in axialer
Richtung bewegt, bis das Feld an das gegenüberliegende Ende
des Etiketts 26 angelegt wurde.
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Insgesamt
mit Bezug auf die 6a, 6b, 6c, 7a und 7b wird
man verstehen, dass der Abstand (D1, D2 und D3) zwischen den Elektrodenspitzen
und der konkaven Formoberfläche zunimmt, während
der Dornkörper 12 aus der Form zurückgezogen
wird, wenn wenigstens der Formkörper oder die Form irgendwie
abgeschrägt ist. In einer besonders bevorzugten Ausführung
kann ein Konstantstrom-Ladesystem verwendet werden, um die an die
Elektroden 20 angelegte Spannung zu variieren und dadurch
einen konstanten Ionisierungsstrom von den Elektroden 20 an
das Etikett 26 anzulegen, obwohl der Abstand sich ändert.
Wenn der Körper 12 aus der Formkavität
axial herausgezogen wird, nimmt der Abstand von den Elektrodenspitzen zu
der Wand der Formkavität von D1 über D2 bis D3 zu,
und die an die Elektroden angelegte Spannung steigt vorzugsweise
von ungefähr 5.000 (fünftausend) Volt bis auf
30.000 (dreißigtausend) Volt. In einem System mit einer
maximalen Ladespannung von ungefähr 30.000 (dreißigtausend)
Volt und den hier beschriebenen typischen Materialien wird der Abstand
zwischen den Elektrodenspitzen und der Körperoberfläche
um die Rille 16 herum vorzugsweise so gewählt,
dass der Abstand D3 von den Elektrodenspitzen bis zur Oberkante
des Etiketts (der Teil des Etiketts, der dem äußeren
Rand der weiblichen Formkavität am Nächsten liegt)
ungefähr 1'' (ein Inch) beträgt, wenn die Elektroden 20 an
diesem Punkt des Etiketts vorbeigehen.
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Während
die Erfindung in Bezug auf die derzeit praktischste und am meisten
bevorzugte Ausführung beschrieben wurde, wird man verstehen,
dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungen beschränkt
ist, sondern dass sie zahlreichen Modifikationen und äquivalenten
Anordnungen umfassen soll, die innerhalb des Geistes und Bereichs
der Ansprü che liegen. In Bezug auf die obige Beschreibung sollte
man z. B. verstehen, dass die optimalen Beziehungen der Abmessungen
der Teile der Erfindung, einschließlich Abweichungen in
Größe, Material, Form, Funktion und Betriebsweise,
Anordnung und Verwendung für den Fachmann auf diesem Gebiet leicht
erkennbar sind und dass alle äquivalenten Beziehungen zu
den in den Figuren gezeigten und in der Beschreibung beschriebenen
von den folgenden Ansprüchen umfasst sein sollen. Die obige
Beschreibung dient als beispielhafte, nicht erschöpfende
Beschreibung der Grundlagen der Erfindung.
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Die
Zahlen oder Ausdrücke, welche sich auf Mengen der Bestandteile,
Reaktionsbedingungen, etc. beziehen und in der Beschreibung und
den Ansprüchen verwendet werden, sollen in jeden Fall unter
Einbeziehung des Begriffs „ungefähr” verstanden werden.
Die in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendeten
numerischen Parameter sind somit Näherungen, die abhängig
von den gewünschten Eigenschaften, welche die Erfindung
erzielen möchte, variieren können.
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Man
sollte auch verstehen, dass jeder numerische Bereich, der hier genannt
ist, alle darin enthaltenen Unterbereiche umfassen soll. Zum Beispiel
ein Bereich von „1 bis 10” soll alle Unterbereiche
zwischen und einschließlich dem genannten minimalen Wert
von 1 und dem genannten maximalen Wert von 10 umfassen; d. h. ein
minimaler Wert gleich oder größer als 1 und ein
maximaler Wert von gleich oder kleiner als 10. Da die offenbarten
numerischen Bereiche kontinuierlich sind, umfassen sie jeden Wert
zwischen dem minimalen und dem maximalen Wert. Außer hier
ausdrücklich anders gesagt, sind die verschiedenen in der
Anmeldung spezifizierten numerischen Bereiche Näherungen.
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Zusammenfassung
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Die
Offenbarung beschreibt den Einsatz von Elektrostatik für
das Etikettieren innerhalb einer Form, wobei ein Etikett an einem
Dorn oder Stempel angebracht wird, mit einem einer Achse definierenden
Körper, einem ersten Ende, einem entfernten Ende, einem
Satz Ionisierungselektroden, die um den Körper herum in
der Nähe des fernen Endes und in einer zu der Achse senkrechten
Ebene angebracht sind. Wenn der Dorn in einer Formkavität
positioniert ist, wird das Etikett freigegeben und eine variierende Spannung
wird an die Elektroden angelegt, um eine im Wesentlichen gleichmäßige
und ring-ähnliche Quelle eines Ionisierungsstroms zu bilden.
Der Ionisierungsstrom heftet das Etikett gegen die Form, während
der Stempel von der Form zurückgezogen wird, bis im Wesentlichen
das gesamte Etikett angeheftet ist. Der Ionisierungsstrom kann dann
abgeschaltet werden, und der Dorn kann entfernt werden, so dass
anschließend ein Gegenstand in dem Etikett ausgebildet
werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
-
- - US 60/930238 [0001]
- - US 3,062,496 [0007]
- - US 6,007,759 [0007]
- - US 2007/0042144 [0007]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Plastics Technology,
In-Mold Labeling, Electrostatics Are the Way to Go, Scott E. Shelton
(April 2004) [0007]