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Hintergrund
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Diese
Offenbarung bezieht sich im allgemeinen auf die Reduktion von Fehlern
in den Erscheinungsoberflächen
eines pulverbeschichteten Substrats.
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Beschichtungspulver
sind bei Raumtemperatur trockene, fein zerteilte, freifließende, feste
Materialien. Bei der Auftragung auf eine Oberfläche werden sie erhitzt, um
zu schmelzen und gegebenenfalls zu härten, wodurch eine ebene, einheitliche
Beschichtung gebildet wird. In vielen Oberflächenveredelungsanwendungen
wird nur die Erscheinungsoberfläche
des Substrats beschichtet. Während
des Härtungskreislaufs
wird Feuchtigkeit vom Kern des Substrats zu den äußeren Oberflächen davon
getrieben, wo sie verdampft, wodurch schließlich das Substrat schrumpft.
Wenn das Substrat aus einem hygroskopischen Material hergestellt
wird, wird mit der Zeit die Feuchtigkeit durch die nicht-beschichtete Nicht-Erscheinungsoberfläche absorbiert,
wodurch sich das Substrat ausdehnt. Bei der Ausdehnung des Substrats
kann das Substrat verzogen werden und die Beschichtung kann gespannt
werden, oftmals bis zu einem Punkt, bei dem Unterbrechungen der
Kontinuität
der Beschichtung auftreten, was zur Bildung von Mängeln, Rissen
oder anderen Oberflächenfehlern
führt.
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Ein
Ansatz zur Verringerung von Fehlern in einer pulverbeschichteten
Erscheinungsoberfläche mit
Kanten, Ecken, Profilen oder anderen Unregelmäßigkeiten umfaßt das Bearbeiten
von Rillen, Kanälen
oder Löchern
in der nicht-beschichteten Nicht-Erscheinungsoberfläche des
Substrats (die Oberfläche
gegenüber
der Erscheinungsoberfläche). Das
Bearbeiten dieser Rillen, Kanäle
oder Löcher
erleichtert das Entgasen von flüchtigen
Bestandteilen aus dem Substrat durch die Nicht-Erscheinungsoberfläche, indem
ausreichend Wege zum Entweichen der flüchtigen Komponenten bereitgestellt
werden, siehe beispielsweise US-A-6136370. Während das Entweichen von flüchtigen
Bestandteilen durch die Nicht-Erscheinungsoberfläche oftmals das Reißen einer
Beschichtung, die auf die Erscheinungsoberfläche aufgetragen wird, reduziert,
kann die Absorption von Feuchtigkeit durch die Nicht-Erscheinungsoberfläche ausreichend
sein, damit sich das Substratmaterial ausdehnt und verzieht, was
anschließend
zum Spannen der Beschichtung führen
kann.
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US-A-6268022
lehrt die Verbesserung des Erscheinungsbilds von pulverbeschichteten
Oberflächen
von scharfen Kanten eines Substrats, indem zuerst die Rückseite
des Substrats beschichtet wird, wodurch sich das Pulver in Richtung
der Vorderseite um die Kanten legen kann, und dann das Beschichtungspulver
auf die Vorderseite aufgetragen wird. Dieses Verfahren trifft jedoch
nur auf periphere Kanten zu.
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Folglich
besteht eine Notwendigkeit für
Verfahren zur Verringerung der Oberflächenfehler in der Pulverbeschichtung,
insbesondere für
Oberflächen, wo
die Absorption von Feuchtigkeit das Substrat ausdehnt und die Beschichtung
spannt.
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Zusammenfassung
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Die
vorliegende Erfindung ist wie in den anhängenden Ansprüchen dargestellt.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Nunmehr
nimmt man Bezug auf die Zeichnungen, die exemplarisch und nicht
einschränkend sein
sollen, und in denen ähnliche
Elemente wie in den einzelnen Figuren numeriert sind:
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1 ist
eine Schnittdarstellung eines Substrats mit Beschichtungen, die
auf die Erscheinungsoberfläche
und auf die Nicht-Erscheinungsoberfläche davon aufgebracht wurden;
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2 ist
ein Grundriß der
Erscheinungsoberfläche
des Substrats von 1;
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3 ist
ein Grundriß der
Nicht-Erscheinungsoberfläche
des Substrats von 1; und
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4 ist
eine Schnittdarstellung eines Substrats mit abgerundeten Oberflächen, aufgebraucht an
den Schnittpunkten von Unregelmäßigkeiten
in den Oberflächen
und angrenzend positionierten Oberflächen.
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Ausführliche
Beschreibung
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Wie
hierin verwendet, ist unter einem Beschichtungspulver eine feste,
partikuläre
filmbildende Zusammensetzung zu verstehen, wobei unter einer Pulverbeschichtung
der Film zu verstehen ist, der auf einem Substrat durch Härten eines
Beschichtungspulvers gebildet wurde. Beschichtungspulver umfassen
normalerweise ein festes, thermoplastisches oder hitzehärtbares,
filmbildendes Polymerharz. Eine Vielzahl von unterschiedlichen Typen
an thermoplastischen Harzen für
Beschichtungspulver sind bekannt, beispielsweise Vinylchlorid, Polyamide,
Cellulosen, Polyolefine, Polyethylen und Polyester. Hitzehärtbare filmbildende
Harze enthalten reaktive funktionelle Gruppen, ein optionales Härtungsmittel
(Vernetzungsmittel) mit funktionellen Gruppen, die mit den funktionellen
Gruppen des Polymerharzes reaktiv sind, und die selbst ein anderes
filmbildendes Polymer sein können,
und einen optionalen Katalysator. Bekannte hitzehärtbare Harze
umfassen säurefunktionelle
Polyesterharze, säurefunktionelle
Acrylharze, Epoxidharze und Hydroxy-funktionelle Polyesterharze,
sind aber nicht darauf beschränkt.
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Bevorzugte
Polymerharze sind hitzehärtbare Harze,
die bei geringer Temperatur härten,
die zur Verwendung mit wärmeempfindlichen
Substraten, wie Holz, Faserplatte und einigen Kunststoffen, geeignet
sind. Bei niedriger Temperatur härtende
Zusammensetzungen härten
im allgemeinen bei Temperaturen von weniger als 163°C (325°F), bevorzugt weniger
als 149°C
(300°F),
am stärksten
bevorzugt weniger als 135°C
(275°F).
Die Härtung
ist ebenso im allgemeinen größer als
etwa 39°C
(100°F),
stärker bevorzugt
größer als
93°C (200°F), um Lager-
und Verarbeitungsstabilität
bereitzustellen. Beispiele einer geeigneten Beschichtungspulverzusammensetzung,
die bei niedrigen Temperaturen härten
kann, umfassen Systeme, umfassend ein säurefunktionelles Polymer, wie
Carbonsäure-funktionellen
Polyester oder ein Carbonsäure-funktionelles
Arcylharz, eine Polyepoxidverbindung, und einen optionalen Katalysator;
ein hitzehärtbares
Epoxidharz, und einen optionalen Katalysator; und ein GMA-Harz,
ein difunktionelles Carbonsäurehärtungsmittel,
einen Katalysator und gegebenenfalls 1 bis 10 Teile pro hundert
Teile an Harz eines matten Texturierungsmittels, beispielsweise
Polytetrafluorethylen (PTFE), oder Gemische aus PTFE und niedrigschmeizenden Wachsen
wie Paraffin.
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Die
Auftragung von Beschichtungen auf sowohl die Erscheinungsoberflächen als
auch auf die Nicht-Erscheinungsoberflächen eines Substrats ermöglichen
ein Gleichgewicht, das über
die gegenüberliegenden
Seiten des Substrats erreicht werden soll. Dieses Gleichgewicht
ermöglicht
die im wesentlichen einheitliche Penetration von Feuchtigkeit in das
Substrat und das im wesentlichen einheitliche Entgasen von flüchtigen
organischen Verbindungen (VOCs) aus dem Substrat. Mit der einheitlichen Feuchtigkeitspenetration
und Entgasen von flüchtigen
Bestandteilen aus jeder Seite des Substrats wird die unterschiedliche
Ausdehnung des Substrats kontrolliert und minimiert, wodurch die
Möglichkeit,
daß das
Substrat die Beschichtungen verzieht und spannt, verringert wird.
Beim Vermeiden oder Reduzieren der Spannungen, die auf die Beschichtungen ausgeübt werden,
wird die Menge und Schwere an Oberflächenfehlern im wesentlichen
verringert.
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Obwohl
die nachstehende Offenbarung in bezug auf ein Substrat, das aus
Faserplatte hergestellt wird, beschrieben ist, kann das Substrat
aus anderen Materialien hergestellt werden, einschließlich anderen
Lignocellulosematerialien (beispielsweise sowohl harte als auch
weiche Hölzer)
und Kunststoffen, sind aber nicht darauf beschränkt. Das Substrate wird so
geformt, daß es
eine Erscheinungsoberfläche (eine
Oberfläche,
die im allgemeinen sichtbar ist) und eine Nicht-Erscheinungsoberfläche (eine
Oberfläche, die
im allgemeinen nicht sichtbar ist) hat. Die Erscheinungsoberfläche kann
dekorativ konfiguriert sein, beispielsweise ausgearbeitet oder anderweitig
bearbeitet, um ein Design zu erzeugen. Die Nicht-Erscheinungsoberfläche ist
im allgemeinen nicht dekorativ konfiguriert, aber ist oftmals ausgearbeitet
oder anderweitig bearbeitet, damit sie Mittel umfaßt, durch die
Gas und Feuchtigkeit aus dem Kern des Substrats entweichen können. Beispiele
von Substraten mit Erscheinungsoberflächen und Nicht-Erscheinungsoberflächen umfassen
die, die zu Schranktüren,
Tischplatten, Fußbodenmaterialien
(beispielsweise Holzfußboden
und Vinylfußboden),
und Verzierungsformen formbar sind.
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Die
Faserplatte, aus der das Substrat hergestellt wird, hat im allgemeinen
eine mittlere Dichte und umfaßt
Holzfasern und Holzteilchen, gemischt mit einem bindenden Harz.
Das Gemisch wird dann auf die allgemeine Form des fertigen Produktes
heißgepreßt. Die
Faserplatte wird dann gehärtet,
damit sich das Harz absetzen kann, wobei die Faserplatte dabei ihre
Form behalten kann und dem Substrat ihre strukturelle Integrität verleiht.
Der Feuchtigkeitsgehalt der Faserplatte zu diesem Zeitpunkt beträgt etwa 5%
bis etwa 7% auf einer Gewicht/Gewicht-Basis. Einmal gehärtet kann
die Faserplatte so verarbeitet werden, daß sie die gewünschten ästhetischen
Konfigurationen, sowie funktionelle Öffnungen und Kanäle, die
das Entgasen von VOCs aus inneren Regionen der Faserplatte ermöglichen,
umfaßt.
Nach dem Bearbeitungsverfahren wird die Faserplatte mit der Beschichtung
beschichtet, um effektiv den Transfer von Feuchtigkeit zwischen
dem Faserplattenmaterial und der angrenzenden Umgebung zu kontrollieren (oder
zu verhindern).
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Pulverbeschichtungen
werden im allgemeinen gesprüht,
um Beschichtungsdicken von 0,0254 Millimetern (mm) bis 0,102 mm
bei einer Einzelauftragung zu erreichen. Im Gegensatz dazu sollte
angemerkt werden, daß zwei
Schichten Naßlack
typischerweise eine Beschichtung mit einer Dicke von weniger als
0,0254 mm liefern. Pulverbeschichtungen sind außerdem umweltfreundliche Alternativen zu
lösungsmittelbasierenden
Farben (die VOCs enthalten, die in die Atmosphäre freigesetzt werden) und Überzüge (die
Abfallösungen
erzeugen).
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Bei
einer Sprühauftragung
einer Pulverbeschichtung, da das Holz im wesentlichen elektrisch nicht-leitfähig ist,
wird die Oberfläche
davon künstlich leitfähig gemacht,
um die elektrostatische Haftung des Pulvers zu bewirken. Ein exemplarisches
Verfahren, um die Oberfläche
künstlich
leitfähig
zu machen, umfaßt
das Benetzen der Oberfläche,
bevorzugt durch Erhitzen des Holzes. Holz (sowie andere Materialien,
aus denen das Substrat hergestellt werden kann) ist im allgemeinen
wärmeempfindlich,
und deshalb betragen die Erhitzungstemperaturen im allgemeinen weniger
als etwa 165°C.
Das Erhitzen treibt die Feuchtigkeit zu den Oberflächen des
Holzes und erleichtert die Bildung einer dünnen Wasserschicht auf den
Oberflächen.
Die dünne
Wasserschicht verleiht dem Holz Leitfähigkeit, wodurch die Pulverbeschichtung,
die statisch geladen ist, an den Oberflächen haften kann. Die Temperatur,
auf die das Holz erhitzt wird, ist außerdem im allgemeinen ausreichend,
um die Teilchen des Pulvers miteinander zu schmelzen, wodurch das
Pulver eine Beschichtung bilden kann, die im wesentlichen frei von
Abweichungen und Variationen in der Dicke ist. Die Beschichtung
wird dann gegebenenfalls durch Hitze, UV-Licht oder einer Kombination
davon gehärtet.
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Bezieht
man sich nun auf 1, wird durch 10 eine
exemplarische Ausführungsform
eines Substrats gezeigt. Das Substrat 10 umfaßt ein im
wesentlichen ebenes Element, definiert durch Kanten 12, Ecken 14,
eine Erscheinungsoberfläche,
im allgemeinen als 16 zu sehen, und einer Nicht-Erscheinungsoberfläche, im
allgemeinen als 18 zu sehen, aufgebracht gegenüber der
Erscheinungsoberfläche 16. Wie
oben angegeben, wird das Substrat 10 aus einem Lignocellulosematerial,
wie einer Faserplatte gebildet. Unregelmäßigkeiten in den Oberflächen 16, 18,
gekennzeichnet durch Rillen, Kanäle,
Löcher oder ähnliche
Konfigurationen, ermöglichen,
daß variierende
Grade an Ausdehnung und Kontraktion bei der Übertragung von Feuchtigkeit
durch die Substratgrenzen in dem Substrat 10 realisiert
werden können.
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Die
Erscheinungsoberfläche 16 wird
zur Definition eines ästhetischen
Musters ausgearbeitet, geschnitten, bearbeitet, gebohrt, geprägt oder
anderweitig geformt. Obwohl das gebildete Muster von jeglicher Konfiguration
sein kann, ist es im allgemeinen eine geriffelte Oberfläche, wie
mit 20 gekennzeichnet, und wird hierin nachstehend als „Rille 20" bezeichnet. Eine
Erscheinungsbeschichtung 22 wird über die Erscheinungsoberfläche 16 aufgebracht. Die
Nicht-Erscheinungsoberfläche 18 kann
zur Definition eines Musters gegebenenfalls ähnlich geformt werden. Ein
solches Muster ist im allgemeinen weniger Design-orientiert und ästhetisch
ansprechender als das, das auf die Erscheinungsoberfläche 16 aufgebracht
wurde, und ist so konfiguriert, daß es für das Entgasen flüchtiger
Bestandteile aus Kernteilen des Substrats 10 aufgrund der
Alterung des Harzes, das zur Bindung von Holzfasern verwendet wird, sorgt.
Unregelmäßigkeiten,
die in Nicht-Erscheinungsoberfläche 18 gebildet
sind, sind im allgemeinen Löcher,
wie mit 24 in bezug auf 3 gekennzeichnet,
die hinsichtlich der Position der Rille 20 entsprechen,
aufgebracht auf die gegenüberliegende Erscheinungsoberfläche 16.
Eine Nicht-Erscheinungsbeschichtung 26 wird über die
Nicht-Erscheinungsoberfläche 18 aufgebracht.
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Um
das Ausmaß der
Ausdehnung für
das Substrat 10 einzuschränken, wodurch adäquate Entspannung
für die
Beschichtungen 22, 26 bereitgestellt wird, werden
die Rillen 20 und Löcher 24 an
vorbestimmten Flächen
ihrer jeweiligen Oberflächen 16, 18 dimensioniert
und positioniert. Die speziellen Ausmaße der Löcher 24 und ihre Stellungen
an der Nicht-Erscheinungsoberfläche 18 sind
von verschiedenen Parametern abhängig.
Solche Parameter umfassen, sind aber nicht beschränkt auf,
das Wesen des Substrats 10 (beispielsweise Dichte, Feuchtigkeitsgehalt,
Art des Bindungsharzes, Holzart, Substratdichtenprofil und dergleichen),
die Konfiguration der Rillen 20 (beispielsweise Tiefe und
Breite), die Art und Zusammensetzung des Beschichtungspulvers und
Verarbeitungsparameter (beispielsweise Temperatur und Zeiten, die
erforderlich sind, um das Härten des
Bindungsharzes und Härten
des Beschichtungspulvers zu bewirken).
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In
bezug auf das Substratdichtenprofil ist die Faserplatte mittlerer
Dichte im allgemeinen nahe der exponierten Oberflächen wesentlich
dichter als bei Regionen nahe des Kerns der Platte. Ähnliche
Merkmale treffen auf die Faserplatte hoher Dichte zu. Obwohl ein
solches Dichtenprofil für
gewöhnlich
in einer Faserplatte auftritt, die durch Komprimieren von Fasern,
die mit einem Harz gebunden sind, gebildet ist, kann die Auferlegung
eines ästhetischen
Designs, bewirkt durch das Einbringen der Rille 20 auf
der Erscheinungsoberfläche 16,
das Dichtenprofil verändern.
Insbesondere werden während
des Schneidens der Rille 20 die äußeren Schichten 28 des
Substrats 10 nahe der Oberflächen 16, 18 entfernt,
um die weniger dichten Schichten, gekennzeichnet mit 30 in
bezug auf 1, nahe der Kernregion von Substrat 10 zu
exponieren. Bei einer solchen Faserplatte verursachen die dichteren äußeren Schichten 28,
die eine Sperre gegen das Entgasen der flüchtigen Materialien aus dem
Bindungsharz bereitstellen würden, das
seitliche Entweichen flüchtiger
Bestandteile zu den bearbeiteten Kanten der Rille 20 und
den peripheren Kanten des Substrats 10. Die Wanderung der flüchtigen
Bestandteile entlang der seitlichen Wege führt im allgemeinen dazu, daß das meiste
des flüchtigen
Materials an den Kanten 12 von Substrat 10 entgast.
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Vor
der Auftragung der Beschichtungen 22, 26 läuft die
Faserplatte durch einen Erwärmungs- und
Abkühlungskreislauf,
in dem die Holzfasern in dem Harz gebunden und gehärtet werden,
und einen zweiten Erwärmungs-
und Abkühlungskreislauf,
in dem die Feuchtigkeit zu den Oberflächen des Substrats 10 getrieben
wird. Wenn die Feuchtigkeit aus dem Substrat 10 getrieben
wird, wird die Faserplatte immer mehr hygroskopisch. Bei Beendigung
der Erwärmungs-
und Abkühlungskreisläufe ist
die Faserplatte getrocknet worden, so daß eine Kontraktion des Materials
auftreten kann. Um die Faserplatte zu versiegeln, werden zur Verhinderung
der Absorption von Wasser aus der angrenzenden Atmosphäre, die Beschichtungen 22, 26 auf
beide Oberflächen 16, 18 aufgetragen.
Durch Verhindern der Absorption von Wasser in die Faserplatte wird
sich das Substrat 10 weniger wahrscheinlich ausdehnen und
das Substrat 10 verziehen, was die Kontinuität der Beschichtungen 22, 26 unterbrechen
kann.
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Die
Beschichtungen 22, 26 werden, wie oben angegeben,
bevorzugt sowohl auf die Erscheinungsoberfläche 16 bzw. die Nicht-Erscheinungsoberfläche 18 aufgetragen
und elektrostatisch angehaftet, um die Feuchtigkeitssperren bereitzustellen.
Verschiedene andere Arten, durch die die Beschichtungen 22, 26 auf
das Substrat 10 aufgebracht werden können, umfassen Vakuumaufdampfen,
Siebdruck und die Beseitigung des Substrats 10 in einem
Fließbett,
sind aber nicht darauf beschränkt.
Für Nicht-Pulverbeschichtungen
oder Pulverbeschichtungen, suspendiert in wässerigen oder Lösungsmittelmedien, kann
die Faserplatte in das Beschichtungsmaterial eingetaucht oder damit
gebürstet
werden.
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In
einer anderen exemplarischen Ausführungsform eines Substrats,
gekennzeichnet mit 110 in bezug auf 4, werden
die Kanten 121, definiert durch den Schnittpunkt der Rillen 120 mit
einer angrenzenden Oberfläche
bei einer Erscheinungsoberfläche,
im allgemeinen gekennzeichnet mit 116, abgerundet, um die
Haftung der Beschichtung (nicht gezeigt) an das Substrat 110 an
den Kanten 121 zu erleichtern. Außerdem werden die Kanten 125,
definiert durch die Schnittpunkte der Löcher 124 mit einer Nicht-Erscheinungsfläche, im
allgemeinen mit 118 gekennzeichnet, ebenso abgerundet.
Außerdem können die
Endoberflächen 127 der
Löcher 124 ebenso
abgerundet werden. Durch den Austausch scharfer Kanten mit abgerundeten
Oberflächen
wird überschüssiges Material,
aus dem das Substrat 110 hergestellt wird, entfernt, wobei
kürzere
und einheitlichere Temperaturprofile durch das Substrat 110 realisiert
werden können,
die sich von den Kernregionen des Substrats 110 zu den
Oberflächen
der darauf aufgebrachten Beschichtungen erstrecken. Die Einheitlich keit
der Temperaturprofile ermöglicht
einheitlicheres Abkühlen
des Substrats 110 während
der Abkühlkreisläufe, was
wiederum für
weniger Disparität bei
den Zeiten sorgt, die für
das Härten
der Beschichtungen an unterschiedlichen Teilen desselben Substrats 110 erforderlich
sind.
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Die
folgenden Beispiele beschreiben das obengenannte erfindungsgemäße Verfahren
weiter.