DE3826123A1 - Connection between a metal part and a ceramic body - Google Patents

Connection between a metal part and a ceramic body

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Abstract

A pressure-resistant connection between a metal layer (12) and a metal part (20) is described, the metal layer (12) being provided in an adhering manner on a sintered ceramic body (10). The pressure-resistant connection is made by means of a solder (24). The ceramic body (10), which may be especially a dielectric ceramic body of an internally cooled power capacitor, has a groove (18) which runs such that it is intrinsically closed and is covered on all sides by the metal layer (12). The metal part (20) extends by means of a connecting element (22) into the groove (18). In each case one gap (44) is provided between the connecting element (22) and the two mutually opposite side surfaces (38) of the groove (18), the width of which groove (44) is between 0.5 and three times the wall thickness of the connecting element (22). Each gap (44) is filled with solder (24). The depth of the groove (18) is a multiple of the width of each gap (44). <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine druckfeste Verbindung zwischen einer auf einem gesinterten Keramikkörper vorgesehenen haftfesten Metallschicht und einem Metallteil mittels eines Lotes, insbes. Verbindung zwischen dem dielektrischen Keramikkörper und einer metallischen Anschlussarmatur eines wassergekühlten keramischen Leistungskondensators.The invention relates to a pressure-resistant connection between one provided on a sintered ceramic body adhesive metal layer and a metal part by means of a Solder, especially connection between the dielectric Ceramic body and a metallic connection fitting one water-cooled ceramic power capacitor.

Aus der DE 34 09 678 A1 ist ein wassergekühlter keramischer Leistungskondensator bekannt, bei dem der dielektrische Keramikkörper topfförmig mit einem Wulstrand ausgebildet ist. Bei diesem Kondensator handelt es sich um einen sog. aussengekühlten Leistungskondensator, bei dem die die Aussenoberfläche bis zum Wulstrand bedeckende Metallschicht mit einem Kühlmedium gekühlt wird. Bei diesem bekannten Leistungskondensator erstreckt sich die Metallschicht der Aussenelektrode bis zum Wulstrand, wobei die zwischen dem Wulstrand und dem topfförmigen Keramikkörper ausgebildete Hohlkehle ebenfalls mit der Metallschicht bedeckt ist. Die druckfeste Verbindung zwischen dem topfförmigen Kühlgehäuse und der Metallschicht der Aussenelektrode erfolgt mittels eines Lotes in der Hohlkehle.DE 34 09 678 A1 describes a water-cooled ceramic Power capacitor known in which the dielectric Ceramic body is cup-shaped with a bead. This capacitor is a so-called externally cooled power capacitor, in which the the Metal surface covering the outer surface up to the bulge a cooling medium is cooled. In this well-known Power capacitor extends the metal layer of the External electrode to the bead, the between the Beaded edge and the pot-shaped ceramic body The fillet is also covered with the metal layer. The pressure-resistant connection between the cup-shaped cooling housing and the metal layer of the outer electrode takes place by means of a Lotes in the fillet.

Die Metallschicht der Innenelektrode ist bei diesem bekannten keramischen Leistungskondensator nicht gekühlt, weil die Festigkeit der Verbindung zwischen der Metallschicht der Innenelektrode und der zugehörigen metallischen Anschlussarmatur Wünsche offen lässt. Die Festigkeit der Verbindung zwischen der Innenelektrode und der zugehörigen Anschlussarmatur ist bei einem derartigen Kondensator deshalb noch nicht voll zufriedenstellend, weil bei einer Beanspruchung der mit der Innenelektrode verbundenen Anschlussarmatur sog. Schälkräfte auftreten, welche die Druckfestigkeit dieser Verbindung auf relativ niedrige Werte beschränken.The metal layer of the inner electrode is known in this ceramic power capacitor not cooled because of the  Strength of the connection between the metal layer of the Inner electrode and the associated metallic Connection fitting leaves nothing to be desired. The strength of the Connection between the inner electrode and the associated one Connection fitting is therefore in such a capacitor not yet fully satisfactory because of the stress the connection fitting connected to the inner electrode. Peeling forces occur which affect the compressive strength of this Limit connection to relatively low values.

Deshalb liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine druckfeste Verbindung der eingangs genannten Art, insbes. eine druckfeste Verbindung zwischen dem dielektrischen Keramikkörper eines innengekühlten keramischen Leistungskondensators und der mit der Innenmetallisierung kontaktierten Anschlussarmatur zu schaffen.Therefore, the invention is based on the object Flameproof connection of the type mentioned, in particular one Pressure-resistant connection between the dielectric ceramic body an internally cooled ceramic power capacitor and the connection fitting contacted with the internal metallization create.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Keramikkörper eine in sich geschlossen verlaufende, allseitig mit der Metallschicht bedeckte Rille aufweist, dass das Metallteil sich mit einem Verbindungselement in die Rille hineinerstreckt, wobei zwischen dem Verbindungselement des Metallteils und den beiden einander gegenüberliegenden Seitenwänden der Rille je ein Spalt gegeben ist, dessen Spaltbreite zwischen dem 0,5- und 3-fachen der Wanddicke des Verbindungselementes des Metallteils beträgt, und der mit dem Lot ausgefüllt ist, und wobei die Tiefe der Rille ein Mehrfaches der Spaltbreite beträgt. Die beiden Seitenwände der Rille verlaufen zueinander mindestens annähernd parallel, so dass sich zwischen jeder Seitenwand und dem Verbindungselement des Metallteils ein relativ schmaler Spalt ergibt, der mit dem Lot ausgefüllt ist. Da das Verbindungselement des Metallteils und die Seitenwände der Rille, bzw. die die Seitenwände der Rille bedeckende Metallschicht zueinander parallel ausgerichtet sind, wird eine Druckbelastung des Metallteiles, bei dem es sich insbes. um die metallische Anschlussarmatur der Innenelektrode eines innengekühlten keramischen Leistungskondensators handelt, auf Zug beansprucht. Es treten also keine Schälkräfte sondern Zugkräfte auf, so dass sich eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit der Verbindung des Keramikkörpers mit dem Metallteil ergibt. Selbstverständlich ist diese mechanische Festigkeit davon abhängig, dass die Metallschicht am Keramikkörper haftfest ausgebildet ist, bzw. dass die Verbindung zwischen der Metallschicht des Keramikkörpers und dem Lot sowie die Verbindung zwischen dem Lot und dem Metallteil entsprechend gut ist. Dadurch, dass die Spaltbreite und die Spalttiefe der im Keramikkörper vorgesehenen Rille in Bezug auf die Wanddicke des Verbindungselementes des Metallteils passend dimensioniert sind, ergibt sich ausserdem der unerwartete Vorteil, dass eine ausgezeichnete Festigkeit der Verbindung bei einem minimalen Verbrauch an Lotmaterial gegeben ist. Durch eine solche druckfeste Verbindung ist es möglich, einen innengekühlten keramischen Leistungskondensator zu realisieren, der mit vergleichsweisen hohen Drücken bis bspw. 10 bar betrieben werden kann. Das bedeutet jedoch, dass ein solcher Leistungskondensator im Vergleich zu bekannten Leistungskondensatoren hohe Leistungen besitzen kann.This object is achieved in that the Ceramic body a self-contained, all-round groove covered with the metal layer has that Metal part with a connecting element in the groove stretched in, being between the connecting element of the Metal part and the two opposite Sidewalls of the groove is given a gap, the Gap width between 0.5 and 3 times the wall thickness of the Connecting element of the metal part, and that with the Lot is filled, and being the depth of the groove Is several times the gap width. The two side walls of the Grooves run at least approximately parallel to each other, see above that is between each side wall and the connector of the metal part results in a relatively narrow gap, which with the Lot is filled out. Because the connecting element of the metal part and the side walls of the groove, or the side walls of the Groove covering metal layer aligned parallel to each other are a pressure load on the metal part in which it especially about the metallic connection fitting of the Inner electrode of an internally cooled ceramic Power capacitor is acting on train. Kick it So no peeling forces but tensile forces, so that one excellent mechanical strength of the connection of the  Ceramic body with the metal part results. Of course is this mechanical strength dependent on the Metal layer on the ceramic body is formed adherent, or that the connection between the metal layer of the Ceramic body and the solder and the connection between the Lot and the metal part is good. Because the Gap width and the gap depth of the in the ceramic body intended groove in relation to the wall thickness of the Connection element of the metal part dimensioned appropriately there is also the unexpected advantage that a excellent connection strength with minimal Consumption of solder material is given. By such pressure-resistant connection it is possible to use an internally cooled to realize ceramic power capacitor that with operated comparatively high pressures up to 10 bar, for example can be. However, that means that such Power capacitor compared to known ones Power capacitors can have high powers.

Vorzugsweise weist jeder der beiden mit Lot gefüllten Spalte zwischen dem Verbindungselement des Metallteils und der entsprechenden Seitenwand der Rille eine Spaltbreite auf, die dem 1- bis 2-fachen der Wanddicke des Verbindungselementes des Metallteils entspricht. Die im Keramikkörper ausgebildete Rille besitzt vorzugsweise eine Tiefe, die zwischen dem 5- und 20- fachen der Wanddicke des Verbindungselementes des Metallteils liegt. Durch eine solche Dimensionierung ergibt sich bei einem relativ geringen Verbrauch von Lotmaterial eine ausgezeichnete Festigkeit der Verbindung zwischen dem Keramikkörper und dem Metallteil.Each of the two gaps filled with solder preferably has between the connecting element of the metal part and the corresponding gap on the side wall of the groove 1 to 2 times the wall thickness of the connecting element Metal part corresponds. The groove formed in the ceramic body preferably has a depth between the 5- and 20- times the wall thickness of the connecting element of the metal part lies. Such a dimensioning results in a relatively low consumption of solder material an excellent Strength of the connection between the ceramic body and the Metal part.

Das Verbindungselement des Metallteils ist vorzugsweise als Bund ausgebildet und liegt vorzugsweise mit seiner Stirnfläche an der die Basis der Rille bedeckenden Metallschicht an. Durch einen in sich geschlossenen Bund und durch die in sich geschlossene Rille ergibt sich zwischen dem Keramikkörper und dem Metallteil eine Verbindung mit einer sehr hohen Druckfestigkeit. The connecting element of the metal part is preferably as Bund formed and preferably lies with its end face to the metal layer covering the base of the groove. By a self-contained covenant and through that in itself closed groove results between the ceramic body and the metal part with a very high connection Compressive strength.  

Die Rille ist vorzugsweise an der kreisringförmigen Stirnfläche eines topfförmigen dielektrischen Keramikkörpers ausgebildet, und das Metallteil ist vorzugsweise als den Hohlraum des topfförmigen Keramikkörpers druckdicht abschliessender Deckel ausgebildet, von dem am Aussenrand das in der Rille befestigte Verbindungselement als Kragen wegsteht, der zur Ebene des Deckels senkrecht ausgerichtet ist. Durch eine solche Ausbildung wird der auf das Metallteil ausgeübte Druck als Zugkraft zwischen dem Verbindungselement und den beiden einander gegenüberliegenden Seitenflächen der Rille wirksam. Schälkräfte, welche die Druckfestigkeit der Verbindung beeinträchtigen würden, werden demnach auf einfache Weise verhindert.The groove is preferably on the circular end face a cup-shaped dielectric ceramic body, and the metal part is preferably as the cavity of the Pot-shaped ceramic body with a pressure-tight lid trained, of which the one attached in the groove on the outer edge Connection element protrudes as a collar that to the level of Cover is aligned vertically. By such Training is the pressure exerted on the metal part as Traction between the connecting element and the two opposite side surfaces of the groove effective. Peeling forces affecting the compressive strength of the connection would therefore be affected in a simple manner prevented.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles eines innengekühlten keramischen Leistungskondensators, der mit einer erfindungsgemässen druckfesten Verbindung zwischen dem dielektrischen Keramikkörper und der mit der Metallschicht der Innenelektrode kontaktierten Anschlussarmatur ausgebildet ist. Es zeigt:Further details, features and advantages result from the following description of one in the drawing illustrated embodiment of an internally cooled ceramic power capacitor with a inventive pressure-resistant connection between the dielectric ceramic body and with the metal layer of Inner electrode contacted connection fitting is formed. It shows:

Fig. 1 eine teilweise aufgeschnittene Seitenansicht des keramischen Leistungskondensators, und Fig. 1 is a partially cutaway side view of the ceramic power capacitor, and

Fig. 2 das Detail II aus Fig. 1 in einem vergrösserten Maßstab. Fig. 2 shows the detail II of Fig. 1 on an enlarged scale.

Fig. 1 zeigt einen innengekühlten keramischen Leistungskondensator teilweise aufgeschnitten in einer Seitenansicht. Ein topfförmiger, gesinterter, dielektrischer Keramikkörper 10 ist an seiner Aussenoberfläche mit einer ersten Metallschicht und an seiner Innenoberfläche mit einer zweiten Metallschicht 12 bedeckt, die sich von der Innenoberfläche 14 bis zur kreisringförmigen Stirnfläche 16 des Keramikkörpers 10 erstreckt. In der Stirnfläche 16 des Keramikkörpers 10 ist eine umlaufende, in sich geschlossene Rille 18 vorgesehen, die sich in den Keramikkörper 10 hineinerstreckt und die zur Stirnfläche 16 hin offen ist. Die Rille 18 ist ebenfalls mit der Metallschicht 12 allseitig bedeckt. Fig. 1 shows an internally cooled ceramic power capacitor partially cut away in a side view. A cup-shaped, sintered, dielectric ceramic body 10 is covered on its outer surface with a first metal layer and on its inner surface with a second metal layer 12 , which extends from the inner surface 14 to the annular end face 16 of the ceramic body 10 . Provided in the end face 16 of the ceramic body 10 is a circumferential, self-contained groove 18 which extends into the ceramic body 10 and which is open towards the end face 16 . The groove 18 is also covered on all sides with the metal layer 12 .

Ein als Anschlussarmatur ausgebildetes Metallteil 20 ist mit einem Verbindungselement 22 ausgebildet, das die Form eines kreisförmigen Bundes besitzt, und das in die Rille 18 hineinragt. Die mechanisch feste Verbindung zwischen dem Metallteil 20 und dem Keramikkörper 10 erfolgt mit Hilfe eines Lotes 24. Das als Anschlussarmatur für die die Innenelektrode bildende Metallschicht 12 ausgebildete Metallteil ist mit einem Einlassorgan 26 und mit einem Auslassorgan 28 ausgebildet. Durch das Einlassorgan 26 kann in den zentralen Hohlraum 30 des keramischen Leistungskondensators ein Kühlmedium eingeleitet werden, bei dem es sich bspw. um demineralisiertes Wasser handelt. Durch das Auslassorgan 28 kann das durch die Verlustwärme des Leistungskondensators erwärmte Kühlmedium kontinuierlich ausströmen.A metal part 20 designed as a connection fitting is formed with a connecting element 22 which has the shape of a circular collar and which projects into the groove 18 . The mechanically firm connection between the metal part 20 and the ceramic body 10 takes place with the aid of a solder 24 . The metal part designed as a connection fitting for the metal layer 12 forming the inner electrode is formed with an inlet member 26 and with an outlet member 28 . A cooling medium, which is, for example, demineralized water, can be introduced through the inlet member 26 into the central cavity 30 of the ceramic power condenser. The cooling medium heated by the heat loss of the power condenser can flow out continuously through the outlet member 28 .

Eine Isolierung 32 umgibt den keramischen Leistungskondensator auf seiner Aussenseite. Das Metallteil 20 steht mit seiner Grundfläche 34 aus der Isolierung 32 vor. Eine Anschlussarmatur 36 ist mit der auf der Aussenfläche des Keramikkörpers haftfest vorgesehenen (nicht dargestellten) Metallschicht der Aussenelektrode des keramischen Leistungskondensators kontaktiert.Insulation 32 surrounds the ceramic power capacitor on its outside. The metal part 20 protrudes with its base 34 from the insulation 32 . A connection fitting 36 is in contact with the metal layer (not shown) of the outer electrode of the ceramic power capacitor, which is provided on the outer surface of the ceramic body in an adherent manner.

Fig. 2 zeigt in einem vergrösserten Maßstab einen Abschnitt des Keramikkörpers 10, dessen kreisringförmige Stirnfläche 16 mit einer umlaufenden, in sich geschlossenen Rille 18 ausgebildet ist. Die Stirnfläche 16, die beiden einander gegenüberliegenden Seitenflächen 38 und die Basis 40 der Rille 18 sind mit einer Metallschicht 12 (-der Innenelektrode) bedeckt. In die Rille 18 ragt das Verbindungselement 22 des die eine Anschlussarmatur bildenden Metallteils 20 (sh. Fig. 1) hinein, wobei das als umlaufender, in sich geschlossener Bund ausgebildete Verbindungselement 22 mit seiner vorderen kreisringförmigen Stirnfläche 42 an der die Basis 40 bedeckenden Metallschicht 12 anliegt. Der zwischen dem Verbindungselement 22 und jeder der beiden Seitenflächen 38 der Rille 18 vorhandene Spalt 44 ist mit Lotmaterial 24 ausgefüllt. Fig. 2 shows on an enlarged scale a portion of the ceramic body 10, the annular end face 16 is formed with a circumferential groove 18 closed in itself. The end face 16 , the two opposite side faces 38 and the base 40 of the groove 18 are covered with a metal layer 12 (the inner electrode). The connecting element 22 of the metal part 20 forming the connection fitting projects into the groove 18 (see FIG. 1), the connecting element 22 designed as a circumferential, self-contained collar with its front annular end face 42 on the metal layer 12 covering the base 40 is present. The gap 44 present between the connecting element 22 and each of the two side surfaces 38 of the groove 18 is filled with solder material 24 .

Durch eine solche Ausbildung ergibt sich zwischen dem Keramikkörper 10 und dem Metallteil 20 bei einer Druckbelastung des Metallteils 20 vom zentralen Hohlraum (30) (sh. Fig. 1) her, eine Zugbeanspruchung zwischen dem Keramikkörper 10 und dem Verbindungselement 22 und somit eine gute mechanische Festigkeit zwischen den zuletzt genannten Elementen mit einer ausgezeichneten Druckfestigkeit. Ein innengekühlter keramischer Leistungskondensator, wie er bspw. in Fig. 1 gezeichnet ist, kann somit in seinem Inneren, d.h. im zentralen Hohlraum 30 mit einem Kühlmedium hohen Druckes beaufschlagt werden, ohne dass die Gefahr einer Beschädigung des Leistungskondensators besteht, so dass ein solcher Leistungskondensator mit vergleichsweise sehr hohen Leistungen betrieben werden kann.Such a design is produced between the ceramic body 10 and the metal part 20 at a compression stress of the metal part 20 from the central cavity (30) (see Fig. Fig. 1) here, a tensile stress between the ceramic body 10 and the connecting element 22 and thus good mechanical Strength between the latter elements with excellent compressive strength. An internally cooled ceramic power capacitor, such as that shown in FIG. 1, can thus be acted upon in its interior, ie in the central cavity 30, with a high pressure cooling medium without the risk of damage to the power capacitor, so that such a power capacitor can be operated with comparatively very high outputs.

Claims (5)

1. Druckfeste Verbindung zwischen einer auf einem Keramikkörper (10) vorgesehenen haftfesten Metallschicht (12) und einem Metallteil (20) mittels eines Lotes (24), insbes. Verbindung zwischen dem dielektrischen Keramikkörper (10) und einer metallischen Anschlussarmatur (20) eines innengekühlten keramischen Leistungskondensators, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikkörper (10) eine in sich geschlossen verlaufende, allseitig mit der Metallschicht (12) bedeckte Rille (18) aufweist, dass das Metallteil (20) sich mit einem Verbindungselement (22) in die Rille (18) hineinerstreckt, wobei zwischen dem Verbindungselement (22) des Metallteils (20) und den beiden einander gegenüberliegenden Seitenflächen (38) der Rille (18) je ein Spalt (44) gegeben ist, dessen Spaltbreite zwischen dem 0,5 und 3-fachen der Wanddicke des Verbindungselementes (22) des Metallteils (20) beträgt, und der mit dem Lot (24) ausgefüllt ist, und wobei die Tiefe der Rille (18) ein Mehrfaches der Spaltbreite beträgt.1. Pressure-resistant connection between an adhesive metal layer ( 12 ) provided on a ceramic body ( 10 ) and a metal part ( 20 ) by means of a solder ( 24 ), in particular connection between the dielectric ceramic body ( 10 ) and a metallic connection fitting ( 20 ) of an internally cooled one Ceramic power capacitor, characterized in that the ceramic body ( 10 ) has a groove ( 18 ) which runs in a closed manner and is covered on all sides with the metal layer ( 12 ), that the metal part ( 20 ) is connected to the groove ( 18 ) with a connecting element ( 22 ) ), with a gap ( 44 ) between the connecting element ( 22 ) of the metal part ( 20 ) and the two opposite side surfaces ( 38 ) of the groove ( 18 ), the gap width between 0.5 and 3 times that Wall thickness of the connecting element ( 22 ) of the metal part ( 20 ), and which is filled with the solder ( 24 ), and wherein the depth of the groove ( 18 ) is a multiple of the gap width. 2. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der beiden mit Lot (24) gefüllten Spalte (44) zwischen dem Verbindungselement (22) des Metallteils (20) und der entsprechenden Seitenfläche (38) der Rille (18) eine Spaltbreite aufweist, die dem 1- bis 2-fachen der Wanddicke des Verbindungselementes (22) des Metallteils (20) entspricht.2. Connection according to claim 1, characterized in that each of the two gaps ( 44 ) filled with solder ( 24 ) between the connecting element ( 22 ) of the metal part ( 20 ) and the corresponding side surface ( 38 ) of the groove ( 18 ) has a gap width , which corresponds to 1 to 2 times the wall thickness of the connecting element ( 22 ) of the metal part ( 20 ). 3. Verbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rille (18) eine Tiefe besitzt, die zwischen dem 5- und 20-fachen der Wanddicke des Verbindungselementes (22) des Metallteiles liegt.3. Connection according to claim 1 or 2, characterized in that the groove ( 18 ) has a depth which is between 5 and 20 times the wall thickness of the connecting element ( 22 ) of the metal part. 4. Verbindung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (22) des Metallteils (20) als Bund ausgebildet ist und mit seiner Stirnfläche (42) an der die Basis (40) der Rille (18) bedeckenden Metallschicht (12) anliegt.4. Connection according to at least one of the preceding claims, characterized in that the connecting element ( 22 ) of the metal part ( 20 ) is designed as a collar and with its end face ( 42 ) on the base layer ( 40 ) of the groove ( 18 ) covering metal layer ( 12 ) is present. 5. Verbindung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rille (18) an der kreisringförmigen Stirnfläche (16) eines topfförmigen dielektrischen Keramikkörpers (10) ausgebildet ist, und dass das Metallteil (20) als den Hohlraum (30) des topfförmigen Keramikkörpers (10) druckdicht abschliessender Deckel ausgebildet ist, von dem am Aussenrand das in der Rille (18) befestigte Verbindungselement (22) als Kragen wegsteht, der zur Ebene des Deckels senkrecht ausgerichtet ist.5. Connection according to at least one of the preceding claims, characterized in that the groove ( 18 ) on the annular end face ( 16 ) of a cup-shaped dielectric ceramic body ( 10 ) is formed, and that the metal part ( 20 ) as the cavity ( 30 ) of the Pot-shaped ceramic body ( 10 ) is designed to be pressure-tight, from which the connecting element ( 22 ) fastened in the groove ( 18 ) protrudes as a collar on the outer edge and is oriented perpendicular to the plane of the lid.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE2401802A1 (en) * 1973-01-16 1974-07-25 Plessey Co Ltd LIQUID COOLED CERAMIC CONDENSER
DE3403678A1 (en) * 1984-02-03 1985-08-08 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh, 8225 Traunreut METHOD FOR REPRESENTING OBJECTS

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