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Die vorliegende Erfindung betrifft Bespannungen für Maschinen zur Papierherstellung und bezieht sich im Besonderen auf Bespannungen für Auflage und Transport einer Faserbahn in Papiermaschinen.
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Unter dem Oberbegriff Papier werden Papiere verschiedenster Sorten, Kartone und Pappen zusammengefasst. Die Herstellung von Papier beginnt in der Regel mit der Ausbildung einer Faserstoffbahn aus einer Faserstoffsuspension. In Papiermaschinen werden als Auflage für die Suspension und die noch nicht selbstragende Faserbahn Bespannungen verwendet. Die Bespannungen sind in der Regel als Endlosbänder ausgeführt, die über Walzen umgelenkt jeweils innerhalb einer bestimmten Sektion der Papiermaschine umlaufen. Zur Ausbildung der Faser- bzw. Faserstoffbahn wird eine auf eine Bespannung in der Formierpartie einer Papiermaschine aufgebrachte Faserstoffsuspension durch die Bespannung hindurch entwässert. Zur Entwässerung weist die in diesem Bereich im Allgemeinen als Formiersieb bezeichnete Bespannung Durchgänge auf, über die der Faserstoffsuspension bzw. der sich darauf ausbildenden Faserstoffbahn Wasser entzogen wird. In nachfolgenden Sektionen einer Papiermaschine werden Filze verwendet, die in der Regel auf einer mechanisch hoch belastbaren Trägerbespannung aufgebracht sind.
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Die in Papiermaschinen gegenwärtig eingesetzten Bespannungen bzw. Trägerbespannungen bestehen gegenwärtig überwiegend aus gewobenem Material. Gewobene Bespannungen weisen regelmäßige Strukturen mit sich wiederholendem Grundmuster auf. Üblicherweise sind gewobene Bespannungen aus mehreren Weblagen unterschiedlicher Fadenstärke und Fadenführung aufgebaut. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Webstruktur weisen die einzelnen Lagen solcher Bespannungen nicht nur voneinander abweichende Permeabilitäten für Wasser auf, sondern führen, da in den oberen Lagen ausgebildete Öffnungen bzw. Durchgänge regelmäßig von Garnen darunter liegender Weblagen verdeckt werden, auch lateral zu lokalen Variationen in der Permeabilität der gewobenen Bespannung (als obere Lage ist hierbei die Laufseite der Bespannung zu verstehen, d. h. die Weblage, auf der die Faserstoffsuspension bzw. Faserstoffbahn gestützt wird). Eine lateral variierende Permeabilität resultiert in einer lateral variierenden Entwässerungsgeschwindigkeit der Faserstoffbahn, die wiederum zu sichtbaren Markierungen in der Papierbahn und damit zu einer schlechten Papierqualität führt, wobei die unterschiedlich entwässerten Bereiche aufgrund des sich regelmäßig wiederholenden Webmusters in einer regelmäßigen Anordnung vorliegen. Geringer entwässerte Bereiche einer Papierbahn können außerdem auch eine geringere Faserdichte aufweisen.
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Gewobene Bespannungen weisen eine geringe Biegesteifigkeit auf und neigen beim Umlauf in Papiermaschinen daher häufig zu Faltenbildung. Die Verwendung von Monofilamenten unterschiedlicher Materialien wie z. B. eine Kombination von Garnen aus Polyethylenterephthalat (PET) und Polyamid (PA) auf der Laufseite einer Bespannung führt aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften dieser Materialien bezüglich Wasseraufnahme, Dehnung etc. ferner zu auf- bzw. abstehenden Seitenkanten.
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Bespannungen können nicht als Endlosband gewoben werden. Zur Ausbildung eines Endlosbandes müssen die beiden Enden eines endlich langen Webbandes miteinander verbunden werden. Um zu Markierungen der Papierbahn führende Irregularitäten an der Verbindungsstelle zu vermeiden, erfolgt die Verbindung gegenwärtig über eine komplizierte Webnahtstruktur, die sich über einen größeren Bereich erstreckt. Die hierdurch bedingte aufwändige Herstellung gewobener Formiersiebe schlägt sich in entsprechend hohen Herstellungskosten nieder.
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Als Alternative zu gewobenen Bespannungen wurden Bespannungen vorgeschlagen, die aus nichtgewebten Materialbahnen hergestellt werden. In der Patentschrift
CA 1 230 511 wird beispielsweise eine Bespannung angegeben, die von einem Laminat aus mehreren Lagen nichtgewebter wasserundurchlässiger Materialien gebildet ist, in das Öffnungen zur Entwässerung eingebracht sind. Solche Folienlaminate in den für Papiermaschinen erforderlichen Dimensionen herzustellen ist jedoch mit einem hohen Aufwand verbunden. Außerdem sind solche Mehrschichtfolienlaminate relativ steif und neigen unter den beim Einsatz in der Formier- oder Trockensektion einer Papiermaschine vorherrschenden Bedingungen zum Delaminieren.
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In der Patentanmeldung US 2010/0230064 wird eine Bespannung zur Verwendung in Papiermaschinen angegeben, die aus einem wendelförmig gewickelten Polymerband hergestellt wird. Die Breite des Polymerbands ist wesentlich geringer als die Breite der daraus erstellten Bespannung, wobei die Längsrichtung des Polymerbands, abgesehen von der durch die Windungshöhe gegebenen Schräglage, mit der Laufrichtung der Bespannung übereinstimmt. Die sich einander gegenüberliegenden Seitenkanten benachbarter Windungsgänge des Polymerbands sind zur Ausbildung einer geschlossenen Lauffläche miteinander verschweißt.
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Bespannungen werden in Papiermaschinen sehr hohen Zugspannungen ausgesetzt, die zu einer Dehnung des Polymerbands führen. Um dem zu begegnen wird das zur Herstellung der Bespannung verwendete Polymerband üblicherweise verstreckt, wobei das Verstrecken je nach Anwendungsfall in eine, in eine andere, oder in beide Richtungen erfolgen kann. Üblicherweise sind die zur Herstellung einer Bespannung im oben beschriebenen Wickelverfahren verwendeten Polymerbänder zumindest in Längsrichtung verstreckt. An den Schweißnähten sind die durch das Verstrecken erzielte Polymerorientierung und Kristallinität gestört, wodurch die mechanische Stabilität der Bespannung an diesen Stellen geschwächt ist. Damit dies zu keiner Formänderung der Bespannung während des Umlaufs führt, muss die Neigung der Schweißnaht zur Laufrichtung der Bespannung ausreichend gering sein, damit die Zugspannungen vollständig vom Polymerband aufgenommen werden und zu keiner Dehnung der Schweißnaht führen können. Hierfür muss das Polymerband im Verhältnis zu Länge und Breite der Bespannung ausreichend schmal sein, wodurch sich eine sehr lange Schweißnaht ergibt. Zum Erstellen der Schweißnaht muss entweder das vorgewickelte Polymerband unter dem Laserstrahl geführt werden, oder der Laserstrahl muss über das vorgewickelte Polymerband geführt werden. Beide Verfahren sind technisch sehr aufwändig und führen daher zu hohen Herstellungskosten.
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Es ist daher wünschenswert eine Bespannung für Papiermaschinen anzugeben, die von einem Endlosflachmaterial mit über der Fläche gleichförmigen mechanischen Eigenschaften gebildet ist.
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Ausführungsformen solcher Bespannungen sind aus einem nicht verstreckten Flachmaterial hergestellt, dessen quer zur Laufrichtung angeordnete Kanten zur Herstellung eines Endlosbands stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Das so hergestellte unverstreckte Endlosband wird anschließend verstreckt, wobei das Verstrecken vorzugsweise in Laufrichtung des Bands erfolgt.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bestimmter Ausführungsbeispiele, den Ansprüchen und den Figuren. Bei der nachfolgenden Erläuterung einiger Ausführungsbeispiele der Erfindung wird auf die beiliegenden Figuren Bezug genommen, von denen
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1 eine als Endlosband ausgeführte Bespannung in einer schematischen Darstellung zeigt,
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2 eine Schweißnahtverbindung gemäß einer ersten Ausführungsform veranschaulicht,
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3 eine Schweißnahtverbindung gemäß einer zweiten Ausführungsform veranschaulicht, und
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4 eine Schweißnahtverbindung gemäß einer dritten Ausführungsform veranschaulicht.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die Ausführungsformen der beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern durch den Umfang der beiliegenden Patentansprüche bestimmt ist. Insbesondere können die einzelnen Merkmale bei erfindungsgemäßen Ausführungsformen in anderer Anzahl und Kombination als bei den untenstehend angeführten Beispielen verwirklicht sein. In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für funktionell gleichwertige Charakteristiken unabhängig von speziellen Ausführungsformen verwendet.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer als Endlosband ausgeführten Bespannung 10. Die Bespannung besteht aus einem Band 1 das seitlich von zwei Seitenkanten 2 und 3 begrenzt ist, von denen jede einer geschlossenen Line folgt und somit kein Ende aufweist. Entsprechend ist auch das Band in sich geschlossen als sogenanntes Endlosband ausgeführt. Die Seitenkanten sind in der dargestellten Ausführungsform in Laufrichtung der Bespannung 10 ausgerichtet. Außer durch die beiden Seitenkanten 2 und 3 ist das Band 1 durch zwei einander gegenüber angeordnete Oberflächen 5 und 6 begrenzt. Die sich in der Darstellung selbst zugewandte Oberfläche 6 des Bandes bildet die Innenseite der Bespannung und wird in der Regel zur Übertragung von Kräften für einen Umlauf des Bandes verwendet. Die dieser gegenüberliegende, in 1 nach außen weisende, Oberfläche 5 dient üblicherweise als Auflage für die Faserstoffsuspension bzw. Faserstoffbahn. Bei Verwendung der Bespannung als Trägerbespannungen dient die äußere Oberfläche dem Aufbringen weiterer Bespannungskomponenten.
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Die durch die Breitenausdehnung des Bandes 1 gegebene Richtung QR wird im Folgenden als Querrichtung bezeichnet und stimmt beim Einsatz der Bespannung in einer Papiermaschine mit der Maschinenquerrichtung überein. Der Umlauf der Bespannung 10 erfolgt quer hierzu in die auch als Längs- oder Laufrichtung bezeichnete Richtung LR, deren räumlicher Verlauf in 1 für die darin skizzierte Bespannung veranschaulicht ist.
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Zur Ausbildung einer porösen Bespannung 10 kann das Band 1 eine Vielzahl von Löchern 4 aufweisen. Jedes der Löcher 4 bildet einen Durchgang von der äußeren Oberfläche 5 des Bands 1 zu dessen innerer Oberfläche 6 aus. Diese Löcher werden auch als Poren 4 bezeichnet und dienen der Entwässerung eines bei der Herstellung von Papier auf der Bespannung aufliegenden Faserstoffmaterials.
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Zur Herstellung einer, aus einem polymeren folienförmigen Endlosband 1 gebildeten, mechanisch stabilen Bespannung wird vorteilhaft ein durch Extrudieren oder Gießen hergestelltes flächiges Substrat aus thermoplastischem Kunststoff wie beispielsweise Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylennaphthalat (PEN), Polyphenylensulfid (PPS), Polyetheretherketone (PEEK), Polyamid (PA), Polyolefinen und Polyimide (PI) verwendet. Diese Materialien sind in Form von Platten oder als Rollenware bekannt und im Handel erhältlich.
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Zur Herstellung von uniaxial oder biaxial verstreckten folienförmigen Bahnen werden solche Flächensubstrate üblicherweise unmittelbar vor dem Verstrecken extrudiert und, sobald sie ausreichend abgekühlt sind, auf einer an den Extruder anschließenden Verstreckanlage verstreckt. Das verstreckte Material wird anschließend üblicherweise aufgerollt oder konfektioniert.
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Die zur Ausbildung erfindungsgemäßer Bespannungen verwendeten Flächensubstrate sind nicht verstreckt. Zur Herstellung der Bespannung 10 werden die beiden quer zur Laufrichtung der Bespannung angeordneten Kanten bzw. Enden des Flächensubstrats stoffschlüssig miteinander verbunden. Die stoffschlüssige Verbindung erfolgt vorzugsweise durch Verschweißen der beiden Kanten, wobei Schweißverfahren wie Ultraschallschweißen, thermisches Schweißen oder Transmissionsschweißen bevorzugt werden. Beim Verschweißen entstehende Unebenheiten wie z. B. Grate oder Schmelzränder werden nach dem Verschweißen eingeebnet, um eine homogene Bandoberfläche zu erhalten. Das Einebenen erfolgt durch Schleifen oder Glätten, z. B. mit Ultraschall. Die Enden des Flächensubstrats werden vorzugsweise auf Stoß angeordnet und dann verschweißt. Alternativ können die Flächensubstratenden auch überlappend verschweißt und anschließend eingeebnet werden.
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Weist das Flächensubstratmaterial keine ausreichende Absorption der zum Schweißen verwendeten Energieform auf, so kann wie im dargestellten Beispiel veranschaulicht auf eine oder (wie nicht dargestellt) auf beide der miteinander zu verbindenden Grenzschichten der Flächensubstratenden ein Absorbermaterial aufgebracht werden. Bei Verwendung eines Transmissionsschweißverfahrens im NIR-Bereich (NIR: Nahes Infrarot) von etwa 700 bis 1400 nm wird mit der Absorberschicht 9 eine gezielte Wärmeeinleitung in die Grenzschicht erzielt. Alternativ können auch absorberfreie Schweißverfahren, beispielsweise Laserschweißverfahren mit Wellenlängen im Bereich von etwa 1700 bis 2000 nm verwendet werden, wobei der Laserstrahl vorzugsweise auf die zu verschweißenden Stoßkanten fokussiert wird. Eine weitere Alternative bietet die Verwendung eines zweiten Lasers oder einer zusätzlichen intensiven Lichtquelle, deren Wellenlänge von dem Bahnmaterial gut absorbiert wird und das Flächensubstratmaterial im Bereich der Stoßkanten vorheizt, wodurch der gleichzeitig oder nachfolgend einstrahlte Schweißlaser besser absorbiert und somit wirksam eingesetzt werden kann.
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Eine effektive Verschweißung kann durch Anschrägen oder Profilierung der Stoßkanten erzielt werden. Beispiele für entsprechend bearbeitete Flächensubstratkanten sind in den 2, 3 und 4 jeweils im ungefügten (links) und gefügten (rechts) Zustand veranschaulicht. 2 zeigt die beiden einander gegenüber angeordneten Enden eines Flächensubstrats 1 in einer Seitenansicht. Die eventuell verwendete Absorberschicht 9 ist in den 2, 3 und 4 schraffiert dargestellt. Abweichend von der Darstellung können auch beide Stirnkanten mit einer Absorberschicht 9 versehen sein. Nach dem Verschweißen sind die beiden Stirnseiten an der Fügefläche 11 miteinander verbunden.
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Im Unterschied zur abgeschrägten Ausführung nach 2 weisen die beiden Bandenden bzw. Stoßkanten des in 3 veranschaulichten Beispiels eine zueinander komplementäre Stufenprofilierung auf. Auch hier kann wieder eine Absorberschicht 9 zum besseren Verbinden der Enden an der Fügefläche verwendet werden. Ein weiteres Beispiel einer Fügekantenprofilierung zeigt die 4. Bei dieser Ausführungsform werden die zu verbindenden Kanten des Flächensubstrats 1 in Form eines komplementär gestalteten Nut- und Federprofils vorbearbeitet, wobei Nut und Feder vorzugsweise wie gezeigt mit einer leichten Verjüngung ausgeführt werden um ein leichtes Ineinanderschieben zu ermöglichen. Diese Profilform zeichnet sich insbesondere durch eine große Sicherheit gegenüber ungewolltem vertikalen Versatz der beiden Bandenden beim Verbinden aus. Wie zuvor kann auch hier eine Absorptionsschicht 9 auf eine oder auf beide Stirnkanten der Flächensubstratenden aufgebracht werden, um das Verbinden der Flächensubstratenden durch Schweißen zu erleichtern.
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Die Erfinder haben herausgefunden, dass die Polymerstruktur der Schweißnaht eines gegossenen oder extrudierten thermoplastischen Flächensubstrats weitgehend der des unbehandelten Flächensubstrats ähnelt. Dadurch weist die Schweißnaht in etwa gleiche Eigenschaften wie der Rest des Flächensubstrats auf. Dies wurde durch Versuche bestätigt, bei denen die stoffschlüssigen ”Nähte” den nachfolgend beschriebenen Verstreckungsprozess problemlos durchlaufen, d. h. keine von der Dehnung des übrigen Flächensubstrats abweichende Dehnung zeigen.
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Nach dem Herstellen des Endlosflächensubstrats wird dieses verstreckt. Die Verstreckung erfolgt in Längsrichtung des Endlosflächensubstrats, d. h. in dessen Laufrichtung. Die zum Verstreckung verwendete Vorrichtung weist wenigstens eine Aufheizzone und zumindest ein Walzenstreckwerk auf. Das Aufheizen des jeweils in der Aufheizzone angeordneten Bereichs des Endlosflächensubstrats erfolgt vorzugsweise mittels Infrarotstrahlern. Um eine ausreichend hohe Festigkeit des Endlosbands 1 zu erreichen, wird die Folie beim Verstrecken mithilfe des einen oder der mehreren Walzenstreckwerke um einen Faktor im Bereich von etwa 2 bis 10, vorzugsweise um einen Faktor im Bereich von 3 bis 6 gestreckt. Das Band wird dadurch nicht nur länger, sondern auch dünner. Um verstreckte Bänder mit einer definierten Solllänge zu erhalten, muss die Ausgangslänge des Endlosflächensubstrats um den Streckfaktor geringer ausfallen: LF = LEB/SF; (1) worin LF die Ausgangslänge des Endlosflächensubstrats (in Laufrichtung bzw. Verstreckrichtung) und LEB die Länge des Endlosbands 1 nach dem Verstrecken des Endlosflächensubstrats um den Verstreckfaktor SF angibt. Der Verstreckfaktor SF wird dabei so gewählt, dass beim bestimmungsgemäßen Einsatz der Bespannung in einer Papiermaschine kein weitere störende Längung der Bespannung auftritt.
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Die Verstreckvorrichtung weist bei einer bevorzugten Ausführungsform eine Einrichtung zum Kompensieren der Längung des Endlosflächensubstrats während des Verstreckens auf. Vorteilhaft weist die Verstreckvorrichtung hierzu eine Streckwalze oder Spannwalze auf, deren relative Lage innerhalb der Streckvorrichtung entsprechend der jeweils bewirkten Längung des Endlosflächensubstrats verändert werden kann. Ferner weist die Verstreckvorrichtung vorzugsweise eine Konstruktion auf, die das Einbringen der noch unverstreckten Endlosflächensubstrate und das Ausbringen der verstreckten Endlosbänder 1 ermöglicht, wie beispielsweise eine mit einem Klappmechanismus verbundene Walze.
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Beim Verstrecken wird an einer beliebeigen Stelle des Endlosflächensubstrats begonnen. Das Verstrecken kann sich über einen Umlauf des Endlosflächensubstrats erstrecken. In diesem Fall muss der Verstreckvorgang an der Stelle beendet werden, an der er begonnen hat, so dass keine nicht verstreckten Bereiche übrigbleiben oder Bereiche doppelt verstreckt werden. Beides würde Bereiche mit unterschiedlichem Dehnungsverhalten hervorbringen. Um die Auswirkungen eventueller Toleranzen in der Steuerung der Verstreckungslänge zu minimieren, erfolgt das Verstrecken vorzugsweise in mehreren Umläufen, so dass jeder Bereich eines Endlosflächensubstrats wenigstens zwei- vorzugsweise mehrmals verstreckt wird. Da das Endlosflächensubstrat bei jedem Umlauf nur um einen bestimmten Bruchteil der endgültigen Verstreckung verstreckt wird, sind bei diesem Verfahren die Unterschiede im Dehnungsverhalten von zwei unterschiedlich oft verstreckten Bereichen geringer.
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Um ein Band mit weitgehend einheitlichem Verstreckungsgrad zu erhalten, werden bei bevorzugten Ausführungsformen der Verstreckungsvorrichtung kraftgeregelte Streckwerke verwendet. Nach nahezu einem Umlauf in der Verstreckungsvorrichtung kommt der bereits verstreckte Bereich erneut in das Streckwerk. Die benötigte Streckkraft steigt an. Die Differenzgeschwindigkeit im Streckwerk wird so reduziert, dass die Verstreckkraft für den unverstreckten Bereich des Endlosflächensubstrats konstant gehalten wird. Um den bereits verstreckten Bereich weiter zu verstrecken sind höhere Kräfte notwendig. Die Streckkraft wird im Anfangs- und Endbereich des Verstreckungsvorgangs vorzugsweise so gesteuert, dass eine den übrigen Bereichen des verstreckten Endlosflächensubstrats entsprechende, homogene Dicke bzw. Stärke des Endlosbands 1 erreicht wird.
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Die Breite der verstreckten Endlosbänder 1 liegt bevorzugt im Bereich von etwa 1 bis 10 Metern. Ist die Breite eines nach einem obigen Verfahren verstreckten Endlosflächensubstrats geringer als die Breite des herzustellenden Endlosbands, so können zwei oder mehrere verstreckte Endlosflächensubstrate gleicher Länge und gleichen Verstreckungsgrads in Querrichtung nebeneinander angeordnet und in Laufrichtung miteinander verschweißt werden; beispielsweise mittels Transmissionsschweißens. Bevorzugte Ausführungsformen einer mit einem wie oben beschriebenen Verfahren hergestellten Bespannung weisen eine Dicke im Bereich von etwa 150 bis 800 μm auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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