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Elektrischer Vielschichtkondensator und Verfahren zu
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seiner Herstellung Die Erfindung betrifft einen elektrischen Vielschichtkondensator,
der aus einem keramisch hergestellten gesinterten, monolithischen Block besteht,
der aus einer Vielzahl von aus Keramikmaterial bestehenden Dielektrikumslagen zusammengesetzt
ist, zwischen denen Metallschichten, insbesondere aus Palladium, Platin oder Palladium
zusammen mit Silber Pd/Ag, angeordnet sind, die als Kondensatorbelegungen dienen,
abwechselnd von Dielektrikumslage zu Dielektrikumslage bis zu unterschiedlichen
Seitenteilen der Oberfläche des monolithischen Blockes reichen und zu den anderen
Seitenteilen Isolationsflächen freilassen, und bei dem die Metallschichten an den
unterschiedlichen Seitenteilen durch dort aufgetragene weitere Metallschichten elektrisch
miteinander verbunden sind, an denen auch äußere Stromzuführungselemente befestigt
sein können.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines
solchen elektrischen Vielschichtkondensators, das folgende Verfahrensschritte umfaßt:
a) Herstellen einer Keramik folie, indem eine Suspension aus fein zerteiltem Keramikmaterial
und mit organischem Lösungsmittel versetztem Binder aus organischem Kunststoff über
Walzen zu Folien gezogen und getrocknet wird (Folienziehverfahren), b) Aufteilen
der getrockneten Folie in rechteckige Folienplatten in einer Größe, die ein Vielfaches
der Querschnittsfläche des späteren Kondensators beträgt,
c) Bedrucken
der Folienplatten mit einem Muster aus einer der Zahl der daraus herzustellenden
Kondensatoren entsprechenden Anzahl von rechteckigen Flecken aus dem Metall der
Kondensatorbelegungen, indem im Siebdruckverfahren eine Paste aus Metallpartikeln,
einem organischen Binder und einem organischen Lösungsmittel aufgetragen wird, wobei
abwechselnd von Folienplatte zu Folienplatte das Muster geringfügig so versetzt
ist, daß beim Zertrennen im Verfahrensschritt f) die Metallflecken abwechselnd zu
verschiedenen Seitenflächen der Oberfläche des monolithischen Blockes reichen, d)
Trocknen der Siebdruckpaste der Metallflecken bis zu einer geringen Rest feuchte,
e) Bilden eines Stapels aus den Folienplatten durch Zentrieren und Übereinanderschichten
derselben und gegebenenfalls nachfolgendes Verfestigen des Stapels mittels Druckstempeln,
f) Zerteilen des verfestigten Stapels in einzelne Rohkondensatoren, g) Sintern der
Rohkondensatoren zur Erzeugung der monolithischen Blöcke, h) Aufbringen von Metallschichten
auf die unterschiedlichen Teile der Oberflächen des monolithischen Blockes zur elektrischen
Kontaktierung der Kondensatorbelegungen, Endprüfung und Fertigstellung des Vielschichtkondensators.
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Elektrische Vielschichtkondensatoren der eingangs angegebenen Art
sind beispielsweise in der US-PS 3 740 624 beschrieben, aber auch aus vielen anderen
Literaturstellen hinreichend bekannt, so daß sich ein weiterer Nachweis hierfür
erübrigt.
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Auch das angegebene Verfahren zur Herstellung solcher elektrischer
Vielschichtkondensatoren ist hinreichend bekannt und beispielsweise in der genannten
US-PS 3 740 624 oder auch in der DE-PS 12 82 119 beschrieben.
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Dadurch, daß bei den bekannten Vielschichtkondensatoren aus Isolationsgründen
die Metallschichten zwischen den dielektrischen Schichten, mit Ausnahme an der jeweiligen
Verschaltungsseite an der Oberfläche, nicht bis zum äußeren Rand des monolithischen
Blockes reichen, treten eine Reihe von Schwierigkeiten auf.
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Das bei dem bekannten Verfahren zwangsläufig anzuwendende Pressen
der Stapel aus den Folieplatten geschieht in der Regel zwischen planen Preßstempeln
bei ca. 40-180'. Dabei stellt sich zwar ein Ausgleich in der Höhe, jedoch nicht
in der Dichte innerhalb des Körpers ein. Beim Sintern der Rohkondensatoren schrumpft
daher die Randzone stärker als die Mitte. Dadurch treten Risse vorzugsweise an den
Längsseiten der gesinterten monolithischen Blöcke auf. Die Häufigkeit der Risse
ist stark streuend, da darauf nicht nur die Größe der Dichteunterschiede, sondern
auch die Sinterführung von Einfluß ist.
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Die nach dem keramischen Sinterprozeß resultierenden monolithischen
Blöcke weisen somit Risse und/oder Bereiche erhöhter Porosität zwischen den Metallschichten
und dem Kondensatorrand bzw. in der gesamten Isolationszone auf, so daß der monolithische
Block in seiner elektrischen Funktion zumindest beeinträchtigt ist oder beim elektrischen
Verbinden der alternierend angeordneten Metallschichten infolge Eindringens des
Kontaktierungsmetalls in die Risse oder Poren Isolationsfehler entstehen, die den
Kondensator unbrauchbar machen.
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Das Herstellungsverfahren, auf das die oben angegebenen Schwierigkeiten
zu einem großen Teil zurückzuführen sind, führt ferner dazu, daß bereits beim Verfestigen
der Stapel aus den einzelnen Folienplatten Verspannungen auftreten, so daß mitunter
schon an dieser Stelle die Weiterverarbeitung unterbrochen werden muß.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen
Vielschichtkondensator zu schaffen und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben,
die eine homogene Dichteverteilung im gesamten monolithischen Block und damit eine
gleichmäßige Dicke über seine gesamte Ausdehnung gewährleisten, so daß die genannten
Mängel nicht auftreten.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist der elektrische Vielschichtkondensator
der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrikumslagen
aus Keramikmaterial im monolithischen Block aus im Folienziehverfahren hergestellten
Schichten und aus im Siebdruckverfahren hergestellten Schichten zusammengesetzt
sind und daß die im Siebdruckverfahren hergestellten Schichten auch den Raum oberhalb
der Isolationsflächen zwischen den Metallschichten und den jeweiligen Seitenteilen
der Oberfläche des monolithischen Blockes derart ausfüllen, daß die Dicke des monolithischen
Blockes, gemessen senkrecht zu den Kondensatorbelegungen, über seine gesamte Ausdehnung
gleich ist.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die im Folienziehverfahren und
die im Siebdruckverfahren hergestellten Schichten der Dielektrikumslagen aus dem
gleichen Keramikmaterial bestehen, weil dann keine unterschiedlichen dielektrischen
Eigenschaften der Dielektrikumslagen resultieren.
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Der angegebene Aufbau der Dielektrikumslagen im keramisch hergestellten
monolithischen Block ist durch Feinstrukturanalysen mittels Mikroskop mit großem
Auflösungsvermögen nachweisbar.
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Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist ferner
das eingangs angegebene Verfahren erfindungsgemäß gekennzeichnet durch den zusätzlichen
Verfahrensschritt dl) Auftragen einer zusätzlichen Schicht auf jede der Folienplatten,
die aus einer siebdruckfähigen Paste aus feinzerteiltem Keramikmaterial, organischem
Bindemittel und organischem Lösungsmittel besteht und sowohl die Metallflecken,
als auch die von Metall freien Bereiche zwischen den Metallflecken bedeckt und damit
eine ebene Oberfläche ergibt, wobei gegebenenfalls eine Trocknung der zusätzlichen
Schicht bis zu einer geringen Restfeuchte erfolgt.
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Vorzugsweise wird für die Herstellung der Keramikfolien gemäß Schritt
a) und für die Keramiksiebdruckpaste des Verfahrensschrittes dl) das gleiche Keramikmaterial
verwendet.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn das organische Bindemittel der Keramikfolie
(Verfahrensschritt a)) im organischen Lösungsmittel der Metallsiebdruckpaste (Verfahrenschritt
c)) nicht oder nur schwer löslich, im organischen Lösungsmittel der Keramiksiebdruckpaste
(Verfarensschritt dl)) jedoch gut löslich ist und wenn das organische Bindemittel
der Metallsiebdruckpaste (Verfahrensschritt c)) im organischen Lösungsmittel der
Keramiksiebdruckpaste (Verfahrensschritt dl)) nicht oder nur schwer löslich ist.
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Als organisches Bindemittel für die Metallsiebdruckpaste ist vorzugsweise
Äthylcellulose zu verwenden, während für die Keramikpaste und auch für die Herstellung
der Keramikfolie als organisches Bindemittel vorzugsweise Acrylsäureesther zu verwenden
sind.
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Auch bei den bekannten elektrischen Vielschichtkondensatoren wurden
zu deren Herstellung Metallsiebdruckpasten mit organischem Lösungsmittel und organischem
Bindemittel verwendet. Ebenso wurden bei der Herstellung der Keramikfolien organische
Lösungsmittel und organische Bindemittel verwendet.
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Die bei den bekannten Verfahren zur Herstellung elektrischer Vielschichtkondensatoren
verwendeten organischen Materialien können auch bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt
werden, wobei vorzugsweise die angegebenen gegenseitigen Löslichkeiten bei der Auswahl
der organischen Materialien berücksichtigt werden sollten.
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Während das organische Lösungsmittel bereits beim Trocknungsvorgang
zu einem großen Teil aus den Keramikplatten und aus den Metallflecken ausgetrieben
wird, werden die organischen Bindemittel erst während der Aufheizperiode für den
keramischen Sinterprozeß zersetzt und aus dem Körper ausgetrieben. Dadurch und auch
durch die Brennschwingung des Keramikmaterials selbst tritt eine Gesamtschwindung
auf, die zu einer Verringerung der Abmessungen vom Rohkondensator zum fertigen monolithischen
Block führt. Man hat die dennoch verbleibenden Unregelmäßigkeiten wegen der nicht
ausgefüllten Räume oberhalb der Isolationszonen und die daraus resultierenden oben
beschriebenen Nachteile in Kauf genommen und mit relativ hohen Ausschußraten gearbeitet.
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Auch beim keramischen Sinterprozeß zur Herstellung der monolithischen
Blöcke der elektrischen Vielschichtkondensatoren nach der vorliegenden Erfindung
treten diese Brennschwindungseffekte auf, jedoch resultiert dennoch ein über seine
gesamte Ausdehnung gleichmäßig dicker monolithischer Block, so daß eine erhebliche
Verringerung der Ausschußrate und verbesserte Vielschichtkondensatoren erreicht
werden.
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Die beim Verfahren der vorliegenden Erfindung einsetzbaren Keramikfolien
haben eine Dicke von 10 bis 25 um, die als Kondensatorbelegungen dienenden Metallschichten
sind in ihrer endgültigen Form zwischen 1 und 5 pm dick.
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Bei den elektrischen Vielschichtkondensatoren nach der vorliegende
Erfindung bestehen praktisch kaum noch Dichteunterschiede im monolithischen Block.
Ferner kann gegebenenfalls auf das Pressen der Stapel aus den Folienplatten verzichtet
werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren, die
aus Gründen der Übersicht grob und schematisch dargestellt sind, wobei die Dickenunterschiede
von der Wirklichkeit erheblich abweichen, erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 einen elektrischen Vielschichtkondensator nach der
Erfindung im Seitenschnitt, Fig. 2 zwei zu stapelnde Folienplatten nach dem Bedrucken
mit den Metallflecken, Fig. 3 einen Folienstapel vor dem Zerteilen in die Einzelkondensatoren
und die
Figuren 4a und 4b den Ablauf des Verfahrens der vorliegenden
Erfindung.
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In Fig. 1 sind mit den Bezugszeichen 1 bis 6 die einzelnen Einheiten
des monolithischen Blockes 7 bezeichnet, die aus dem Herstellungsverfahren resultieren.
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Mit den Bezugszeichen 8 bis 12 sind die Dielektrikumslagen bezeichnet,
die jeweils aus einer im Folienziehverfahren hergestellten Schicht 13 und einer
im Siebdruckverfahren hergestellten Schicht 14 bestehen.
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Unmittelbar auf den Schichten 13 sind die als Kondensatorbelegungen
dienenden Metallschichten 15 und 16 aufgetragen. Die Metallschichten 15 reichen
zum Seitenteil 17 der Oberfläche des monolithischen Blockes 7 und sind dort durch
die Metallschicht 19 miteinander elektrisch verbunden. Die Metallschichten 16 reichen
zum Seitenteil 18 der Oberfläche des monolithischen Blockes 7 und sind dort durch
die Metallschicht 20 elektrisch miteinander verbunden.
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An den Metallschichten 19 und 20 können äußere Stromzuführungselemente
21 und 22 beispielsweise mittels eines Lotauftrages 23 befestigt sein. Der Vielschichtkondensator
ist aber auch als Chip einsetzbar, wenn die äußeren Stromzuführungselemente dementsprechend
und wie an sich bekannt ausgebildet sind.
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In Fig. 2 sind, gewissermaßen als Ausschnitt, zwei Folienplatten 24
und 25 dargestellt. In dieser Form liegen die Folienplatten nach dem Bedrucken mit
rechteckigen Metallflecken (Verfahrensschritt c) vor.
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Auf der oberen Folienplatte 24 sind zur Übereinstimmung mit Fig. 1
die Metallflecken mit 15 bezeichnet, während auf der unteren Folienplatte 25 diese
Metallflecken mit 16 bezeichnet sind.
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Entsprechend der gewünschten Kapazität des herzustellenden elektrischen
Vielschichtkondensators ist, neben der Größe der sich überlappenden Metallflecken,
die Anzahl der zu stapelnden Folienplatten zu wählen. Die Rohkondensatoren entstehen,
wenn der aus mehreren Folienplatten 24 und 25 zusammengefügte Stapel längs den Trennlinien
26 und 27 aufgeteilt wird. Im vorliegenden Fall würden somit zehn Rohkondensatoren
entstehen, in denen die Metallflecken 15 bzw. 16 zu unterschiedlichen Seitenteilen
der Oberfläche reichen, sich aber auch zu einem erheblichen Flächenteil überlappen.
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Wie oben bereits ausgeführt wurde, sind die Verfahrensschritte a)
bis h) bekannt und werden in dieser Form auch bei dem Verfahren der vorliegenden
Erfindung eingesetzt.
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Fig. 3 zeigt den Unterschied der vorliegenden Erfindung gegenüber
dem bekannten Verfahren.
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Der aus im vorliegenden Fall sechs bedruckten Folienplatten zusammengesetzte
Stapel 28 zeigt, wiederum in Anlehnung an Fig. 1, die mit den Bezugszeichen 1 bis
6 bezeichneten Einheiten. Jede dieser Einheiten besteht aus einer Keramikfolienplatte
29, den darauf im Siebdruckverfahren aufgedruckten Metallschichten 16 bzw. 15 und
einer darauf aufgebrachten Keramiksiebdruckschicht 30. Diese Keramiksiebdruckschicht
30 bedeckt nicht nur die Ober-
flächen der Metallschichten 15 bzw.
16, sondern auch die von Metall freien Bereiche 31 zwischen den Metallflecken 15
bzw. 16. Dadurch wird im fertigen monolithischen Block der Raum 32 (s. Fig. 1) oberhalb
der Isolationsflächen 33 zwischen den Metallschichten 15 bzw. 16 und den Seitenteilen
17 bzw. 18 der Oberfläche des monolithischen Blockes (7) ausgefüllt, wie dies in
Fig. 1 an einigen Stellen vermerkt ist.
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Es sei erwähnt, das es vorteilhaft ist, den monolithischen Block gemäß
Fig. 1 oben durch eine Keramikschicht 34 abzudecken. Diese Keramikschicht 34 ist,
wie in Fig, 3 gezeigt ist, aus der Keramikfolie 35 entstanden. Auf diese Keramik
folie 35 ist ein aus Längs- und Querstegen 36 und 37 bestehendes Gitter aufgetragen,
das bei der Zerteilung des Stapels aus den Folienplatten als Informationsraster
für die anzubringenden Trennschnitte dient.
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Der Ablauf des Verfahrens gemaß der Erfindung wird anhand der Fig.
4a und 4b erläutert, wobei die Fig. 4b unmittelbar an das rechte Ende der Fig. 4a
anschließend zu denken ist.
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Bei der Station 38 werden die unbedruckten Keramikfolienplatten 29
auf ein in der Fig. nicht gezeigtes Transportband aufgelegt. Bei der Station 39
wird auf jede Keramikfolienplatte 29 die später als obere Keramikfolienplatte 35
den Stapel oberhalb abschließen soll, das der Schnittinformation dienende, aus den
Längs- und Querstegen 36 und 37 bestehende Raster aufgedruckt. Auch bei diesem Vorgang
wird das Siebdruckverfahren eingesetzt.
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Auf den Keramikfolienplatten 29, die später Teil der Dielektrikumslagen
sein sollen, wird bei der Station 40 das Muster aus Metallflecken aufgedruckt.
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Bei der Station 41 erfolgt eine besonders weitgehende Trocknung der
bisher aufgedruckten Teile auf den Keramikfolienplatten 29 bzw. 35.
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An der Station 42 erfolgt nunmehr der erfindungswesentliche Verfahrensschritt
dl), indem die Keramik-Siebdruckschicht 30 hergestellt wird, wie dies bei Fig. 3
erläutert ist.
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An der Station 43 erfolgt eine weitere Trocknung, bei der die Keramik-Siebdruckschicht
30 ebenfalls bis zu einer extrem geringen Restfeuchte getrocknet wird.
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Schließlich wird bei der Station 44 der Stapel aus den bedruckten
Folienplatten erzeugt, indem unter eine mit dem Informationsschnittraster versehene
Keramikfolienplatte 35 die gewünschte Zahl von Keramikfolienplatten 24 bzw. 25 geschichtet
wird. Der Stapelvorgang kann auch mit der Stapelung der Keramikfolienplatten 24
bzw. 25 beginnen, wobei die Keramikfolienplatte 35 als letzte aufgelegt wird.
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Eventuell wird bei diesem Stapelvorgang Hitze angewendet, und gegebenenfalls
kann der Stapel nachher zwischen zwei flachen Stempelplatten gepreßt werden.
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Die weitere Verarbeitung des Stapels 28 ist hier nicht mehr gezeigt,
weil diese Vorgänge nach dem an sich bekannten Verfahren erfolgen.
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Es versteht sich von selbst, daß die nach der Sinterung der Rohkondensatoren
fertiggestellten monolithischen Blöcke mit den Metallschichten 19 und 20 versehen
und die dann vorliegenden elektrischen Vielschichtkondensatoren geprüft und wie
üblich fertiggestellt werden.
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1 Bezugszeichenliste 5 Patentansprüche 4 Figuren 1 Zusammenfassung
Bezugszeichenliste
1 bis 6 Einheiten des Herstellungsverfahrens, 7 monolithischer Block 8 bis 12 Dielektrikumslagen
13 Keramikschicht , im Folienziehverfahren hergestellt 14 Keramikschicht, im Siebdruckverfahren
hergestellt 15 Metallschicht 16 Metallschicht 17 Seitenteil der Oberfläche des monolithischen
Blockes 7 18 Seitenteil der Oberfläche des monolithischen Blockes 7 19 Metallschicht
auf dem Seitenteil 17 20 Metallschicht auf dem Seitenteil 18 21 äußeres Stromzuführungselement
22 äußeres Stromzuführungselement 23 Lotauftrag 24 Folienplatte, bedruckt mit Metallschichten
15 25 Folienplatte, bedruckt mit Metallschichten 16 26 Trennlinie 27 Trennlinie
28 Stapel aus bedruckten Folienplatten 24 bzw. 25 29 Keramikfolienplatten 30 Keramik-Siebdruckschicht
31 von Metall freie Bereiche zwischen den Metallflecken 15 bzw. 16 32 Raum oberhalb
der Isolatiosfläche 33 33 Isolationsfläche 34 Keramikschicht als Abdeckung 35 Keramikfolienplatten
36 Längsstege 37 Querstege 38 Station zum Auflegen der Keramikfolien
39
Station zum Aufdrucken des Schnittinformationsrasters 40 Station zum Siebdrucken
des Metallfleckmusters 41 Trockenstation 42 Station zum Siebdrucken der Keramik-Siebdruckschicht
30 43 Trockenstation 44 Station zum Herstellen der Stapel 28
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