DE3818341A1 - Kunststoff-halbspiegel - Google Patents

Kunststoff-halbspiegel

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Description

Die Erfindung betrifft einen Kunststoff-Halbspiegel nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bisher wurden derartige Halbspiegel beispielsweise durch Aufbringen einer TiO₂- oder SiO₂-Schicht mittels eines Elektronenkanonenprozesses auf einem erhitzten Glassubstrat im Vakuum hergestellt.
Neuerdings werden anstelle von Glas häufig auch Kunststoffe als Material für optische Teile wie Linsen und dergleichen verwendet, weil sie leicht sind und einfach verarbeitet werden können. Die optischen Teile, die aus Kunststoff hergestellt sind, können jedoch wegen ihrer weichen Oberfläche leicht beschädigt werden, so daß es erforderlich ist, eine Schutzfilmschicht auf der Oberfläche des optischen Teils aufzutragen. Ein besonders optisches Teil ist der Halbspiegel, der dadurch hergestellt wird, daß eine halbdurchlässige und reflektierende Filmschicht auf der Oberfläche eines aus Kunststoff bestehenden Substrats aufgebracht wird; ein solcher Halbspiegel wird in Kameras, Spektrometern, Lichtinterferenzfilmdruckmeßgeräten und dergleichen eingesetzt. In diesem Fall ist es notwendig, einen reflexionsverhindernden Film, einen reflexionssteigernden Film, einen halbdurchlässigen Film oder dergleichen auf der Oberfläche des Halbspiegels aufzubringen.
Diese Filme werden im allgemeinen mittels eines Vakuum-Niederschlagprozesses aufgebracht. Besteht jedoch das Substrat aus Kunststoff, so ist es unmöglich, den Film auf dem Substrat durch verstärktes Aufheizen des Substrats aufzubringen, wie es beim Glas-Substrat der Fall ist, weil sich das Kunststoff-Substrat bei einer derartigen Aufheizung zersetzt und auflöst. Soll das Kunststoff-Substrat ohne Aufheizen beschichtet werden, so treten bei dem so erzeugten Film nach der Aufbringung Mikrobrüche auf, weil ein großer Teil des Niederschlagsmaterials, das für Glas verwendet wird, dielektrische Substanzen sind, die beim Erhitzen Oxide, Fluoride und dergleichen bilden. Die Entstehung solcher Mikrobrüche ist besonders bei Acrylharzen oder dergleichen beachtlich, die beim Einspritzgießen verwendet werden. Aber selbst wenn in dem niedergeschlagenen Film abnormale Erscheinungen nicht zu erkennen sind, entstehen Mikrobrüche während des thermischen Schocktests der optischen Teile nach dem Niederschlag. Insbesondere dann, wenn ein TiO₂-Film auf dem Substrat aufgebracht werden soll, wird der Kunststoff bei einer längeren Vakuum- Beschichtung zerstört oder verformt, weil die Strahlungshitze groß ist. Demzufolge kann das Substrat als solches nicht verwendet werden.
Es ist indessen bereits bekannt, Halbspiegel aus Kunststoff in der Weise herzustellen, daß ein Film auf der Oberfläche des Kunststoffsubstrats ohne Erhitzung dieses Substrats aufgebracht wird (Japanische Offenlegungsschriften 60-2 25 101 und 61-1 10 101).
Der Kunststoff-Halbspiegel, der in der japanischen Offenlegungsschrift 60- 2 25 101 beschrieben ist, wird durch Aufbringen eines Silizium-Monooxid- (SiO)-Films auf der Oberfläche des aus Acryl bestehenden Substrats hergestellt, und zwar über den Reaktionsniederschlag von Sauerstoff (O₂) und anschließendes Aufbringen von abwechselnd eines Ditantalpentaoxid- (Ta₂O₅)-Films und von Siliziumdioxid (SiO₂).
Dagegen wird der Kunststoff-Halbspiegel, der in der japanischen Offenlegungsschrift 61-1 10 101 beschrieben ist, durch Ausbildung eines Schutz- Hartschichtfilms (Dicke: 5 µg/m²) einer Silikonfarbe auf der Oberfläche des aus Methacrylharz bestehenden Substrats hergestellt, wobei außerdem ein dünner dielektrischer Film aus Titandioxid (TiO₂) mittels reaktiven Sputterns von Ti-Metall als Target aufgebracht wird.
Bei dem gemäß der Lehre der japanischen Offenlegungsschrift 60-2 25 101 hergestellten Halbspiegel treten in dem Film nach einem Wärmeschocktest von sich zehnmal wiederholenden Temperaturzyklen von -30°C über Raumtemperatur (20-25°C) bis 80°C Mikrorisse auf. Da Ta₂O₅ einen hohen Schmelzpunkt hat, wird dann, wenn der Vakuumniederschlag mittels eines Elektronenkanonenprozesses erfolgt, leicht eine Ablösung bewirkt (die Adhäsion von Ta₂O₅ in Form von Granulaten hat ein Abfallen des Films zur Folge), wodurch bezüglich der äußeren Erscheinungsform des Produkts Probleme entstehen. Außerdem wird das Kunststoff-Substrat nicht erhitzt, um eine Degradation und Auflösung des Substrats zu vermeiden; allerdings wird es durch Strahlungswärme beeinflußt. Deshalb ist es erforderlich, einen großen Abstand von der Niederschlagsquelle einzuhalten, damit der Einfluß der Strahlungswärme verhindert und die Kühlung jeder Niederschlagsschicht ermöglicht wird, ohne fortlaufend Mehrschichtfilme mittels der Vakuumbeschichtung zu bilden, was zur Umgestaltung der Einrichtung und der Abnahme der Arbeitseffektivität oder dergleichen führt.
Andererseits wird bei dem Halbspiegel, der in der japanischen Offenlegungsschrift 61-1 10 101 beschrieben ist, ein TiO₂-Film auf der Schutz- und Hartschicht mittels Zerstäuben von Ti-Metall gebildet, so daß es schwer ist, eine Oberflächenform mit optischer Genauigkeit einzuhalten, und zwar insbesondere die Linsenform im Anschluß an die Filmbildung entsprechend dem Vorhandensein eines Grundierungsmittels.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die vorstehend erwähnten Nachteile der herkömmlichen Techniken zu vermeiden und einen Kunststoff- Halbspiegel herzustellen, der eine gute Haftung zwischen den Filmschichten sowie zwischen dem Substrat und der Filmschicht besitzt, der einen verbesserten Risse-Widerstand und einen spektralen Reflexionsgrad (45° Einfall) von nicht weniger als 40% hat und bei dem eine Degradation und Deformation des Substrats verhindert wird.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die Filmschichten werden hierbei vorzugsweise mit der Vakuumniederschlagsmethode bei Raumtemperatur (25°C±5°C) erzeugt, und zwar ohne das Substrat schnell aufzuheizen. Hierdurch können die Degradation und Deformation des Substrats und das Auftreten von Mikrorissen in der Filmschicht verhindert werden. Die erste Filmschicht wird vorzugsweise durch einen Widerstandserwärmungsprozeß hergestellt, während jede der mindestens vier Filmschichten vorzugsweise durch einen Elektronenstrahlprozeß hergestellt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Kunststoff-Halbspiegel ist die Haftung zwischen dem Substrat und der Filmschicht bzw. zwischen den jeweiligen Filmschichten vergrößert, während der Reiß-Widerstand der Filmschicht verbessert und auch die spektrale Reflektierung bei einem Einfall von 45° nicht kleiner als 40% wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kunststoff-Halbspiegels;
Fig. 2 eine spektrale Charakteristik des Halbspiegels gemäß Fig. 1;
Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kunststoff-Halbspiegels;
Fig. 4 eine spektrale Charakteristik des Halbspiegels gemäß Fig. 3;
Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kunststoff-Halbspiegels;
Fig. 6 optische Charakteristiken, welche die spektralen Reflexionsfaktoren von dritten und vierten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Halbspiegels zeigen;
Fig. 7 optische Charakteristiken, welche die spektralen Reflexionsfaktoren der fünften und sechsten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Halbspiegels zeigen;
Fig. 8 optische Charakteristiken, welche die spektralen Reflexionsfaktoren der siebten und achten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Halbspiegels zeigen.
In der Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kunst­ stoff-Halbspiegels dargestellt, der für Licht mit einem Einfallswinkel von 45° verwendet wird. Dieser Halbspiegel 1 wird durch Aufbringen von fünf Filmschichten 3 bis 7 auf einen Kunststoff-Substrat 2 bei Raumtemperatur (20-25°C) in einem Vakuum von 1×10-5-2×10-5 Torr hergestellt.
Das Kunststoff-Substrat 2 besteht aus einem Acrylharz, das eine Brechungszahl von n=1,49 hat und auf dessen Oberfläche sich eine erste Filmschicht 3 befindet, die aus SiO besteht, welche mittels eines Widerstandsaufheizungsprozesses aufgebracht wurde. Ferner befindet sich eine zweite Filmschicht 4 aus SiO₂ auf der ersten Filmschicht 3, die mittels eines Elektronenstrahlprozesses bzw. Elektronenkanonenprozesses aufgetragen wurde. Auf der zweiten Filmschicht befindet sich eine dritte Filmschicht 5 aus CeO₂, die ebenfalls mittels eines Elektronenstrahlprozesses aufgetragen wurde. Außerdem sind auf der dritten Filmschicht 5 eine vierte Filmschicht 6 aus SiO₂ und auf der vierten Filmschicht 6 eine fünfte Filmschicht 7 aus CeO mittels des bereits erwähnten Elektronenstrahlprozesses aufgebracht. Bei einer ersten Ausführungsform, bei der die Entwurfswellenlänge λ₀=600 nm ist, werden die Brechungszahl (n) und die optische Dicke (nd) der Filmschichten gemäß der nachfolgenden Tabelle festgelegt:
Tabelle 1
( λ₀=600 nm)
Die spektralen Eigenschaften (Reflexionsvermögen bzw. Spiegelungsfaktor, Durchlässigkeit) des auf diese Weise erhaltenen Halbspiegels sind in der Fig. 2 dargestellt. Wie man aus der Fig. 2 erkennt, kann man die optischen Eigenschaften mit einem Reflexionsgrad von 45% und einem Durchlaßgrad von 55% erhalten. Außerdem entstehen keine Mikrorisse in der Filmschicht und keine Deformation und Degradation des Substrats. Darüber hinaus ändern sich die optischen Eigenschaften im Laufe der Zeit kaum, und der ursprüngliche Reflexionsgrad von 45% sowie der ursprüngliche Transmissionsgrad von 55% werden befriedigend aufrechterhalten. Selbst wenn der Halbspiegel einem thermischen Schocktest ausgesetzt wird, bei dem die Temperaturfolgen von -30°C über Zimmertemperatur (20 bis 25°C) auf 80°C zyklisch zehnmal wiederholt werden, treten keine Mikrorisse und keine Deformation und Degradation des Substrats auf.
In der Fig. 3 ist eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kunststoff-Halbspiegels dargestellt, der für Licht mit einem Einfallswinkel von 45° vorgesehen ist.
Bei einem Halbspiegel 10 besteht das Kunststoff-Substrat 11 aus Polykarbonat mit einer Brechungszahl von n=1,58. Auf der Oberfläche des Substrats 11 sind fünf Filmschichten 3 bis 7 vorgesehen, die bei Raumtemperatur (20 bis 25°C) und im Hochvakuum von 1×10-5 bis 2×10-5 Torr auf dieselbe Weise wie die erste Ausführungsform aufgebracht wurden. Das heißt, die erste Filmschicht 3 aus SiO wurde mittels eines Widerstandsaufheizprozesses auf das Substrat 11 aufgebracht, hierauf folgten SiO₂ (zweite Filmschicht 4), CeO₂ (dritte Filmschicht 5), SiO₂ (vierte Filmschicht 6) und CeO₂ (fünfte Filmschicht 7), die mittels eines Elektronenstrahlprozesses aufgetragen wurden.
Die Brechungszahlen (n) und die optischen Dicken (nd) dieser Filmschichten sind in der nachfolgenden Tabelle 2 dargestellt. Hierbei ist λ₀ eine Entwurfs- oder Konstruktionswellenlänge.
Tabelle 2
( λ₀=600 nm)
Die spektralen Eigenschaften (Reflexionsfaktor, Durchlässigkeitsfaktor) des so auf diese Weise erhaltenen Halbspiegels sind in der Fig. 4 bei einem Einfallswinkel von 45° dargestellt. Wie man aus dieser Fig. 4 erkennt, besitzt der Halbspiegel befriedigende Anfangseigenschaften, und die Haltbarkeit entspricht derjenigen der ersten Ausführungsform.
Die dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kunststoff-Halbspiegels für Licht mit einem Einfallswinkel von 45° ist in der Fig. 5 und in der nachfolgenden Tabelle 3 dargestellt. Hierbei beträgt die Entwurfswellenlänge λ₀=600 nm.
Tabelle 3
Bei der dritten Ausführungsform besteht das Substrat 2 aus Acrylharz, der eine Brechungszahl von n=1,49 hat und auf dem eine erste Filmschicht 3 aus SiO mit einer optischen Dicke von nd=150 nm im Hochvakuum bei 1 bis 2×10-5 Torr und mittels eine Widerstandserwärmungsprozesses aufgebracht wurde. Außerdem sind die erste Filmschicht 3 aus SiO, die zweite Filmschicht 4 aus SiO₂, die dritte Filmschicht 5 aus CeO₂, die vierte Filmschicht 6 aus SiO₂ und die fünfte Filmschicht 7 aus CeO₂ nacheinander im Vakuum und mittels eines Elektronenstrahlprozesses aufgetragen worden.
Bei dem Kunststoff-Halbspiegel gemäß der dritten Ausführungsform ist der spektrale Reflexionsfaktor bei einem Einfallswinkel von 45° nicht kleiner als 40% (Spitzenwert), wie die gestrichelten Linien 15 in Fig. 6 zeigen.
Die vierte Ausführungsform des Kunststoff-Halbspiegels besitzt eine Fünf- Schichten-Struktur für einen Einfallswinkel von 45°, deren Daten in der nachfolgenden Tabelle 4 wiedergegeben sind. Die Designwellenlänge beträgt hierbei λ₀=600 nm.
Tabelle 4
Bei der vierten Ausführungsform besteht das Substrat aus Acrylharz mit einer Brechungszahl von n = 1,49, auf dem eine erste Filmschicht aus SiO niedergeschlagen ist, die eine optische Dicke von nd = 300 nm hat und die im Hochvakuum von 1 bis 2 × 10-5 Torr mittels eines Widerstandsaufheizprozesses aufgebracht wurde.
Außerdem besteht die zweite Filmschicht aus SiO₂, die dritte Filmschicht aus CeO₂, die vierte Filmschicht aus SiO₂ und die fünfte Filmschicht aus CeO₂. Alle diese Schichten werden nacheinander mittels eines Elektronenstrahlprozesses aufgetragen.
Bei dem Kunststoff-Halbspiegel gemäß der vierten Ausführungsform beträgt der spektrale Reflexionsgrad bei einem Einfallswinkel von 45° nicht weniger als 40% (Spitzenwert), wie sich aus der Strichlinienkurve 16 in Fig. 6 ergibt.
Die fünfte Ausführungsform des Kunststoff-Halbspiegels hat eine Sieben- Schicht-Struktur für einen Lichteinfallswinkel von 45°, wie es in der nachfolgenden Tabelle 5 gezeigt ist. Die Konstruktionswellenlänge ist hierbei λ₀=600 nm.
Tabelle 5
Bei der fünften Ausführungsform besteht das Substrat aus Acrylharz mit einer Brechungszahl von n=1,49, auf dem sich eine erste Filmschicht aus SiO befindet, die eine optische Dicke von nd=150 nm hat und die im Hochvakuum bei 1 bis 2×10-5 Torr mittels eines Widerstandsaufheizprozesses aufgebracht wurde. Außerdem sind die zweite Filnschicht aus SiO₂, die dritte Filmschicht aus CeO₂, die vierte Filmschicht aus SiO₂, die fünfte Filmschicht aus SiO₂, die sechste Filmschicht aus CeO₂ und die siebte Filmschicht aus CeO₂ nacheinander mittels Elektronenstrahlprozesses aufgebracht.
Der spektrale Reflexionsgrad des Kunststoff-Halbspiegels beträgt bei einem Einfallswinkel von 45° nicht weniger als 40% (Spitzenwert), wie die durchgezogene Linie 17 in Fig. 7 zeigt.
Die sechste Ausführungsform des Kunststoff-Halbspiegels besitzt eine Sieben-Schichten-Struktur für einen Einfallswinkel von 45°, wie sich aus der nachfolgenden Tabelle 6 ergibt. Die Entwurfswellenlänge beträgt hierbei λ₀=600 nm.
Tabelle 6
Bei der sechsten Ausführungsform besteht das Substrat aus Acrylharz mit einer Brechungszahl von n=1,49, auf dem sich eine erste Filmschicht aus SiO aufgebracht ist, die eine optische Dicke von nd=300 nm hat und die mittels eines Widerstandsaufheizungsprozesses im Hochvakuum bei 1 bis 2× 10-5 Torr aufgebracht wurde. Ferner sind die zweite Filmschicht aus SiO₂, die dritte Filmschicht aus CeO₂, die vierte Filmschicht aus SiO₂, die fünfte Filmschicht aus SiO₂, die sechste Filmschicht aus CeO₂ und die siebte Filmschicht aus CeO₂ mittels eines Elektronenstrahlprozesses nacheinander aufgetragen worden.
Bei dem Kunststoff-Halbspiegel der sechsten Ausführungsform beträgt der spektrale Spiegelungsfaktor bei einem Einfallswinkel von 45° nicht weniger als 40% (Spitzenwert), wie es durch die unterbrochene Linie 18 in Fig. 7 dargestellt ist.
Die siebte Ausführungsform des Kunststoff-Halbspiegels besitzt eine Fünf- Schichten-Struktur für einen Lichteinfallswinkel von 45°, wie es in der Tabelle 7 gezeigt ist. Die Konstruktionswellenlänge ist hierbei λ₀=600 nm.
Tabelle 7
Bei der siebten Ausführungsform besteht das Substrat aus einem Polykar­ bonat-Kunststoff, der eine Brechungszahl von n=1,58 hat und auf den die erste Filmschicht aus SiO aufgebracht ist, die eine optische Dicke von nd =150 nm hat und die mittels eines Widerstandsaufheizungsprozesses bei 1 bis 2×10-5 Torr hergestellt wurde. Weiterhin sind eine zweite Filmschicht aus SiO₂, eine dritte Filmschicht aus CeO₂, eine vierte Filmschicht aus SiO₂ und eine fünfte Filmschicht aus CeO₂ nacheinander mittels eines Elektronenstrahlprozesses aufgebracht.
Der spektrale Reflexionsgrad des Kunststoff-Halbspiegels gemäß der siebten Ausführungsform beträgt bei einem Einfallswinkel von 45° nicht weniger als 40% (Spitzenwert), wie es durch die unterbrochene Linie 19 in der Fig. 8 gezeigt ist.
Die achte Ausführungsform des Kunststoff-Halbspiegels besitzt eine Fünf- Schichten-Struktur für Licht mit einem Einfallswinkel von 45°, wie es die nachfolgende Tabelle 8 zeigt. Die Entwurfswellenlänge beträgt hierbei λ₀= 600 nm.
Tabelle 8
Das Substrat der achten Ausführungsform besteht aus Polykarbonatharz mit einer Brechungszahl n=1,58, auf dem die erste Schicht aus SiO aufgebracht ist, welche eine optische Dicke von nd=300 nm hat und die mittels Widerstandheizens unter Hochvakuum von 1 bis 2×10-5 Torr aufgetragen wurde. Außerdem sind die zweite Filmschicht aus SiO₂, die dritte Filmschicht aus CeO₂, die vierte Filmschicht aus SiO₂ und die fünfte Filmschicht aus CeO₂ nacheinander mittels des Elektronenstrahlprozesses auf­ getragen.
Bei dem Kunststoff-Halbspiegel gemäß der achten Ausführungsform beträgt der spektrale Reflexionsgrad bei einem Einfallswinkel von 45° nicht weniger als 40% (Spitzenwert), was durch die ausgezogene Linie 20 in der Fig. 8 dargestellt ist.
Bei allen Kunststoff-Halbspiegeln gemäß den beschriebenen Ausführungsformen treten keine Mikrorisse als Materialeigenschaft in den Filmschichten auf. Bei Anwendung des Bandabziehtests werden auch keine Fimschichten abgezogen. Weiterhin beobachtet man keine Deformation oder Degradation des Substrats. Darüber hinaus ändern sich die optischen Eigenschaften im Laufe der Zeit nicht, wie der Dauerstandstest zeigt.
Wie oben erwähnt, wird die erste SiO-Filmschicht bei dem erfindungsgemäßen Kunststoff-Halbspiegel auf das Kunststoff-Substrat aufgetragen, und außerdem werden mindestens zwei SiO₂-Filmschichten und CeO₂-Filmschichten alternativ aufgebracht, so daß die Hafteigenschaften zwischen den Filmschichten und zwischen dem Substrat und der Filmschicht groß genug ist, um den Widerstand gegen das Zerreißen der Filmschicht zu erhöhen, die optischen Eigenschaften zu verbessern sowie die Degradation des äußeren Erscheinungsbilds und die Deformation des Subtrats zu ver­ hindern.

Claims (8)

1. Kunststoff-Halbspiegel, gekennzeichnet durch ein Substrat (2) aus Kunststoff, eine erste Filmschicht (3), die aus SiO besteht und die auf dem Substrat (2) aufgebracht ist, und mindestens vier Filmschichten (4, 5, 6, 7), die auf der ersten Filmschicht (3) aufgebracht sind und die entweder aus SiO₂ oder CeO₂ bestehen.
2. Kunststoff-Halbspiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Filmschicht (3), die aus SiO besteht, eine optische Dicke von nd= g/12 bis λ/2 hat und daß die zweite Filmschicht (4), die aus SiO₂ besteht, eine optische Dicke von nd=λ/8 bis λ/4 hat.
3. Kunststoff-Halbspiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Substrat (2) fünf Filmschichten übereinander aufgebracht sind, von denen die erste Schicht (3) aus SiO, die zweite Schicht (4) aus SiO₂, die dritte Schicht (5) aus CeO₂, die vierte Schicht (6) aus SiO₂ und die fünfte Schicht (7) aus CeO₂ besteht.
4. Kunststoff-Halbspiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Substrat (2) sieben Filmschichten übereinander aufgebracht sind, von denen die erste Schicht (3) aus SiO, die zweite Schicht (4) aus SiO₂, die dritte Schicht (5) aus CeO₂, die vierte Schicht (6) aus SiO₂, die fünfte Schicht (7) aus CeO₂, die sechste Schicht aus SiO₂ und die siebte Schicht aus CeO₂ besteht.
5. Kunststoff-Halbspiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat Acrylharz ist.
6. Kunststoff-Halbspiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat Polykarbonat ist.
7. Verfahren zur Herstellung des Kunststoff-Halbspiegels nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Filmschicht (2) mittels eines Wider­ stands-Heizungsvorgangs aufgebracht wird.
8. Verfahren zur Herstellung des Kunststoff-Halbspiegels nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der mindestens vier Schichten (4 bis 7) mittels eines Elektronenstrahlprozesses aufgebracht wird.
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