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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, wie im einleitenden Abschnitt
des Patentanspruchs 1 beschrieben wird.
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In
Papier- und Kartonmaschinen gemäß dem Stand
der Technik wird der Ganzstoff von dem Stoffauflaufkasten zu der
Papier- bzw. Kartonmaschine gewöhnlich
in einen gemeinsamen Lauf zwischen zwei Siebschlaufen eingespeist,
wo das Wasser aus der Bahn, so symmetrisch wie möglich, durch beide Siebe entfernt wird.
Das Ziel ist eine Bahn, welche symmetrisch in Bezug auf das Längsmittenniveau
der Bahn ist. Von der Siebpartie wird die Papier- oder Kartonbahn
zu der Presspartie geführt,
wo mehr Wasser aus der Bahn entfernt wird, und dann zu der Trocknungspartie,
wonach die Bahn auf die Trommel aufgewickelt wird, und, falls notwendig,
zum Finishing gebracht wird.
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Die
Herstellung von Papier- und Kartonbahnen beginnt herkömmlicherweise
in dem Stoffauflaufkasten durch Zubereitung eines Ganzstoffs, in
welchen Fasermaterial und Füllstoffe
als auch Feinstoffe und Additive gemischt werden. Das Ganzstoffsystem
mischt die Fasern und Füllstoffe
als auch die potenziellen Feinstoffe und Additive in einen Ganzstoff,
der so homogen wie möglich
ist, welcher in den Stoffauflaufkasten der Papier- oder Kartonmaschine
gespeist wird. Bei mehrlagigen Bahnen können mehrere getrennte Ganzstoffsysteme
für die
Einspeisung verschiedener Fasersuspensionen entweder in einem einzelnen
Stoffauflaufkasten oder in mehreren Stoffauflaufkästen verwendet
werden. Der Stoffauflaufkasten verteilt die Ganzstoffsuspension gleichmäßig auf
dem Bahnabschnitt, wo die Entwässerung
und die Bahnbildung beginnt. Es gibt verschiedene Arten von Siebpartien
oder Formern im Stand der Technik: Langsiebformer, Hybridformer
und Spaltformer. Kartonmaschinen können mehrere Siebpartien haben.
Bei den Lösungen
im Stand der Technik ist es möglich, die
Verteilung von Faser und Füllstoff
in der Dickerichtung in einer begrenzten Art und Weise zu steuern,
zum Beispiel durch die Anordnung der Entwässerungselemente auf dem Former
und durch die Verwendung von Vakuum. Die Füllstoffe akkumulieren oftmals
während
der Entwässerungsphasen
auf den Bahnoberflächen.
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Die
Steuerung der Füllstoffverteilung
in der Dickerichtung der Papierbahn ist in vielerlei Hinsicht ein wünschenswertes
Merkmal. Die Notwendigkeit, die Füllstoffverteilung zu steuern,
kann durch Faktoren, wie etwa die Notwendigkeit der Steuerung der
Symmetrie (Absorption, Rauheit) zwischen den Oberflächen der
Papierbahn oder durch die Notwendigkeit der Kontrolle der Oberflächeneigenschaften
des Grundpapiers beim Beschichten verursacht werden, die zum Beispiel
gemeinsam mit dem Finishing erfolgt. Jedoch war es bisher das Problem,
die Größenordnungen
und Richtungen von Variablen zu bestimmen, die die Steuerung der
Verteilung als auch die gegenseitige Interaktion zwischen verschiedenen
Einflüssen
beeinflussen. Diese Steuerung wird weiterhin durch die Tatsache
verkompliziert, dass die gleichzeitige Optimierung der verschiedenen Untervariablen
der Papierbahn die Qualität
nicht wie erwünscht
fortschreitet, was bedeutet, dass Kompromisse gemacht werden müssen.
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Bei
den Lösungen
im Stand der Technik bei Feinpapieranwendungen in der Fertigungslinie,
gibt das in der Fertigungslinie stattfindende Verfahren keine Information über die
Füllstoffverteilung
der Bahn, aber Informationen über
den Erfolg der Füllstoffverteilung
werden nach einer Verzögerung
von etwa einem Tag erhalten, da die Füllstoffverteilung nur auf der
Grundlage von Analysen bestimmt werden kann, die an der vollständigen Bahn
vorgenommen werden.
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Anordnungen
des Stands der Technik beinhalten die Messung der Wassermengen auf
dem Siebabschnitt, jedoch werden auf diese Weise erhaltene Informationen
nicht direkt genutzt, sondern sie wurden primär für die Erfassung von Informationen
verwendet, und nicht als eine Grundlage für Nachjustierungen.
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Hinsichtlich
der Lösungen
des Stands der Technik wird auf die US-Patentveröffentlichung Nr. 5,825,653
Bezug genommen, welche ein Steuerungsverfahren für den Siebabschnitt auf der
Grundlage eines Strömungsmodells
darstellt, wo der Siebabschnitt mittels der Strömungsberechnung gesteuert wird.
In dieser bekannten Anordnung wird auf der Grundlage der Siebentwässerung
und auf dem Strömungszustand
der Ganzstoffsuspension ein physikalisches Strömungsmodell erstellt, so dass
die Siebentwässerung
an verschiedenen Orten der Siebpartie durch Messung des entfernten
Wassers an verschiedenen Orten gemessen wird, und der Strömungszustand
der Ganzstoffsuspension wird mittels der Ganzstoffauslassstrahlgeschwindigkeit, der
Siebgeschwindigkeit und der Ganzstoffkonsistenz definiert. Die Papierqualität wird an
dem trockenen Ende der Papiermaschine überwacht. Das Modell definiert
einen Zielströmungszustand,
und der Unterschied zwischen dem tatsächlichen Strömungszustand
und dem Zielströmungszustand,
welcher eine Kostenfunktion ergibt, wird für die Definition der neuen
Steuerung und der eingestellten Werte verwendet wird, so dass der
Zielströmungszustand
erreicht werden könnte.
Diese bekannte Lösung
erfordert folglich die Erstellung eines physikalischen Strömungsmodells.
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Bezug
wird ebenfalls auf die US-Patentveröffentlichung Nr. 5,879,513
genommen, welche ein Verfahren und eine Ausstattung zur Entwässerung
auf dem Sieb- und/oder der Presspartie einer Papiermaschine oder
einer ähnlichen
Maschine darstellt. In diesem bekannten Verfahren wird ein Saugrohr
mit wenigstens einem Schlitz ausgestattet, und das Saugrohr wird
mit einer Vakuumquelle verbunden, um ein Vakuum in wenigstens diesem
Saugrohr zu erzeugen, und der Filz, das Sieb oder ein ähnliches
Gewebe wird in diesem Verfahren über
den Schlitz in dem Saugrohr geführt,
so dass das Vakuum Wasser aus dem Filz, dem Sieb oder einem ähnlichen
Stoff entfernt. In diesem Verfahren wird wenigstens die Wassermenge,
die in dem Saugrohr entfernt wird, gemessen, und die Vakuumkapazität wird auf
der Grundlage der gemessenen Information mittels einer Steuerungseinrichtung
gesteuert.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist, ein verbessertes Verfahren für die Steuerung
der Füllstoffverteilung
einer Papierbahn zur Verfügung
zu stellen.
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Eine
besondere Absicht der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren
für die
Steuerung der Füllstoffverteilung
in der Dickerichtung einer Papierbahn zu schaffen.
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Eine
weitere Absicht der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren für die Steuerung
der Papierbahnqualität
in einer Umgebung während
der Fertigung insbesondere hinsichtlich der Füllstoffverteilung zu schaffen.
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Noch
eine weitere Absicht der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zu schaffen, in dem die Papiermaterialverteilung bestimmt wird,
um eine erfolgreiche Beschichtung zu erzielen.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird zum Beispiel durch die Kombination
der Merkmale des unabhängigen
Anspruchs 1 erzielt. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
werden in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Erfindungsgemäß wird eine
Füllstoffverteilungssteuerung
auf Modellgrundlage bei der Steuerung der Füllstoffverteilung verwendet,
wo die Steuerungsvariablen des Stoffauflaufkastens und des Formers
einer Papier- oder
Kartonmaschine genutzt werden können.
Das Modell beschreibt die Füllstoffverteilung
mittels von in dem Modell bestimmten Parametern. In dem Füllstoffverteilungsmodell
kann die Art der Verteilung oder Verwendung von zwei Parametern
beschrieben werden, einem Symmetriekoeffizienten, der die Symmetrie
der Verteilung beschreibt, und einen Ausdruck, der die Form der
Verteilung beschreibt, gewöhnlich
seine Ähnlichkeit
zum Buchstaben U. Das Modell wird bevorzugt verwendet, um die Größenordnung
und die Richtung des Einflusses von Parametern abzuschätzen, die
die Form der Verteilung und die gegenseitige Interaktion der Parameter
beeinflussen. Das Modell wird bevorzugt ebenfalls für die Festlegung
einer Strategie zur optimierten Kontrolle der Füllstoffverteilung verwendet.
Auf diese Weise kann zum Beispiel die gleiche Füllstoffverteilungssymmetrie
durch verschiedene Kombinationen von verschiedenen Steuerungsvariablen
erzielt werden. Zum Beispiel können die
von einer vollständigen
Faserbahn in einem Labor definierte Verteilungen als die Steuerungsvariable
in der Verteilungssteuerung und bei der Erstellung des Modells verwendet
werden, und die Strömung
und das Konsistenzgleichgewicht des aus dem Former entfernten Wassers
als auch die Strömung
und die Konsistenzunterschiede dieser Wässer zwischen den verschiedenen
Seiten der Bahn können
ebenfalls als die Steuerungsvariable verwendet werden. Falls notwendig
ist es möglich,
eine geeignete, in der Fertigungslinie stattfindende Messung zu
verwenden, wie etwa die indirekte Helligkeitsmessung, für die Überwachung der
Unterschiede zwischen den unterschiedlichen Seiten des Papiers und
der Funktionalität
des Modells. Die in dem Modell verwendeten Grenzwerte können der
Stoffeintrag, die Entwässerung
und die potenzielle Aschekonsistenz/Strömungsgeschwindigkeitskonsistenz
sein.
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Das
erfindungsgemäße Modell
erfordert nur die in der Fertigungslinie stattfindende Messung der
in der Siebpartie entfernten Wassermengen. Die Füllstoffverteilung wird mittels
des Modells auf der Grundlage der gemessenen Ergebnisse vorhergesagt.
Die Konsistenz des entfernten Wassers kann ebenfalls gemessen werden.
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In Übereinstimmung
mit einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird bevorzugt die Gesamtströmungsgeschwindigkeit des Siebabschnitts
gemessen, und die Zweiseitigkeit des Papiers wird überwacht,
dies ergibt ausreichende Information für die Füllstoffverteilungssteuerung.
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In Übereinstimmung
mit einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die
Mengen des entfernten Wassers getrennt an Walzenentwässerungsstellen
und an Schaberentwässerungsstellen gemessen
werden, und die Füllstoffverteilung
wird auf dieser Crundlage definiert. In diesem Zusammenhang werden
bevorzugt die Einflüsse
der stabilen Entwässerung
(Walzenentwässerung)
und der pulsierenden Entwässerung
auf das Modell in Betracht gezogen; diese Einflüsse haben eine Wirkung auf
die Form der Füllstoffverteilung,
insbesondere darauf, wie viel Füllstoff
an den Oberflächen
verglichen zu dem Mittelteil der Bahn vorhanden ist.
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung werden, wenn auf die neue Geometrie
auf der Siebpartie übergegangen
wird, bevorzugt die Steuerungsvariablen der neuen Geometrie bestimmt,
um das Modell zu definieren.
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In Übereinstimmung
mit dem Modell können
die folgenden Daten in das Modell einbezogen werden: Die Ganzstoffkonsistenz,
die Faserzusammensetzung, die Füllstoffe
und die Ergebnisse der Wassermengenmessungen auf der Siebpartie
mit getrennt für
beide Seiten der Papierbahn angegebenen Wassermengen, so dass Informationen über die
Zweiseitigkeit der Entwässerung
erhalten werden. Auf der Grundlage des Modells kann die Füllstoffverteilung
aufgestellt werden, und der Bediener der Maschine kann die Füllstoffverteilung
verwenden, um die Betriebswerte so einzustellen, dass die erwünschte Verteilung
erzielt wird. Der Bediener kann, um die erwünschte Füllstoffverteilung zu erhalten,
verschiedene Betriebswerte justieren, wie etwa die Strömungsgeschwindigkeit
in der Entwässerungsausstattung,
die angelegten Vakuen, die in der Schaberentwässerung angelegte Last, oder
die Geometrie – auf
der Grundlage der mittels des Modells erstellten Füllstoffverteilung.
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Die
Lösung
der vorliegenden Erfindung kann sehr gut bei mehrlagigen Bahnen
verwendet werden, wo die Eigenschaften des zu den verschiedenen
Lagen eines Mehrschichtauflaufkastens eingespeisten Ganzstoffs und/oder
die Mengen der Füllstoffe,
Feinstoffe und Zusatzstoffe in diesen Ganzstoffen auf der Grundlage der
mittels des Modells erstellten Verteilung justiert werden.
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Im
Folgenden wird die Erfindung ausführlicher mit Bezug auf die
Figuren der beigefügten
Zeichnung beschrieben, wobei die Erfindung nicht eng auf die Einzelheiten
der Figuren begrenzt ist.
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Die 1 ist
eine schematische Ansicht des Formers einer Papiermaschine.
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Die 2 ist
eine schematische Ansicht eines Formers, wo die durchzuführenden
Wassermengenmessungen angegeben wurden.
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Die 3 ist
ein Blockdiagramm der Verwendung des Modells der vorliegenden Erfindung.
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Die 4a–4e stellen schematische Ansichten von einigen
durch das erfindungsgemäße Modell
erhaltenen Ergebnisse verglichen zu der tatsächlichen Situation dar.
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Die 1 ist
eine schematische Ansicht eines Beispiels der Siebpartie 10 einer
Papiermaschine, wobei das Beispiel einen so genannten Spaltformer
darstellt, in dem die Siebpartie aus zwei Siebschleifen 11 und 12 besteht,
und der Auslaufdüsenstrahl
ausgegeben aus dem Auflaufkasten (nicht dargestellt) in den Spalt 15 zwischen
diesen Siebschleifen läuft.
Beide Siebschleifen haben ihre eigenen Rückführungs- und Führungswalzen 13, 14,
von denen einige beweglich sein kann, wobei in diesem Fall die Spannungen
der Siebe 11, 12 mittels dieser Walzen geändert werden
können.
Der Auslaufdüsenstrahl,
der aus diesem Stoffauflaufkasten kommt, trifft zunächst die
Formwalze 20, nach der es einen Saugkasten 21 gibt,
welcher aus verschiedenen Entwässerungsschabern
aufgebaut ist. Der Saugkasten 21 hat typischerweise verschiedene
Vakuumkammern, so dass die Verwendung von Vakuum die Pressimpulse
intensiviert. An der gegenüberliegenden
Seite des Siebs gibt es gewöhnlich
belastbare Schaber 22, welche in der 1 mit
Pfeilen angegeben sind; diese Schaber fördern die Entwässerung
durch Ausübung
von Scherkräften
in der in dem Sieb befindlichen Suspension, und diese Scherkräfte brechen
Faserflocken auf, wodurch sie die Bahnbildung verbessern. Die Bahn
wird weiterhin aus dieser Entwässerungsphase
mittels eines Saugkastens 21 und eines belastbaren Schabers 22 zwischen
den Sieben 11, 12 zu der Gautschpresse 25 ausgeführt, wo
mehr Wasser aus der Bahn entfernt werden kann. Danach wird die Bahn
zu der Presspartie P auf der Oberfläche der letzteren Siebschleife 12 genommen.
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Die 2 stellt
schematisch Beispiele für
Entwässerungspunkte
dar, die in der Anordnung der Erfindung gemessen werden. Die gleichen
Bezugszeichen wurden für
die gleichen Teile in der 1 und in
der 2 verwendet.
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In Übereinstimmung
mit der 2 wird in einer bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung die Entwässerung
als Entwässerung
gemessen, die auf der Formierwalze 20 und in der Schaberfläche 21, 22 stattfindet.
Um die Füllstoffverteilung
zu bestimmen, werden die Wassermengenmessungen A, B, C, D, E durchgeführt, und
um das Füllstoffverteilungsmodell
zu bestimmen, werden ebenfalls die Informationen über die Strömungsrate
Q des Stoffauflaufkastens und über
die Strömungskonsistenz
c des Stoffauflaufkastens benötigt.
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Die
in der 2 gezeigten Buchstaben zeigen die Entwässerungsmessergebnisse,
die bei der Bestimmung der Füllstoffverteilung
gemäß der Erfindung
benötigt
werden, und die Strömungsrate
des Stoffauflaufkastens und die Strömungskonsistenz des Stoffauflaufkastens
werden ebenfalls durch Buchstaben angegeben. Im Folgenden gibt es
eine Legende der in den Figuren verwendeten Buchstaben:
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- Strömungsrate
des Stoffauflaufkastens = Q
- Strömungskonsistenz
des Stoffauflaufkastens = c
- Entwässerung
in der Formierungsfläche
= A + B + C + D + E
- Zweiseitigkeit der Entwässerung
in der Formierungsfläche
= BS/TS = (A + C)/(B + D + E)
- Walzenentwässerung
= A + B
- Zweiseitigkeit der Walzenentwässerung = BS/TS = A/B
- Schaberentwässerung
= C + D + E
- Zweiseitigkeit der Schaberentwässerung = BS/TS = C/(D + E)
- Unterseite der Bahn = BS
- Oberseite der Bahn = TS
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Die
vorhergehende Legende zeigt ebenfalls, wie die Gesamtentwässerung,
das heißt
die Entwässerung
A + B + C + D innerhalb der gesamten Formierungsfläche, die
Walzenentwässerung
A + B und die Schaberentwässerung
C + D + E von den Messergebnissen durch Berechnung bestimmt werden
kann. Es wird ebenfalls dargestellt, wie die Entwässerungsmessergebnisse
verwendet werden, um die Zweiseitigkeit der Entwässerung zu bestimmen.
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Gemäß der 3 werden
bevorzugt die in der vorhergehenden schematischen 2,
Block 31, erhaltenen Messergebnisse in das System 30 eingegeben,
wo die von der Wassermengenmessung 31 erhaltenen Ergebnisse
und die Konsistenzmessungen 32 in das Modell 33 eingegeben
werden, wobei auf dieser Grundlage die Füllstoffverteilung 34 bestimmt
wird. Danach führt
der Maschinenbediener die notwendigen Justierungen durch, um die
erwünschte
Füllstoffverteilung
durch Änderung
der Betriebswerte 36, wie etwa Strömungsrate, Vakuen, Schaberbelastung,
Geometrie, usw. in einer Art und Weise zu ändern; zum Beispiel wird eine
Erhöhung
des Vakuumgrades auf der Formierungswalze die Entwässerung
in der Formierungswalzenrichtung erhöhen, und eine Erhöhung der
Strömungsrate
des Stoffauflaufkastens wird die Schaberentwässerung erhöhen, wonach die Situation weiterhin
durch Änderung
der Betriebswerte auf der Grundlage der in der nächsten Phase erhaltenen Verteilungsdaten
festgelegt werden können.
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Bevorzugt
kann das Modell der Erfindung auf mathematischen Ausdrücken von
Parametern beruhen, die die Symmetrie der Füllstoffverteilung (Fsym) und
die Form der Füllstoffverteilung
(Fu) beschreiben: Fsym = f(Pu, Fsym, FRvac, LBvac,
LBf, HBX, Q) Fu = f(Pu, Fsym, FRvac, LBvac,
LBf, HBX, Q)
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Die
Ausdrücke
können
ebenfalls mittels der Entwässerung
dargestellt werden:
wobei:
- Psym
- = Symmetriekoeffizient
der Polymerdosierung
- Pu
- = Formkoeffizient
der Polymerdosierung
- FRvac
- = Vakuum der Formerwalze,
kPa
- HBX
- = Geometrie des Stoffauflaufkastenauslasses
- LBvac
- = Saugkastenvakuum
- LBf
- = Belastungskraft
der Belastungselemente
- Q
- = Strömungsrate
des Stoffauflaufkastens, l/s*m.
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Die 4a–4e stellen Füllstoffverteilungen gemessen
in einem Beispiel einer Mehrschichtbahn (durchgezogene Linie) und
die Füllstoffverteilung
mittels des Modells der Erfindung (gepunktete Linie) dar. Die vertikale
Achse zeigt den Füllstoffgehalt
und die horizontale Achse das prozentuale Gewicht. Die in jeder Schicht
verwendete Füllstoffverteilung
wird zusammen mit jeder Figur angegeben. Mit anderen Worten stellen die 4a–4e Beispiele für die Eignung des Füllstoffverteilungsmodells
in einem Serienlauf auf einer Pilotmaschine dar, wobei die Variable
in den Serien die Retention der chemischen Verteilung in der Dickerichtung
des Papiers war.
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Wie
aus den 4a–4e ersichtlich,
ergibt das Erfindungsmodell sehr gute Ergebnisse, welche die tatsächliche
Füllstoffverteilung
gut beschreiben.
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In
dieser Erfindung bezieht sich Papierbahn ebenfalls auf eine Kartonbahn.
