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Dokumentenidentifikation DE102006030955A1 10.01.2008
Titel Extrudierte Polymerplatten für anisotrope Lichtstreuung mit hoher Dimensionsstabilität
Anmelder Röhm GmbH, 64293 Darmstadt, DE
Erfinder Meier-Kaiser, Michael, Dr., 64665 Alsbach-Hähnlein, DE;
Groothues, Herbert, Dr., 64331 Weiterstadt, DE;
Mende, Volker, 64297 Darmstadt, DE;
Parusel, Markus, 64409 Messel, DE;
Laschitsch, Alexander, Dr., 60314 Frankfurt, DE
DE-Anmeldedatum 03.07.2006
DE-Aktenzeichen 102006030955
Offenlegungstag 10.01.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 10.01.2008
IPC-Hauptklasse G02B 5/02(2006.01)A, F, I, 20060703, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G02B 1/04(2006.01)A, L, I, 20060703, B, H, DE   
Zusammenfassung die Erfindung betrifft einen Diffusionskörper mit anisotroper Lichtstreuung.

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine transparente Kunststoffformmasse, in die Streukörper und/oder Glasfasern eincompoundiert werden, um danach in Form von Halbzeugen extrudiert zu werden. Die Kunststoffformkörper weisen ein hervorragendes Lichtstreuvermögen mit bevorzugter Streurichtung bei gleichzeitig guten mechanischen Eigenschaften auf.

Stand der Technik

Zur Erreichung einer anisotropen Lichtstreuung wurden schon verschiedene Prinzipien verwendet. Die wichtigsten in Bezug auf unsere Erfindung sind dabei die Folgenden:

  • 1. Eine Polymermatrix, die sphärische Streuperlen eines anderen polymeren Materials enthält, wird mechanisch uniaxial verstreckt und
  • 2. Glasfasern, die in einer Polymermatrix zueinander parallel orientiert sind.

Hauptsächlich durch die Firma 3M wurde eine Konfiguration untersucht und vorgeschlagen, bei der kugelförmige Streuteilchen in eine Polymermatrix compoundiert sind, wobei diese Streuteilchen einen von der Matrix abweichenden Brechungsindex haben. Anschließend wird die gesamte Polymerplatte uniaxial verstreckt, was gleichzeitig zu einer Verstreckung der kugelförmigen Teilchen führt, die somit eine elliptische Form annehmen. Diese Form führt dann zu einem anisotropen Streuverhalten des Gesamtmaterials.

WO 02/057 384 (3M) beschreibt eine Polymerzusammensetzung, die aus einem Adhäsiv und darin eingebetteten longitudinalen Strukturen besteht. Das Adhäsiv ist optisch isotrop und die Brechungsindices der beiden Materialien unterscheiden sich um mindestens 0,01. Die longitudinalen Strukturen bestehen aus Kunststoffen.

WO 02/071148 (3M) beschreibt einen Bildschirm, auf dem ein Adhäsiv aufgebracht wird, in dem longitudinale Strukturen dispergiert sind. Die longitudinalen Strukturen sind die gleichen wie in WO 02/057384.

WO 2004/106989 (Eastman Kodak) beschreibt einen polymeren Film aus zwei Polymeren mit anisotropen optischen Eigenschaften. Neben der gewichteten Lichtbrechung durch longitudinale Teile wird der lichtbrechende Effekt durch auf der Oberfläche des Films sitzende dreidimensionale Strukturen verstärkt.

US-OS 2005/0036199 (3M) beschreibt einen Schirm, auf dem sich ein Adhäsiv befindet, im Adhäsiv befindet sich eine Anzahl von länglichen Strukturen. Die Brechungsindices des Adhäsivs und der länglichen Strukturen unterscheiden sich um mindestens 0,01. Gegebenenfalls können noch Polarisatoren, Fresnel-Linsen oder Reflektoren vorhanden sein.

US-PS 5,940,211 (US Philips Corp.) beschreibt ein optisches System, das durchtretendes Licht polarisiert und so eine anisotrope Verteilung der Leuchtstärke erreicht.

US-PS 6,123,877 (Nashua Corporation) beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines anisotropen Lichtstrahls, in dem man ihm durch eine polymere Matrix mit unterschiedlichen Brechungsindices leitet. Die Brechungsindexunterschiede werden durch sphärische Partikel erzeugt.

US-OS 2003/0175466 (Sughrue Mion) beschreibt einen Film mit anisotroper Lichtbrechung, die durch eine Anordnung von stäbchenförmigen Strukturen in einer Polymer-Matrix erreicht wird. Die Stäbchen sind in eine Richtung orientiert und der Brechungsindex der Stäbchen in axialer Richtung in sich vom Brechungsindex der Matrix in der entsprechenden Richtung unterscheidet. Die Stäbchen haben einen Durchmesser von weniger als 200 &mgr;m und eine Länge von mehr als 800 &mgr;m. Die Stäbchen bestehen aus flüssigkristallinen aromatischen Polyestern. Die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des anisotropen Kunststoffformkörpers wird im Stand der Technik nicht diskutiert.

European Polymer Journal 41 (2005)1729-1737. Kim beschreibt den Einfluß von thermo-physikalischen Eigenschaften, Luftfeuchtigkeit und Steifigkeit auf Diffuserplatten aus dem Matrixmaterial PMMA, die mit Glasfasern modifiziert wurden.

Kim fand heraus, daß die Beigabe der Glasfasern die Warpage (Durchbiegung) unter Einfluß der beschriebenen Umgebungsbedingungen drastisch reduziert. Dabei konnte er nur geringen Einfluß auf die optischen Eigenschaften feststellen, insbesondere findet er keine anisotropen Streueigenschaften.

Folgende mechanischen Eigenschaften findet er

  • 1. der Speichermodul mit steigendem Glasfaseranteil zunimmt (2,2 → 3,2 GPa bei T = 25°C)
  • 2. Die Glasübergangstemperatur nach oben verschoben wird Tg 111,7 → 113,3 °C (20% GF-Anteil)
  • 3. Die Wasserabsorption fällt stark ab wird (24 h: 0,4% → 0,2%)
  • 4. die Warpage abgesenkt wird.

Aufgabe und Lösung

Angesichts des diskutierten Standes der Technik bestand nun die Aufgabe der Erfindung, einen weiteren optischen Streukörper mit verbesserten Streuverhalten zur Verfügung zu stellen, der darüberhinaus noch gute mechanischen Eigenschaften aufweist und daher problemlos zu verarbeiten ist. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung der anisotropen Kunststoffformkörper zur Verfügung zu stellen.

Die Aufgabe wird durch einen Lichtstreukörper nach Anspruch 1 gelöst, der Lichtstreukörper ist nach einem Extrusionsverfahren nach Anspruch 8 erhältlich.

Als transparente Kunststoffe kommen Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Polyethyleneterephtalat (PET), cycloolefinische Copolymere (COC), Polystyrol (PS) und Copolymere in jeder Kombination der oben genannten Monomere in Frage. Gegebenenfalls können die Kunststoffformmassen auch schlagzäh ausgerüstet sein. Besonderes bevorzugt ist die Verwendung von transparenten PMMA-Formmassen.

Die verwendeten Glasfasern bestehen aus A-Glas, C-Glas, D-Glas, E-Glas, AR-Glas, ECR-Glas und R-Glas, die sich in ihrer Zusammensetzung und somit in ihrem Brechungsindex voneinander unterscheiden. Auf dem Markt verfügbare Produkte unterscheiden sich außerdem in Faserlänge und Durchmesser, sowie einer speziellen Beschichtung (Schlichte), die die Kompatibilität mit den verschiedenen Polymermatrizen gewährleistet. Die Glasfasern sind beispielsweise von den Firmen PPG Industries Glass & Fiber GmbH oder von Saint Gobain erhältlich.

Ein mögliches Herstellverfahren für den anisotropen Kunststoffformkörper besteht darin, die vorgesehene Menge an Glasfasern mit der jeweiligen Kunststoffformmasse zu mischen und mittels eines handelsüblichen Extruders unter dem jeweiligen Kunststoff angepassten Bedingungen zu extrudieren.

Ein weiters mögliches Herstellverfahren für den anisotropen Kunststoffformkörper besteht darin, über einen zweistufigen Prozess die vorgesehene Menge an Glasfasern mit einem Teil der Kunststoffformmasse zur Herstellung eines Masterbatches separat zu compoundieren und in der zweiten Stufe die vorgesehene Menge an Masterbatch mit der jeweiligen Kunststoffformasse zu mischen und mittels eines handelsüblichen Extruders unter dem jeweiligen Kunststoff angepassten Bedingungen zu extrudieren.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden bei der Herstellung des Masterbatches die Glasfasern in die heiße Kunststoffschmelze eindosiert über ein Seitenstopfwerk eindosiert, was einer besonders schonenden Verarbeitung entspricht.

Die anisotrop lichtstreuende Kunststoffmischung kann auch mindestens einschichtig als Coextrudat auf einen Kunststoffformkörper im Extrusionsprozess aufgebracht werden.

Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung

Der hauptsächliche Nutzen anisotroper Lichtstreuplatten liegt in der Erhöhung der Energieeffizienz.

In folgenden Anwendungen sei beispielhaft erläutert, auf welche Art durch diese anisotrope Lichtstreuung die Energieeffizienz erhöht wird.

1. Back Light Units für grossflächige Display-Anwendungen (großformatige Flachbildschirme wie z.B. Fernsehgeräte)

Grosse BLUs werden normalerweise direkt hinterleuchtet, da eine Kantenbeleuchtung über grosse Flächen nicht die notwendige Helligkeit auskoppelt. Die direkte Hinterleuchtung besteht oft aus sog. CCFLs (Cold Cathode Fluorescent Lamps), da diese kostengünstig und vergleichsweise robust sind. Die Lampen selbst haben eine zylinderförmige (langgezogene Struktur, z.B. 30 cm Länge auf 2 mm Durchmesser) und sind in der BLU parallel zueinander in der Vertikalen (zur Betrachtungsebene) montiert Um ein gleichmässig ausgeleuchtetes Bild zu erhalten müssen also Streuscheiben vor die CCFL-Lichtquellen-Anordnung gesetzt werden. Der Abstand zu den Lichtquellen (und auf der anderen Seite zum eigentlichen Display) muss gering gehalten werden, da in Flachbildschirme nur sehr begrenzter Bauraum zur Verfügung steht. Ebenso sollte die Streuscheibe dünn sein (üblicherweise 2mm Dicke). Wegen des geringen Abstandes von Lichtquelle zu Streuscheibe kann die notwendige „Homogenisierung" des modulierten Helligkeitsprofils nur durch die Verwendung sehr starker Streuscheiben erreicht werden. Diese haben allerdings den Nachteil, dass die gesamte Lichttransmission nur 40-60% beträgt. (HWW = 70-86°), d.h. dass hohe Verluste auftreten. Bisher sind hier nur isotrope Streuscheiben im Einsatz, die das Licht in alle Raumrichtungen streuen.

Anisotrope Streuscheiben hätten hier den Vorteil, dass sie das Licht bevorzugt in die Ebene des Betrachters streuen, d.h. senkrecht zur Richtung der Lampen. Dies ist genau die benötigte Streurichtung zur Homogenisierung des Beleuchtungsfeldes. Die Streuung nach oben oder unten (,wo sich ohnehin kein Betrachter befindet.), ist hier gar nicht notwendig, da die Lichtquellen über ihre Länge (weitgehend) homogen abstrahlen. Somit muss die hohe Lichtstreuung nur auf einer Hauptachse (senkrecht zur Richtung der Lampenanordnung) wirksam sein, in Richtung der anderen Hauptachse (parallel zum Verlauf der Lichtquellen) würde deutlich weniger Licht gestreut (= „verbraucht") als bei isotropen Streuscheiben. Um somit die gleiche Helligkeit in Betrachterebene zu erreichen, ist bei anisotropen Streuscheiben weniger eingekoppelte Lichtenergie nötig als im Vergleich zu Anordnungen mit brightnessenhancement-Folien. (BEF).

2. Anisotrop streuende Rückprojektionsscheiben

Bei der Rückprojektion wird das Bild mittels Beamer von hinten (d.h. auf der dem Betrachter gegenüberliegenden Seite) auf den Screen geworfen. Im Gegensatz zur Frontprojektion beruht die Rückprojektion also auf Lichttransmission.

Bei solchen Screens kommt es darauf an, dass das Bild unter verschiedenen Betrachtungswinkeln möglichst dieselbe Helligkeit aufweist. Dazu muss das Licht entsprechend in den Raum gestreut werden. Wg. der Größe der Screens ist auch hier eine Streuung des Lichtes nach oben oder unten unnötig, während eine Streuung in der horizontalen Ebene stark erwünscht ist.

Im Rückprojektionsbereich wird dieser Effekt durch den Einsatz von Lentikularlinsen an der dem Betrachter zugewandten Oberfläche erreicht. Da das Licht gezielt in die Betrachterebene gestreut wird, wird bei derselben eingekoppelten Leistung eine höhere Lichtausbeute und Gleichmäßigkeit in Betrachterebene erreicht.

Die Temperaturen in den Aufheiz-Bereichen des Extruders betragen beispielsweise für PLEXIGLAS® 7N (PMMA-Formmasse, erhältlich bei der Röhm GmbH) zwischen T = 180°C und T = 230° C, die Austrittstemperatur der Schmelze aus der Düse beträgt ca. T = 240°C. Der Durchsatz darf nicht zu hoch gewählt werden (ca. 10 kg/h), die Drehzahl der Schnecke liegt bei 175 min-1.

Es handelt sich um einen Extruder der Fa. Breyer mit einer Entgasungsschnecke mit dem Durchmesser D = 60 mm, 60 mm Steigung und der Länge 33 D = 1980 mm, deren Einzug mit Nutbuchse ausgeführt ist.

Das Strömungsfeld, das durch den Fluß der Kunststoffschmelze erzeugt wird, orientiert die Glasfasern im wesentlichen parallel innerhalb der Polymermatrix. Das Strömungsfeld weist innerhalb der Düse des Extruders ein parabolisches Geschwindigkeitsprofil auf, dieses wiederum führt zu einem linearen Scherfeld, welches dazu führt, dass die Glasfasern rotieren und sich parallel zu den Wänden der Düse des Extruders ausrichten.

Es wurden zwei Typen von Glasfasern verwendet, die sich vor allem im Durchmesser von einander unterscheiden. Bezeichnung GF-Länge [mm] GF-Durchmesser [&mgr;m] n 20D Glassorte EC14-4,5mm

914
4,5 14 1,56 E-Glas
CS-PA -- -- 1,56 E-Glas

Das mittlere Aspektverhältnis der anorganischen Glasfasern liegt zwischen 1 und 10, bevorzugt zwischen 1 und 20 und liegt ganz besonders bevorzugt zwischen 1 und 50.

Es wird eine hohe Orientierung der Glasfasern angestrebt: Hierzu werden folgende Prozessbedingungen bei der Extrusion benötigt:

  • – hohe Schergeschwindigkeit
  • – enger Lippenspalt
  • – höhere Viskosität der Schmelze

Die Orientierung der Glasfasern im Polymer würde normalerweise über eine Orientierungsverteilungsfunktion angegeben. Dabei wird die Anzahl der Glasfasern pro Orientierungsrichtung um eine – im Prinzip beliebig gewählte – Hauptachsenrichtung aufgetragen; eine sinnvolle Wahl der Hauptachse besteht in der Extrusionsrichtung, die wegen des Strömungsprofils eine Hauptachse der Orientierung darstellt.

Diese Gauß'sche Verteilungskurve wird mit zunehmendem Orientierungsgrad der Glasfasern schmaler werden, d.h. deren Halbwertsbreite nimmt ab. Bei idealer Verteilung (d.h. alle Glasfasern genau in einer Richtung parallel zur Extrusion

Die Orientierungsverteilungsfunktion kann jedoch nicht direkt bestimmt werden bzw. dies wäre recht aufwändig. Ein sehr gutes Maß für den Grad der Orientierung ist jedoch die gemessene optische Anisotropie der Streuscheibe.

Hierzu wird mit Hilfe eines entsprechenden Messaufbaus die BTDF (Bidirectional Transmission distribution function). Zur Charakterisierung der wesentlichen Auswirkung der Orientierung genügt es die 2-dimensionale Streuverteilungskurve entlang der beiden Orientierungs-Hauptachsen zu bestimmen.

Halbwertswinkel sowie Streuvermögen der beiden Kurven werden sich unterscheiden, was als gutes Maß für die Anisotropie der Orientierung angenommen werden kann.

Allgemein ist eine schonende Verarbeitung der Kunststoffmischung zu wählen, damit die Glasfasern nicht zerschert werden und somit einen hohen Feinanteil erzeugen würden.

Unter einer schonenden Verarbeitung wird verstanden, dass die Glasfasern keiner hohen Belastung durch Scherung ausgesetzt werden, damit sie möglichst nicht in kleine Teile zerbrechen.

Dies wird dadurch erreicht, dass Sie beim Compoundieren erst kurz vor der Extrusionsdüse über ein sog. Seitenstopfwerk (Side-Feeder) dem erhitzten flüssigen Polymer beigemischt werden. Somit werden die GF nicht der Scherung durch den gesamten Schneckenweg beim Erhitzen des Polymers ausgesetzt.

Beispiel 1: PLEXIGLAS® 7N (PMMA) mit Glasfasern Chopped Strand EC14 4,5 mm – 914

In Extrusionsversuchen wurden verschiedene Gewichtsanteile Glasfasern (10, 20, 30 und 40%) einer PMMA-Formmasse: PLEXIGLAS® 7N beigegeben und in 2mm dicken Platten extrudiert. Die Ergebnisse der optischen Charakterisierung fasst Tabelle 1 zusammen: Glasfaseranteil [%] 10 20 30 40 Lichttransmission [%] 75 57 49 39 Gelbwert 3 6 9 13 Halbwertswinkel (quer zur Extrusionsrichtung) 24 65 75 80 Halbwertswinkel (längs Extrusionsrichtung) 16 27 45 75 Anisotropiefaktor (= HWW(q)/HWW(I) 1,6 2,4 1,7 1,1

Ein wichtiger Aspekt der optischen Charakterisierung ist die Vermessung der Lichtstreueigenschaften mittels goniometrischer Leuchtdichtemessung.

Das Streuvermögen und der Intensitätshalbwertswinkel wurde gemäss DIN 5036 mit einem Messgerät, LMT-Goniometer-Messplatz GO-T-1500 der Fa. LMT bestimmt.

Diese Messungen wurden für die vorliegenden Probekörper jeweils in und quer zur Extrusionsrichtung durchgeführt, um die Anisotropie der Streueigenschaften zu erfassen.

Die 1 bis 4 zeigen diese Anisotropie mit zunehmendem Glasfaseranteil.

In den 1-4 erkennt man, dass die Anisotropie der Streuung am stärksten bei einem Glasfaseranteil von 20% auftritt. In den Grenzbereichen 10% sowie 40% Glasfaseranteil nähern sich die Kurven einander an.

In den folgenden Figuren sind die Ergebnisse dargestellt:

5 zeigt die Zunahme der Halbwertswinkel mit steigendem Glasfaseranteil. Dabei ist zu beobachten, dass der Halbwertswinkel quer zur Extrusionsrichtung zwischen 10%wt. GF-Anteil und 20%wt GF-Anteil weitaus stärker ansteigt, als der Halbwertswinkel längs Extrusionsrichtung.

Deutlich wird dies auch im in 6 gezeigten Anisotropiefaktor A = HWW(q): HWW(I), dem Quotienten der Halbwertswinkel, der bei ca. 20%-wt. ein Maximum hat.

Aus diesen Ergebnissen ist zu schliessen, dass

  • a. zwischen 10 und 20 %-Gew. Glasfaseranteil eine starke Zunahme der Lichtstreuung erfolgt und
  • b. die Zunahme der mittleren Orientierung der Glasfasern in diesem Bereich stark zunimmt, wobei sich die Ausrichtung bei höheren Glasfaseranteilen nicht mehr stark verbessert.

7 zeigt die Abnahme der Lichttransmission mit zunehmendem Glasfaseranteil.

Die Transmission &tgr;D65/10°/Reflexion &rgr;D65/10° wurde gemäss DIN (Deutscher Industrienorm) 5036 mit einem Messgerät Lambda 19 der Fa. Perkin Elmer (oder Varian Cary 5000 der Firma Varian Inc.) bestimmt. Dabei wurde eine Strahlungsquelle der Lichtart D65 (Natrium-Licht) verwendet.

Im Bereich von 10%wt. GF bis 40%-wt. GF nimmt die Lichttransmission von 75% auf 39% ab, wobei der Verlauf nahezu linear ist.

8 zeigt die Zunahme des Gelbwerts mit steigendem Glasfaseranteil. Eine mögliche Erklärung sind Zusatzstoffe (Schlichte) der Glasfasern, die sich durch den Verarbeitungsprozess lösen/zersetzen und somit entsprechend niedermolekulare Anteile im Material entstehen, die die Gelbwirkung erzeugen.

Der Gelbwert [&tgr;D65/10° oder &rgr;D65/10°] wurde nach DIN 6167 mit einem Messgerät Lambda 19 der Fa. Perkin Elmer (oder Varian Cary 5000 der Firma Varian Inc.) bestimmt.

Zusammenfassend aus allen Messergebnissen ergibt sich ein Optimum bei ca. 20%-wt. Glasfaseranteil, da hier der Verlust an Lichttransmission und der Gelbwert (ungewünschte Effekte) noch nicht zu hoch sind und andererseits die Lichtstreuung sowie deren Anisotropie schon sehr stark ausgeprägt sind.


Anspruch[de]
Diffusionskörper, aufgebaut aus einem transparentem Polymer und Glasfasern. Diffusionskörper nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass als transparentes Polymer Polymethylmethacrylat, Polycarbonat, Polyester oder Polyolefine verwendet werden. Diffusionskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz der Brechungsindices zwischen Polymer und organischer Glasfaser mindestens 0,01 beträgt. Diffusionskörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz der Brechungsindices zwischen Polymer und organischer Glasfaser mindestens 0,05 beträgt. Diffusionskörper nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der anorganischen Glasfasern zwischen 1,0 und 100 &mgr;m liegt. Diffusionskörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mittlere Aspektverhältnis der anorganischen Glasfasern zwischen 1 und 10 liegt. Diffusionskörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mittlere Aspektverhältnis der anorganischen Glasfasern zwischen 1 und 20 liegt. Diffusionskörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mittlere Aspektverhältnis der anorganischen Glasfasern zwischen 1 und 50 liegt. Diffusionskörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Abweichung der Glasfasern von der Vorzugsrichtung zwischen 0° und 45° liegt. Verfahren zur Herstellung eines Diffusionskörpers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man die anorganischen Glasfasern mit dem Polymeren im Masseverhältnis von 1 : 10 – 1 : 10.000 mischt und extrudiert. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass man die anorganischen Glasfasern in Form eines Masterbatches zum Polymer hinzugibt. Masterbatch, dadurch gekennzeichnet, dass das Masseverhältnis zwischen anorganischem Glas und Polymer zwischen 1 : 5 und 1 : 500 liegt. Diffusionskörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ansiotropieverhältnis mindestens 1,1 beträgt. Verwendung des Diffusionskörpers nach einem der vorstehenden Anspruche als Verkleidung für Leuchtmittel. Verwendung des Diffusionskörpers nach einem der vorstehenden Anspruche als Bauelement für Flachbildschirme.






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