DE3017898A1 - Verfahren zum blitzlichtschmelzen von tonerbildern auf kopiensubstrate und vorrichtung zum fixieren von tonerbildern - Google Patents
Verfahren zum blitzlichtschmelzen von tonerbildern auf kopiensubstrate und vorrichtung zum fixieren von tonerbildernInfo
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Description
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Xerografie und betrifft insbesondere ein Verfahren zum Blitzlichtschmelzen
von Tonerbildern sowie eine Vorrichtung zum Fixieren von Tonerbildern auf Kopiensubstrate«
Bei der Xerografie wird ein optisches Bild einer zu kopierenden Vorlage im typischen Fall in Form eines latenten- elektrostatischen
Bildes auf ein lichtempfindliches Element aufgezeichnet,woraufhin
das latente Bild durch das Aufbringen von elektroskopen Markierungsteilchen sichtbar gemacht, die allgemein als Toner bezeichnet werden. Das sichtbare Tonerbild
kann entweder direkt auf dem lichtempfindlichen Element fixiert werden oder von dem Element auf einen anderen Träger,
beispielsweise auf ein ebenes Blatt Papier übertragen werden, woraufhin das Bild darauf in irgendeiner Weise, beispielsweise
durch die Anwendung von Wärme fixiert wird. ·
Um das elektrostatische Tonermaterial· nur durch Wärme auf einem Trägerelement zu fixieren oder auf ein Trägerelement
aufzuschmelzen, ist es notwendig, eine ausreichende Wärmemenge zur Verfügung zu stellen, um die Temperatur des Tonermaterials bis zu einer Stelle zu erhöhen, an der die einzelnen
Teilchen des Tonermaterials klebrig oder koaleszent werden. Das führt dazu, dass der Toner in gewissem Masse in die Fasern
oder Poren der Trägerelemente oder sonst auf deren Oberflächen fliesst. Während danach das Tonermaterial abkühlt, tritt eine
Verfestigung des Tonermaterials auf, so dass dieses fest mit dem Trägerelement verbunden ist. Sowohl bei der xerografisehen
sowie der elektrografischen Aufzeichnung ist die Verwendung von Wärmeenergie zum Fixieren der Tonerbilder auf ein Trägerelement,
beispielsweise auf ein Blatt Papier seit langem bekannt.
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Eine Möglichkeit der thermischen Fixierung der Tonerbilder besteht darin, das Tonerbild einer Xenonblitzlichtlampe
auszusetzen. Bei den ersten Versuchen eines derartigen Blitzlichtschmelzens wurde' eine einzige Xenonblitzlichtlampe verwandt,
um das gesamte Bild oder das gesamte Kopieblatt zu belichten. Es versteht sich, dass eine Hochspannungsquelle
erforderlich ist, um mit einem einzigen Lichtblitz ein Dokument der typischen Grosse 8 1/2 χ .11 zu fixieren. Im typischen
Fall wird der Lichtblitz dadurch bewirkt, dass ein Kondensator ausgelöst wird, der vorher zu diesem Zweck aufgeladen
wurde. Die Energieversorgung und der Speicherkondensator, die dazu erforderlich sind, sind somit mit hohen Kosten
verbunden und sehr gross.
Weitere Entwicklungen auf dem Gebiet des Blitzlichtschmelzens führten in Hinblick auf die obigen Ausführungen zu einem
Blitzlichtschmelzsystem, das so ausgebildet ist, dass nur die Hälfte des Bildes, beispielsweise eine halbe Kopieseite,
einem einzelnen Lichtblitz ausgesetzt wird, was dazu führt, dass zwei Lichtblitze verwandt werden, um das Schmelzen
des gesamten Bildes zu bewirken. Die für jeden Lichtblitz bei einem derartigen System erforderliche Energie ist ersichtlich
gleich der Hälfte der Gesamtenergie, die erforderlich ist, um das gesamte Bild mit einem einzelnen Lichtblitz zu schmelzen,
was zu einer Energieversorgung führt, die mit geringeren Kosten verbunden und kleiner ist.
Die jüngsten Bemühungen, die Grosse und die Kosten der Blitzlichtschmelzsysteme
weiter herabzusetzen, haben zu einer völlig neuen und anderen Methode des Blitzlichtschinelzen' geführt.
Die neue Methode des Blitzlichtschmelzens, die die Grundlage
der Erfindung bildet, nutzt den Vorteil der jüngst erkannten Tatsache aus, dass die Gesamtenergie, die erforderlich ist,
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um die Temperatur des Toners so zu erhöhen r dass dieser
dauerhaft auf dem Kopiensubstrat haftet, nicht auf einmal
auf den Toner gestrahlt werden muss, vorausgesetzt, dass die Gesamtstrahlung innerhalb eines vorbestimmten Zeitintervalls
erfolgt. D.h. m.a.W., dass es sich herausgestellt hat,
dass das Schmelzen bewirkt werden kann, während der Toner wiederholt einer Energiemenge ausgesetzt wird, die wesentlich
kleiner als die zum Schmelzen erforderliche Energiemenge ist, solange die aufeinanderfolgenden Energiemengen vorzugsweise
gleicher Grosse auf den Toner innerhalb des oben erwähnten
vorbestimmten Zeitintervalls gestrahlt, werden, wobei jede der aufeinanderfolgenden Energiemengen einem Lichtblitz
einer Xenonlampe entspricht.
Es hat sich herausgestellt, dass dann, wenn die aufeinanderfolgenden
Lichtblitze nahe genug aneinanderliegen, sich ein
Treppeneffekt insofern zeigt, als eine Restenergiemenge oder irgendein anderer physikalischer Parameter, oder eine
Kombination von Parametern vom Toner so erfahren werden, dass
mit jedem aufeinanderfolgenden Lichtblitz die Gesamtgrösse des Parameters oder der Kombination von Parametern, ansteigt,
bis nach einer ausreichenden Anzahl von Lichtblitzen sich
ein aufgeschmolzenes Bild ergibt.
Wenn beispielsweise .angenommen wird, dass die Temperatur der
einzige physikalische Parameter ist, der zu. dem Treppeneffekt
beiträgt, dann wird jeder Lich.tbli.tz teilweise, die ,Tonertemperatur
erhöhen und wird jeder nachfolgende Lichtblitz zu einem derartigen Zeitpunkt auftreten,, dass. der. Toner keine
Zeit hat,,sich merklich abzukühlen. In dieser Weise wird ein
Additionseffekt durch eine Vielzahl von Impulsen..erhalten, die auf denselben Flächenbereich des Bildes oder der Seite,
die das. Bild enthält., gestrahlt werden,, was zu. einem in zufriedenstellender
Weise aufgeschmolzenen Bild führt.
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Bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens wird
ein Kopieblatt an einer Xenonblitzlichtlampe vorbeibewegt, die mit einer Frequenz von beispielsweise 120 Hz gepulst wird.
Die Bewegung des Kopieblattes an der Blitzlichtlampe vorbei ist derart, dass jeder hinzukommende Flächenbereich des Bildes
oder des Blattes einer Vielzahl von Lichtblitzen, beispielsweise von etwa 25 Lichtblitzen ausgesetzt wird, wenn Bilder
geringer Dichte, beispielsweise mit einer optischen Dichte von 0,2 geschmolzen werden sollen. Der erste Lichtblitz erhöht
daher teilweise die Temperatur des hinzukommenden Flächenbereiches und der zweite Lichtblitz, der auftritt, bevor die
Temperatur auf die Umgebungstemperatur zurückkehren kann, erhöht die Temperatur des Toners weiter. Wenn der letzte Lichtblitz
auftritt, ist die Tonertemperatur bis auf einen Punkt erhöht, an dem die Koaleszenz auftritt. Das anschliessende
Abkühlen des Toners führt zu einem dauerhaft aufgeschmolzenen Bild.
Wie es beispielsweise aus der US-PS 3 871 761 zu entnehmen ist, wurde bisher ein Mehrfachblitzlichtsystem verwandt, um
Tonerbilder zu schmelzen. Eine derartige Vorrichtung legt jedoch nicht mehrfache Lichtblitze an die hinzukommenden Flächenbereiche
des Bildes auf dem Kopieblatt, das das Bild trägt.
Ein besonders bevorzugter Gedanke der Erfindung besteht in einer Blitzlichtschmelzvorrichtung zum Fixieren von Tonerbildern
auf Kopiensubstrate. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Energiequelle und eine Steuerung
für eine Blitzlichtlampe vorgesehen sind, die mehrfache Lichtblitze erzeugt, die an einem diskreten Teil eines Kopiensubstrates
liegen. Jeder einzelne Lichtblitz reicht nicht aus, um das Schmelzen der Tonerbilder zu bewirken, eine
vorbestimmte Anzahl von Lichtblitzen, die auf denselben diskreten Teil eines Kopiensubstrates fallen, wird jedoch eine Koaleszenz
des Toners bewirken, woraufhin eine Abkühlung des Toners er-
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folgt, die zu einer Fixierung des Bildes auf das Substrat führt.
Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert:
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen
BIitzlichtschmelzvorrichtung.
Fig. 2 zeigt in einem Schaltbild ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung zum Auslösen der Blitzlichtlampe.
In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen
Blitzlichtschmelzvorrichtung 10 darstellt. Die Blitzlichtschmelzvorrichtung
weist eine 35,5 cm gepulste Xenonbogenlampe 12 auf, die auf dem Markt von General Electric Company unter
der Bezeichnung PXA 45 erhältlich ist. Es kann auch eine
XOP-15 Lampe verwandt werden, die gleichfalls auf dem Markt
von Philips Company erhältlich ist. Diese Lampen sind insbesondere so ausgelegt, dass sie nur bei einem halben Zyklus
einer Wechselspannungsquelle aufblitzen, so dass dann, wenn
sie mit der Standardfrequenz von 60 Hz betrieben werden,
die Anzahl der Lichtblitze pro Sekunde gleich 120 ist.
Eine Energieversorgungs- und Blitzlichtlampenauslöseschältung,
die in Fig. 1 in Form eines Blockes 14 dargestellt ist, ist auf dem Markt von der Chadwick-Helmuth Company, unter
der Bezeichnung PX 1500 erhältlich.
Ein Reflektor 16 ist dazu vorgesehen, die von der Lampe austretende
Strahlungsenergie auf ein Tonerbild oder Bilder 18 zu reflektieren, das bzw. die von einem Trägerelement 20 getragen
wird bzw. werden. Das Trägerelement 20 kann beispielsweise ein ebenes Blatt Papier sein. Andere geeignete Substrate
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können celluloseacetat- und papierartige Zusammensetzungen haben. Es versteht sich, dass die Energie von der Lampe
mehrmals auf den Reflektor fallen kann, bevor sie auf die Tonerbilder trifft. Um die Reflexionseigenschaften des
Reflektors zu erhöhen, ist dessen Innenfläche hoch verspiegelt. Obwohl der Reflektor verschiedene Formen haben kann,
hat ein bevorzugter Reflektor einen facettenartigen Aufbau, beispielsweise mit fünf Facetten. Wie es in Fig. 1 dargestellt
ist, approximiert seine reflektierende Fläche das Reflexionsmuster eines parabolischen Reflektors, so dass der Reflektor
wirksam die Strahlungsenergie über dem offenen Ende oder der Öffnung des Reflektors sammelt. Bei einem in der Praxis arbeitenden
Ausführungsbeispiel der Schmelzvorrichtung hatte die Reflektoröffnung eine Abmessung von 2,5 cm in Bewegungsrichtung
des Kopieblattes und eine Abmessung in Längenrichtung, die wenigstens grosser als die Querabmessung des
Kopieblattes war und beispielsweise 38,1 cm bei einem Kopieblatt von 27,9 bis 35,5 cm betrug, wobei das Kopieblatt
längs seiner Breite an der Blitzlichtlampe vorbeitransportiert wurde. Wenn das offene Ende des Reflektors eine Abmessung
in Querrichtung von 2,5 cm hat, hat der Reflektor eine maximale Höhe von 2,5 cm und hat die Lampe einen Aussendurchmesser
von 10,1 cm oder weniger. Der Lampenkolben ist auf einer Höhe von 0,5. cm über dem Kopiensubstrat gehalten.
Eine Grundplatte 22 mit geringer Masse trägt das Trägerelement 20, während dieses an der Lampe 12 vorbeibewegt wird. Einlassund
Auslassförderbänder 24 und 26 dienen dazu, das Trägerelement durch die Schmelzvorrichtung 10 zu transportieren, wobei
die zu schmelzenden Tonerbilder der Lampe gegenüberliegen und die bildfreie Seite im Falle des einseitigen Kopierens
mit der Grundplatte 22 in Berührung steht. Die Grundplatte hat eine Stärke von 0,05 ' cm, eine Länge von 38,1 cm und eine
Breite von 2,5 cm. Die obere Aussenflache der Grundplatte,
die vorzugsweise aus Aluminium besteht, ist eloxiert, um
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eine schwarze Fläche zu liefern. Ein 0,95 cm starkes Isolierstück
27 ist an der Unterseite der Grundplatte vorgesehen, um die thermischen Verluste so. klein wie möglich zu halten.
Obwohl die oben erwähnte Chadwick-Helmuth-Schaltung zum Auslösen
der Blitzlichtlampe verwandt wurde, lässt sich die vorliegende Erfindung in einfacher Weise an einem vereinfachten
elektrischen Schaltbild darstellen, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Die in Fig. 2 dargestellte Schaltung 28 weist
zwei Kondensatoren 30, die parallel zur Blitzlichtlampe 12
über einen zyklisch betätigten Schalter 23 geschaltet sind, und zwei Drosselspulen 34 auf, die in Reihe zu den Kondensatoren 30 geschaltet sind. Jeder Kondensator hat eine Kapazität
von 47 μΡ' und jede Drosselspule hat eine Induktivität
von 44 mH. Die Schaltung wird mit 240 V Wechselspannung versorgt, die von einem Autotransformator geliefert wird,
der mit einer herkömmlichen 110V WechselSpannungsquelle verbunden
ist. Der Schaltung stellt eine 15 kV Trigger-Schaltung und 60 Hz Halbzykluszeitsteuerschaltung dar.
Wenn die Lampe 12 mit einer Eingangsleistung, von 2250 W
und in der Vorrichtung mit dem in Fig. 1 dargestellten Aufbau betrieben wird, und die Kopiensubstrate mit einer Geschwindigkeit
von 12,7 cm pro Sekunde (30 Kopien pro Minute; bewegt werden, wird eine zufriedenstellende Fixierung bei
einer Lichtblitzfrequenz von 120 Lichtblitzen pro Sekunde erhalten. Das entspricht 25 Lichtblitzen pro diskretem Tonerflächenbereich.
Es wurde auch andere Reflektorformen verwandt. Beispielsweise
wurde ein Fünf-Facetten-Reflektor verwandt, dessen reflektierende Fläche das Reflexionsmuster eines elliptischen Reflektors
approximiert. Alle anderen Arbeitsparameter waren dieselben wie bei der parabolischen Annäherung.
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Es wurde auch eine Halbkreisform mit einer Höhe von 2,5 cm
und einer öffnungsbreite von 5,1 cm verwandt, bei der
der Reflektor aus Pyrexglas bestand, das mit einer Spiegelfläche aus Aluminium an der Innenfläche beschichtet wurde.
Ein 0,95 cm starkes Isoliermaterial, wie beispielsweise Fiberfrax, eine Handelsbezeichnung der Carborundum Co., wurde
auf der Aussenflache des Reflektors vorgesehen. Die Grundplatte
bestand aus einer 0,05 cm χ 38,1 cm χ 5 cm grossen Aluminiumlichtplatte mit einer Alzak-Verspiegelung an der oberen Aussenflache
, die sandstrahlbearbeitet war. Die Unterseite der Grundplatte war mit einer 0,95 cm starken Fiberfrax- Isolierschicht
versehen.Es wurde· 'eine ausgezeichnete Fixierung bei einer Kopiensubstratgeschwindigkeit
von 21,1 cm pro Sekunde (50 Kopien pro Minute) erhalten, was 30 Lichtblitzen pro Tonerflächenbereich
entspricht. .Die Leistung der Lampe, ihre Position relativ zum Kopiensubstrat und der Lampenaussendurchmesser waren die
gleichen wie bei den vorhergehenden Beispielen.
Der halbkreisförmige Reflektor wurde auch bei einem Ausführungsbeispiel verwandt, bei dem die Lampenleistung 750 W betrugt
und der Lampenaussendurchmesser 0,1 cm oder weniger betrug, wobei der Lampenkolben 0,5 cm über dem Kopiensubstrat angeordnet
war. Eine ausgezeichnete Fixierung wurde bei einer Kopiengeschwindigkeit von 8,6 cm pro Sekunde (20 Kopien pro
Minute) erhalten, wenn das Tastverhältnis der Lampe 60 % beträgt, was 24 Lichtblitze pro Tonerflächenbereich zur Folge
hat.
Eine weitere Reflektorform wurde verwandt, die neun Facetten
in parabolischer Approximation aufwies. Sowohl die Grundplatte als,auch der Reflektor waren mit einer verspiegelten Fläche
versehen und jeweils thermisch durch ein 0,95 cm starkes Fiberfrax-Isolierstück isoliert. Bei einer Lampenleistung von
2250 W wurde eine ausgezeichnete Fixierung bei Kopiengeschwindigkeiten bis zu 15,2 cm pro Sekunde (35 Kopien pro
Minute) bei 40 Lichtblitzen pro Tonerflächenbereich erhalten.
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Die folgenden typischen Toner wurden in zufriedenstellender Weise durch die dargestellten Schmelzvorrichtungen aufgeschmolzen:
Spar II Toner wie er in der US-PS 3 590 00 0 beschrieben wird,
Spar II Toner mit einem Zusatz wie Zink-Stearat oder submikroskopischen
pyrozenischem Silicon, hergestellt bei 11000C,
Flak, einem Copolymerisat aus Styren und n-Butylmethacrylat
in einem bevorzugten Gewichtsverhältnis von 65 zu 35, wobei
dieses Copolymerisat mit Ofenruss statt des herkömmlichen Gasrusses gemischt ist,
ein Copolymerisat aus 58 % Styren und 42 % n-Buty!methacrylate
ein Terpolymerisat aus Styren, Methylmethacrylat und Äthylhexylmethacrylat,
ein magnetischer Toner aus 65 Gew.-% Mapico Black (Fe3O.),
35 Gew.-% Emerez 1552, ein Polyamidharz, das auf dem Markt
von Emery Industries erhältlich, und aus 0,5 Gew.-% auf der Basis des Polymerisats Donator-Silanox auf saurer Basis, ein
Material,das ähnlich dem oben erwähnten Siliconmaterial ist,
ein magnetischer.Toner aus 65 Gew.-% Mapico Black (Fe3O4),
35 Gew.-% Hexomethylsebacat, 0,5 Gew.-% Silanox und 3,5 Gew.-%
CaCO3 auf Polymerisatbasis,
ein magnetischer Toner aus 65 Gew^-% Mapico Black (Fe3O4),
35 Gew.-% Spar-II und 0,4 Gew.-% Silanox auf Polymerisatbasis,
ein magnetischer Toner aus 65 Gew.-% Carbonyl Fe, 35 Gew.-% Flak und 0,4 Gew.-% Silanox auf Polymerisatbasis.
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Claims (8)
1. Verfahren zum Blitzlichtschmelzen von Tonerbildern auf
Kopiensubstrate, dadurch gekennzeichnet , dass eine Blitzlichtlampe mehrmals ausgelöst wird, wobei jeder
Lichtblitz der Lampe nicht ausreicht, um ein Zusammenfliessen
des Toners zu bewirken, aus dem die Bilder bestehen, und dass ein Kopiensubstrat relativ zur Blitzlichtlampe mit einer Geschwindigkeit
bewegt wird, die es erlaubt, dass mehrere Lichtblitze von der Blitzlichtlampe auf einen diskreten Teil des
Kopiensubstrates auftreffen, wobei die Anzahl der Lichtblitze
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ausreicht, vim ein. Zusammenf Hessen des Toners zu bewirken,
aus dem die Bilder bestehen. . ,
2. Vorrichtung zum Fixieren von Tonerbildern, indem der
Toner einer Strahlungsenergie ausgesetzt wird, g e. k e η η ζ
eichnet durch eine Blitzlichtlampe (12), eine Einrichtung (14). zum mehrmaligen Auslösen der Blitzlichtlampe
(12), wobei jeder Lichtblitz nicht ausreicht, um ein Zusammenf Hessen des Toners zu bewirken, aus dem die Bilder
bestehen, durch eine Einrichtung (24, 26), die eine Relativbewegung zwischen der Blitzlichtlampe (12) und einem Substrat
bewirkt, das die-Tonerbilder (18) trägt, wobei die Bewegung ..,.,
mit einer Geschwindigkeit erfolgt, die es erlaubt, dass ein diskreter Teil des Kopiensubstrates (20) so oft bestrahlt . :. .
wird, dass es ausreicht, ein Zusammenfliessen des Toners zu bewirken, aus dem die Bilder bestehen, durch eine Einrichtung
(22), die das Substrat.(20) während der Bewegung trägt,
und durch einen Reflektor (16) , der die Strahlung,von; der
Blitzlichtlampe (12) auf das Substrat (20) und die Bilder (18.) fokussiert r wobei-die Blitzlichtlampe (12) zwischen dem ■-■
Reflektor (16) und der Einrichtung·(22) angeordnet.ist, die.
das Substrat (20) trägt. . ;.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2 ,■ dadurch gekennzeichnet , dass der Reflektor (16) eine Halbkreisfprm
hat.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass der Reflektor (16) fünf Facetten mit
einer Reflexionsfläche aufweist, die dem Reflexionsmuster
eines elliptischen Reflektors nahekommt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , dass Wärmeisolationsmaterial· (27) unter der
Einrichtung (22), die das Substrat (20) trägt, und hinter dem Reflektor (16) vorgesehen ist, um die Wärmeverluste so
gering wie möglich zu halten.
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6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (14) zur Energieversorgung
der Blitzlichtlampe (12) zwei Kondensatoren (30), die parallel zur Blitzlichtlampe (12) über einen zyklisch betätigten
Schalter (32) geschaltet sind, und zwei Drosselspulen (34) aufweist, die in Reihe zu den Kondensatoren (30)
geschaltet sind und einen Teil eines Autotransformators bilden.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , dass das offene Ende des Reflektors (16)
eine Abmessung in Querrichtung von etwa 2,5 cm und eine maximale Höhe von etwa 2,5 cm aufweist, und dass die Lampe
(12) einen Aussendurchmesser von etwa 1,0 cm oder weniger
aufweist, wobei der Lampenkolben um etwa 0,5 cm über dem Kopiensubstrat (20) gehalten ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , dass der Reflektor (16) eine Höhe von
etwa 2,5 cm und eine Öffnung von etwa 5 cm aufweist, und dass die Blitzlichtlampe (12) einen Aussendurchmesser von etwa
1,0 cm hat und um etwa 0,5 cm über dem Kopiensubstrat (20) gehalten ist.
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