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Dokumentenidentifikation EP1593919 15.12.2005
EP-Veröffentlichungsnummer 0001593919
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Härtung von radikalisch polymerisierbaren Beschichtungen
Anmelder arccure technologies GmbH, 59557 Lippstadt, DE
Erfinder Bisges, Michael, 59556 Lippstadt, DE
Vertragsstaaten AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IS, IT, LI, LT, LU, MC, NL, PL, PT
Sprache des Dokument DE
EP-Anmeldetag 01.03.2005
EP-Aktenzeichen 050043975
EP-Offenlegungsdatum 09.11.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.12.2005
IPC-Hauptklasse F26B 3/28

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Härtung von radikalisch polymerisierbaren Beschichtungen von Substraten mit mindestens einer über dem Substrat angeordneten langgestreckten Strahlungsquelle, deren elektromagnetische Strahlung der unter der Strahlungsquelle durchlaufenden Beschichtung des Substrats über dessen volle Breite zugeführt wird. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Derartige Verfahren kommen beispielsweise bei der Trocknung und Aushärtung von Bedruckungen, Lackierungen und Kunststoffbeschichtungen mittels UV-Strahlung zum Einsatz. Anwendungsfälle finden sich in der Druckindustrie bei der Aushärtung von Druckfarben auf Folien oder Papierbahnen. Des Weiteren lassen sich Beschichtungen von Holzplatten und Folien aushärten.

Das jeweilige Substrat, beispielsweise die Folie oder Papierbahn, durchläuft üblicherweise verschiedene Prozessstationen, um anschließend als fertiges Produkt beispielsweise auf einer Vorratstrommel aufgewickelt zu werden. Handelt es sich bei dem Substrat nicht um eine flexible Bahn, sondern starre Substrate, wie beispielsweise eine Holzplatte, werden diese von einem Fördermittel zu den verschiedenen Prozessstationen transportiert.

Aus der WO 99/46546 ist eine Vorrichtung zum Härten einer Beschichtung auf einem Substrat bekannt, die eine über dem Substrat angeordnete UV-Strahlungsquelle aufweist, deren Strahlung über ein Reflektorsystem der Beschichtung zum Zwecke der Aushärtung zuführbar ist. Die von der Strahlungsquelle emittierte UV-Strahlung wird von einer UV-Reflektionsschicht einer Barriere durch die Lichtquelle hindurch auf die hinter der Lichtquelle angeordneten Reflektoren reflektiert, so dass der direkte Strahlengang der Lichtquelle auf das Substrat zumindest teilweise ausgeblendet wird. Durch diese Maßnahme wird eine wirksame Trennung der ultravioletten von der Infrarotstrahlung ermöglicht, um die Wärmebelastung des Substrats zu reduzieren.

Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich auf die Härtung von radikalisch polymerisierbaren Beschichtungen. Die Startreaktion wird durch die Bildung eines Radikals ausgelöst, was durch UV-Bestrahlung von Initiatoren erfolgt. Das Radikal lagert sich an die Doppelbindung eines Monomers an, wodurch dieses aktiviert wird und weiteres Monomer anlagern kann. Bei den Initiatoren handelt es sich um energiereiche organische oder anorganische Verbindungen, die durch photochemischen Zerfall Radikale bilden.

Problematisch bei den bekannten Verfahren zur Härtung von radikalisch polymerisierbaren Beschichtungen ist der recht hohe Energiebedarf zur Auslösung der Startreaktion. Häufig kommt es aufgrund einer zu hohen Zahl von Initiatoren zu einer Selbstinhibierung, die zur Folge hat, dass der für die Radikalisierung erforderliche photochemische Zerfall der Initiatoren nicht optimal abläuft.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art mit geringerem Energiebedarf und optimierter photochemischer Reaktion der Initiatoren in der radikalisch polymerisierbaren Beschichtung zur Verfügung zu stellen.

Die Lösung dieser Aufgabe beruht auf dem Gedanken, die Intensität der elektromagnetischen Strahlung auf die photochemische Reaktion der Initiatoren abzustimmen.

Im einzelnen wird die Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, dass mindestens zwei Bestrahlungszonen und mindestens zwei Schattenzonen auf der Beschichtung des Substrats abgebildet werden und die Radikalkettenpolymerisation in den Bestrahlungszonen in der Beschichtung ausgelöst wird. Die Auslösung der Reaktion erfolgt während des Durchlaufs des die zu härtende Beschichtung tragenden Substrats durch die Bestrahlungszone, die auf der Beschichtung abgebildet wird.

Die Radikalkettenpolymerisation innerhalb der Beschichtung benötigt eine hohe Aktivierungsenergie um ausgelöst zu werden. Anschließend läuft die Reaktionen exotherm unter Freisetzung von Energie ab. Das erfindungsgemäße Verfahren trägt diesem Reaktionsverlauf Rechnung, indem die Radikalkettenpolymerisation in jeder Bestrahlungszone durch das Einbringen der UV-Strahlung der Strahlungsquelle aktiviert wird, während in der exotherm ablaufenden Reaktionsphase keine zusätzliche UV-Strahlung eingebracht wird, da diese aufgrund der Bewegung des Substrats in der Schattenzone stattfindet. Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme wird die Wahrscheinlichkeit reduziert, dass die in der Beschichtung vorhandenen Photoinitiatoren ständig miteinander reagieren und damit die Radikalkettenpolymerisation blockieren.

Die Abstimmung der Größe, Form und Anordnung der Bestrahlungs- und Schattenzonen hat unter Berücksichtigung der Härtungszeit der Beschichtungen zu erfolgen, die typischerweise zwischen 0,01 s und 5 s liegt. Dabei beträgt die Durchlaufgeschwindigkeit abhängig vom Substrat zwischen 1 m/min bis 1000 m/min. Bei der angegebenen Aushärtungszeit von 0,01 s bis 5 s ergibt sich bei 10 quer zur Bewegungsrichtung des Substrats parallel zueinander angeordneten Bestrahlungszonen eine Zeit von 0,001 bis 0,5 s, die die elektromagnetische Strahlung in einer Bestrahlungszone auf der Oberfläche aktiv ist.

Um eine ausreichende Reaktionszeit für die Radikalkettenpolymerisation zur Verfügung zu stellen, ist es in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass bei konstanter Durchlaufgeschwindigkeit die Durchlaufdauer des Substrats unter den Schattenzonen mindestens der Durchlaufdauer des Substrats unter den Bestrahlungszonen entspricht.

Durch Bündelung der elektromagnetischen Strahlung in den Bestrahlungszonen wird der Energiebedarf für die Härtung deutlich reduziert. Abhängig von den verwendeten Initiatoren lässt sich mit der Hälfte der UV-Dosis und damit der benötigten Energie ein übereinstimmendes Härtungsergebnis erzielen, wie bei einer herkömmlichen flächigen Bestrahlung der Oberfläche. Insbesondere bei den hohen Energieverbräuchen für die Härtung, wie beispielsweise in Druckprozessen, lassen sich erhebliche Energieeinsparungen von mehreren 100 KW erzielen.

Des Weiteren konnten bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens teilweise Verbesserungen der Eigenschaften der ausgehärteten Beschichtung nachgewiesen werden, wie beispielsweise ein verbesserter Glanzgrad sowie eine verbesserte Kratzfestigkeit.

Schließlich bewirken die Schattenzonen eine Reduktion der Wärmebelastung des Substrats, da keine unnötige Wärmeenergie zusätzlich zu der freiwerdenden exothermen Energie bei der Radikalkettenpolymerisation eingebracht wird.

Die Bestrahlungszonen und die Schattenzonen werden vorzugsweise von einem zwischen jeder Strahlungsquelle und der Beschichtung angeordneten Blendensystem erzeugt.

Zweckmäßiger Weise werden die sich abwechselnden Bestrahlungs- und Schattenzonen parallel zu der Längsachse der langgestreckten Strahlungsquelle auf der durchlaufenden Beschichtung abgebildet. Die Längsachse der Strahlungsquelle steht senkrecht zu der Bewegungsrichtung des Substrats.

Um bestimmte Oberflächenstrukturen in der ausgehärteten Beschichtung zu erzeugen, ist es in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Bestrahlungs- und Schattenzonen in einem Winkel kleiner 90 ° zu der Längsachse der langgestreckten Strahlungsquelle auf der durchlaufenden Beschichtung des Substrats abgebildet werden.

Eine unterschiedliche Bestrahlungscharakteristik der Beschichtung lässt sich erzielen, wenn die Größe der Bestrahlungszonen und/oder der Schattenzonen während der Härtung verändert wird.

Vorzugsweise werden rechteckige Bestrahlungszonen und rechteckige Schattenzonen auf der durchlaufenden Beschichtung quer zur Bewegungsrichtung abgebildet, wobei sich die Bestrahlungs- und Schattenzonen über die volle Breite der Beschichtung erstrecken. Eine optimale Anpassung an die fortschreitende Radikalkettenpolymerisation während des Durchlaufs des Substrats lässt sich erzielen, wenn die Bestrahlungszonen und/oder die Schattenzonen in unterschiedlicher Breite zueinander in Durchlaufrichtung abgebildet werden.

Zur Durchführung des Verfahrens kommen Vorrichtungen mit einem Blendensystem oder aber mit Sammellinsen in Betracht. Bei dem Blendensystem sind Systeme mit statischer und beweglicher Blende voneinander zu unterscheiden. Die Ansprüche 11 - 14 betreffen Vorrichtungen mit statischem Blendensystem, Anspruch 15 eine Vorrichtung mit dynamischem Blendensystem. Anspruch 16 betrifft schließlich eine Vorrichtung mit Sammellinsen.

Die Einbauten der statischen Blenden teilen den Strahlengang in Bestrahlungs- und Schattenzonen auf. Die beweglichen Blenden öffnen bzw. unterbinden den Strahlengang auf das Substrat und erzeugen hierdurch Bestrahlungs- und Schattenzonen auf der durchlaufenden Beschichtung des Substrats. Die Sammellinsen bewirken eine Fokussierung der von der Strahlungsquelle ausgehenden Strahlung auf mehrere Bestrahlungszonen mit dazwischen verlaufenden Schattenzonen.

Ein statisches Blendensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 12 zeichnet sich durch die kompakte und einfache Bauform aus. Des Weiteren lassen sich die Stäbe durch Anordnung eines in Längsrichtung verlaufenden Kanals problemlos mit Wasser kühlen. Eine ebene Fläche der dreieckigen Stäbe des Blendensystems nach Anspruch 12 wird vorzugsweise parallel zum durchlaufenden Substrat angeordnet, um die Schattenzonen auszubilden.

Eine Einstellung der Bestrahlungs- und Schattenzonen vor dem Härtungsprozess ist mit einer Vorrichtung nach Anspruch 14 möglich. Indem die im Querschnitt dreieckigen Stäbe relativ zu den im Querschnitt rauten- oder drachenförmigen Stäben beweglich sind, lässt sich die Strahlungsdosis in den Bestrahlungszonen optimieren.

Die Oberfläche sowohl der im Querschnitt dreieckigen als auch der im Querschnitt rauten- oder drachenförmigen Stäbe der Blendensysteme sind zumindest, soweit elektromagnetische Strahlung der Strahlungsquelle auf sie trifft, reflektierend ausgeführt. Die von der Strahlungsquelle abgestrahlte elektromagnetische Strahlung wird durch diese Maßnahme weitgehend in die Bestrahlungszonen eingebracht, während lediglich geringe Wärmeverluste in dem Blendensystem auftreten.

Ein dynamisches Blendensystem, bei dem die Größe der Blendöffnung während der Härtung einstellbar ist, kann beispielsweise von mehreren um Rotationsachsen drehbaren Blenden gebildet werden, wobei die Rotationsachsen parallel zur Achse der Strahlungsquelle und quer zur Bewegungsrichtung des Substrats liegen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele von Bestrahlungsvorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert. Es zeigen

Figur 1
eine Bestrahlungsvorrichtung mit statischem Blendensystem,
Figur 2
eine Bestrahlungsvorrichtung mit statischem, jedoch einstellbarem Blendesystem
Figur 3
eine Bestrahlungsvorrichtung mit beweglichem Blendensystem sowie
Figur 4
eine Bestrahlungsvorrichtung mit mehreren Sammellinsen.

Die in Figur 1 lediglich teilweise dargestellte Substratbahn 1 wird von einem nicht dargestellten Antrieb in Richtung des Pfeils 2 unter der insgesamt mit 3 bezeichneten Bestrahlungsvorrichtung hindurchgeführt. Die Bestrahlungsvorrichtung wird im wesentlichen von einer in einem Gehäuse 4 angeordneten, langgestreckten Strahlungsquelle 5 für ultraviolette Strahlung sowie einem Blendensystem 6 gebildet. Die Strahlungsquelle 5 erstreckt sich in Richtung der Längsachse 7 über die gesamte Breite der Substratbahn 1.

Das Blendensystem 6 besteht aus fünf im Querschnitt dreieckigen Stäben 8, die jeweils einen Kühldurchgang 9 für Kühlwasser aufweisen. Die den Kanten 11 der dreieckigen Stäbe gegenüberliegenden Flächen 12 sind parallel zu der ebenen Substratbahn 1 angeordnet.

Abhängig von der Größe des zwischen den Seitenflächen 13 der dreieckigen Stäbe 8 eingeschlossenen Winkels α ändert sich die Größe der Strahlungs- bzw. Schattenzonen, die abwechselnd auf der Oberfläche der Substratbahn 1 quer zur Bewegungsrichtung 2 gebildet werden. Eine Vergrößerung des Winkels α hat größere Schattenzonen und kleinere Bestrahlungszonen zur Folge. Eine Vergrößerung des Winkels zieht allerdings auch verstärkte Verluste der Strahlungsenergie durch Reflektionen an den reflektierenden Oberflächen der Stäbe 8 nach sich.

Die Bestrahlungsvorrichtungen nach Figur 2 unterscheidet sich von der Bestrahlungsvorrichtung nach Figur 1 im wesentlichen dadurch, dass zwischen den dreieckigen Stäben 8 zusätzlich im Querschnitt rautenförmige Stäbe 14 angeordnet sind, die gegenüber den ortsfesten dreieckigen Stäben 8 verstellbar sind. Die Achse 15 des rautenförmigen Querschnitts des Stabes 14 steht senkrecht auf der Oberfläche des Substrats 1. Die in Achsrichtung 15 verstellbaren rautenförmigen Stäbe 14 erlauben die Einstellung unterschiedlich breiter Bestrahlungs- und Schattenzonen auf der Beschichtung der Substrats.

Die Ausführungsform nach Figur 3 weist ein dynamisches Blendensystem auf, dessen Blendöffnungen während der Härtung einstellbar sind. Die im Querschnitt linsenförmigen Blenden 16 sind um Rotationsachsen 17 in Richtung des Pfeils 18 drehbar. Die Rotationsachsen 17 verlaufen parallel zur Längsachse 7 der langgestreckten, stabförmigen Strahlungsquelle 5. Die Blenden 16 werden synchron um die Rotationsachsen 17 gedreht. Nach einer Drehung aus der in Figur 3 dargestellten Ausgangslage um 90 Grad befinden sich sämtliche Blenden 16 in der gestrichelt dargestellten Position 16a, in der sich die Kanten 19 der linsenförmigen Blenden 16 nahezu berühren. In dieser Position gelangt keinerlei Strahlung aus dem Gehäuse 4 auf die Beschichtung des Substrats. In der in Figur 3 dargestellte Ausgangslage sind die einstellbaren Blendöffnungen 21 zwischen den Blenden 16 maximal geöffnet. Die sich während der Härtung drehenden Blenden 16 bilden auf der unter der Bestrahlungsvorrichtung hindurchbewegten Beschichtung abhängig von dem Verdrehwinkel der Blenden unterschiedlich große Bestrahlungs- und Schattenzonen ab.

Den Ausführungsformen nach den Figuren 1 - 3 ist gemeinsam, dass aufgrund der Geometrie der reflektierenden Stäbe des Blendensystems 6 eine Strahlteilung bewirkt wird, die die Reflektionsverluste der elektromagnetischen Strahlung an dem Blendensystem 6 reduziert. Die Strahlteilung wird im wesentlichen durch die spitzwinkligen, in Richtung der Strahlungsquelle weisenden Kanten der reflektierenden Stäbe bewirkt.

Figur 4 zeigt schließlich eine Bestrahlungsvorrichtung 3, deren Austrittsöffnung 22 von fünf Sammellinsen 23 vollständig abgedeckt ist, wobei die die Sammellinsen 23 begrenzenden, gewölbten Flächen 24, 25 in Richtung des Substrats 1 bzw. in das Innere des Gehäuses 4 der Bestrahlungsvorrichtung weisen. Die Sammellinsen 23 fokussieren die von der Strahlungsquelle 5 ausgehende elektromagnetische Strahlung in mehreren rechteckigen Bestrahlungszonen 26, die parallel zur Längsachse 7 der Strahlungsquelle 5 verlaufen. Zwischen den Bestrahlungszonen bilden sich die Schattenzonen 27 aus.

Eine Kühlung der vorzugsweise aus Quarzglas bestehenden Sammellinsen kann beispielsweise mittels einer nicht dargestellten Luftkühlung erfolgen.

Bezugszeichenliste

1. Substratbahn 2. Pfeil 3. Bestrahlungsvorrichtung 4. Gehäuse 5. Strahlungsquelle 6. Blendensystem 7. Längsachse 8. Stab 9. Kühldurchgang 10. - 11. Kanten 12. Flächen 13. Seitenflächen 14. rautenförmige Stäbe 15. Achse 16. Blende 17. Rotationsachse 18. gestrichelte Position 19. Kante 20. - 21. Blendenöffnung 22. Austrittsöffnung 23. Sammellinsen 24 gewölbte Fläche 25. gewölbte Fläche 26. Bestrahlungszonen 27. Schattenzonen


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Härtung von radikalisch polymerisierbaren Beschichtungen von Substraten mit mindestens einer über dem Substrat angeordneten langgestreckten Strahlungsquelle, deren elektromagnetische Strahlung der unter der Strahlungsquelle durchlaufenden Beschichtung des Substrats über dessen volle Breite zugeführt wird,dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Bestrahlungszonen und mindestens zwei Schattenzonen auf der Beschichtung des Substrats abgebildet werden und die Radikalkettenpolymerisation in den Bestrahlungszonen in der Beschichtung ausgelöst wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei konstanter Durchlaufgeschwindigkeit die Durchlaufdauer des Substrats unter den Schattenzonen mindestens der Durchlaufdauer des Substrats unter den Bestrahlungszonen entspricht.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchlaufdauer des Substrats unter den Bestrahlungszonen zwischen 0,01 s und 5 s bei einer Durchlaufgeschwindigkeit des Substrats von 1 m/min - 1000 m/min beträgt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlungszonen und die Schattenzonen auf der durchlaufenden Beschichtung von einem zwischen jeder Strahlungsquelle und der Beschichtung angeordneten Blendensystem erzeugt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass abwechselnd Bestrahlungs- und Schattenzonen parallel zueinander auf der durchlaufenden Beschichtung des Substrats abgebildet werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlungs- und Schattenzonen parallel zu der Längsachse der langgestreckten Strahlungsquelle auf der durchlaufenden Beschichtung des Substrats abgebildet werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlungs- und Schattenzonen in einem Winkel kleiner 90 ° zu der Längsachse der langgestreckten Strahlungsquelle auf der durchlaufenden Beschichtung des Substrats abgebildet werden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Bestrahlungszonen und/oder der Schattenzonen während der Härtung verändert wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlungszonen und/oder die Schattenzonen rechteckig abgebildet werden.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlungszonen und/oder die Schattenzonen in unterschiedlich Breite in Durchlaufrichtung abgebildet werden.
  11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit mindestens einer in einem Gehäuse (4) angeordneten Strahlungsquelle (5), deren elektromagnetische Strahlung der Beschichtung über eine Austrittsöffnung (22) zuführbar ist, wobei die Austrittsöffnung oberhalb eines durchlaufenden ebenen Substrats (1) mit radikalisch polymerisierbarer Beschichtung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in oder unterhalb der Austrittsöffnung (2) ein Blendensystem (6) mit mindestens drei Blendöffnungen angeordnet ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Blendensystem (6) mindestens zwei im Querschnitt dreieckige gerade Stäbe (8) aufweist, die im Abstand zueinander unter Ausbildung der Blendöffnungen angeordnet sind, wobei sämtliche Stäbe (8) parallel zur Längsachse (7) jeder langgestreckten Strahlungsquelle (5) verlaufen.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ecke(11) des dreieckigen Querschnitts der Stäbe (8) in Richtung jeder Strahlungsquelle (5) weist und eine der Ecke gegenüberliegende Seite (12) des dreieckigen Querschnitts parallel zum durchlaufenden Substrat (1) angeordnet ist.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 - 13, dadurch gekennzeichnet, dass
    • zwischen den im Querschnitt dreieckigen geraden Stäben (8) im Querschnitt rauten- oder drachenförmige geraden Stäbe (14) angeordnet sind,
    • die im Querschnitt dreieckigen Stäbe (8) relativ zu den im Querschnitt rauten- oder drachenförmigen Stäben (14) verstellbar sind,
    • wobei eine Achse (15) des rauten- oder drachenförmigen Querschnitts der Stäbe (14) in Richtung jeder Strahlungsquelle (5) weist und vorzugsweise senkrecht auf der Oberfläche des durchlaufenden Substrats (1) steht.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Blendöffnungen (21) einstellbar ist.
  16. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit mindestens einer in einem Gehäuse (4) angeordneten Strahlungsquelle (5), deren elektromagnetische Strahlung der Beschichtung über eine Austrittsöffnung (22) zuführbar ist, wobei die Austrittsöffnung oberhalb eines durchlaufenden ebenen Substrats (1) mit radikalisch polymerisierbarer Beschichtung anordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in oder unterhalb der Austrittsöffnung mindestens drei die Austrittsöffnung vollständig abdeckende Sammellinsen (23) angeordnet sind, wobei die beiden jede Sammellinse begrenzenden Flächen (24, 25) jeweils in Richtung des Substrats (1) bzw. zum Inneren des Gehäuses (4) der Vorrichtung weisen.






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