EP1071000A1 - Verfahren zur Oberflächengestaltung von Uhrwerkteilen - Google Patents
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- EP1071000A1 EP1071000A1 EP99810665A EP99810665A EP1071000A1 EP 1071000 A1 EP1071000 A1 EP 1071000A1 EP 99810665 A EP99810665 A EP 99810665A EP 99810665 A EP99810665 A EP 99810665A EP 1071000 A1 EP1071000 A1 EP 1071000A1
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G04—HOROLOGY
- G04D—APPARATUS OR TOOLS SPECIALLY DESIGNED FOR MAKING OR MAINTAINING CLOCKS OR WATCHES
- G04D3/00—Watchmakers' or watch-repairers' machines or tools for working materials
- G04D3/0069—Watchmakers' or watch-repairers' machines or tools for working materials for working with non-mechanical means, e.g. chemical, electrochemical, metallising, vapourising; with electron beams, laser beams
Definitions
- the present invention relates to a method for Surface design of clockwork parts according to the generic term of claim 1.
- the photographic processes generally require one Covering the surface to be processed with a mask, usually a varnish or a film-forming in general Material. Through local exposure and development individual areas exposed, which are an etching process or otherwise subject to processing.
- a another object of the present invention is to specify a method that the surface design of Clockwork parts allowed using imaging techniques.
- a another object of the present invention is a Process for the surface design of clockwork parts to indicate that works without the removal of material.
- etching which is a removal of the Material causes.
- material-building processes such as deposits from the gas phase (CVD and PVD processes) or that Deposition by means of galvanic processes (electroforming).
- the invention is further intended to be an exemplary embodiment are explained.
- the cleaning process can be designed according to the following 3 variants:
- the electricity turns itself on during the Separation.
- the electrophoresis current practically disappears within about 1 minute.
- the Coating can therefore be finished when facing one the initial current much lower limit current is not reached (e.g. 5% of the initial current or fewer).
- This limit current will not be in this time undercut, there are usually problems such. B. poor contact or incomplete coating. It can then do the coating process again be run through.
- the above steps from applying the lacquer to exposing are in a clean room of class 10000, preferably 1000 or better, done.
- Cleanrooms are currently classified as follows: Clean room class Maximum permitted dust level VDI 2083 US Fed. Hr 209b Particles per m 3 of air > 0.5 ⁇ m > 5 ⁇ m 3rd 100 4 x 10 3 --- 4th 1000 4 x 10 4 3 x 10 2 5 10,000 4 x 10 5 3 x 10 3 6 100000 4 x 10 6 3 x 10 4
- the surface design is then transferred to the exposed parts of the clockwork part.
- a Etching or engraving can be carried out using known stains on the Made of iron chloride or copper chloride become.
- the exact composition is the Material of the movement part adapted, the Compatibility with the masking lacquer must be observed.
- the PEPR 2400 lacquer cannot provide basic solutions be used as this is replaced by basic solutions becomes.
- the paint replaced by a conventional method, e.g. B. by means of a Sodium hydroxide solution as suggested by the manufacturer.
- the invention is not based on the specified electrophoretic lacquer is limited. Rather, it can be assumed that everyone electrophoretic paint can be used, especially if its use in the field of multilayer circuit boards is known is.
- the photosensitivity is not essential necessary, as other methods of exposing covered Batches are usable, e.g. B. by laser beam.
- Electrophoretic lacquers are not photosensitive already known in a colorless version for protection metallic surfaces against oxidation or browning and colored for combined coloring and protection of metals, e.g. B. automobile bodies.
- the procedures for applying the electrophoretic lacquers and Z. T. pretreat the surface, as well as for the Detachment after finishing the surface design can be done in usually take place according to the information provided by the manufacturer, such as this is also essentially the case in the exemplary embodiment is.
- the pretreatment of the surfaces of the clockwork parts (Degreasing, deoxidation, etc.) is also different conceivable if the special shown Approach has proven particularly successful.
- the structuring method according to the invention is regularly together with other procedures for Surface design used, such as mechanical Machining (grinding, polishing, sandblasting, etc.) and in particular applying a galvanic coating to the are known.
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Abstract
Die qualitativ äusserst anspruchsvollen und mit einer Auflösung im Mikrometerbereich auszuführenden Verzierungen und anderen Oberflächengestaltungen auch von komplizierten Uhrwerkteilen können hergestellt werden, indem die Uhrwerkteile mit einer zuverlässig vollständig geschlossenen Abdeckung durch elektrophoretische Abscheidung eines filmbildenden Materials überzogen werden. An den zu gestaltenden Oberflächenabschnitten wird die Abdeckung gezielt mittels bildgebender Verfahren, die ein lichtempfindliches Abdeckungsmaterial voraussetzen, und/oder durch direkte Einwirkung, z. B. durch Laser, freigelegt. An den freigelegten Partien wird mit chemischen und physikalischen Verfahren ein Materialabtrag (Ätzen, Elektrolyse) oder Materialauftrag (Abscheidung) aus der Dampfphase nach chemischen oder physikalischen Prinzipien durchgeführt. Während bei komplizierten Uhrwerkteilen, insbesondere mit Schraubenlöchern kleinen und kleinsten Durchmessers, die Ausbildung der geschlossenen Abdeckung nur durch Elektrophorese möglich ist, ist bei Uhrwerkteilen mit dreidimensional einfach geformten, geschlossenen Oberflächen auch die Ausbildung der Abdeckung nach bekannten Verfahren, z. B. durch Eintauchen, erhältlich.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur
Oberflächengestaltung von Uhrwerkteilen gemäss Oberbegriff
des Anspruchs 1.
Uhrwerke werden bekanntermassen mit höchster Präzision,
heutzutage bis in den Mikrometerbereich hinein, gefertigt.
Insbesondere Teile hochwertiger Uhrwerke werden mit
Verzierungen und Beschriftungen versehen, für die von Seiten
der Uhrenhersteller die gleichen hohen Anforderungen
gestellt werden wie für die funktionellen Aspekte. Die
routinemässig erfolgende Qualitätskontrolle der Teile deckt
auch kleinste Unregelmässigkeiten und Fehler bei diesen
Oberflächengestaltungen auf und führt zu Beanstandungen.
Im Prinzip stehen heute hochpräzise, fotografische Verfahren
zur Verfügung, um mit relativ geringem Aufwand komplizierte
Oberflächengestaltungen herzustellen. Im Uhrenbereich
konnten diese Verfahren jedoch bisher nur sehr eingeschränkt
eingesetzt werden.
Die fotografischen Verfahren verlangen grundsätzlich eine
Bedeckung der zu bearbeitenden Oberfläche mit einer Maske,
in der Regel einem Lack oder allgemein einem filmbildenden
Material. Durch lokales Belichten und Entwickeln werden
einzelne Stellen freigelegt, die einem Ätzprozess oder einer
anderweitigen Bearbeitung unterworfen werden.
Aus den vorgenannten Gründen wäre es jedoch nötig,
Uhrenteile allseitig mit einer lückenlosen Schutzbedeckung
zu versehen. Bisher war dies aber allenfalls für Teile mit
einfacher, dreidimensionaler Gestaltung möglich, wie z. B.
Schwunggewichte für automatische Aufzüge. Bei den übrigen
Uhrenteilen, die neben einer komplizierteren Formgebung auch
Durchbrüche und Löcher mit Durchmessern im Millimeterbereich
und darunter sowie zusätzlich ein Gewinde mit nur ein bis
zwei Gewindegängen aufweisen, konnte eine solche lückenlose
Bedeckung nicht garantiert werden. Aus diesem Grunde wird
bis heute die Oberflächengestaltung bei diesen - auch sehr
teuren - Teilen mit hohem Zeitaufwand durch mechanisches
Gravieren oder ähnliche, materialabtragende Verfahren
durchgeführt.
Diese bekannten Verfahren arbeiten nach dem Prinzip, dass
Material von den Uhrwerkteilen abgetragen wird. Dadurch kann
besonders bei filigranen Strukturen eine Schwächung des
Materials entstehen, die nicht mehr vernachlässigbar ist.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin,
ein Verfahren anzugeben, das die Oberflächengestaltung von
Uhrwerkteilen mittels bildgebender Verfahren erlaubt. Eine
andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein
Verfahren zur Oberflächengestaltung von Uhrwerkteilen
anzugeben, das ohne Abtragung von Material arbeitet.
Ein Verfahren, das zumindest die erstgenannte Aufgabe löst,
ist im Anspruch 1 angegeben. Die weiteren Ansprüche geben
bevorzugte Ausführungsformen und Anwendungen des Verfahrens
an.
Es wurde gefunden, dass sich auch bei komplizierten
Uhrenteilen, selbst mit kleinen und kleinsten Löchern, die
mit Schraubengewinde versehen sind, eine lückenlose
Bedeckung erreichen lässt, wenn das Abdeckmaterial durch
einen elektrophoretischen Prozess aufgebracht wird, mit
anderen Worten ein elektrophoretischer Lack verwendet wird.
Diese Beobachtung ist zwar überraschend, aber auch
erklärbar, da die elektrophoretische Abscheidung des Lacks
automatisch auf die freiliegenden Flächen des zu
beschichtenden Gegenstandes gerichtet wird. Bei den heute
bekannten Verfahren, bei denen das Objekt mit Hilfe der
Kontaktierungsvorrichtung in das Elektrophoresebad
eingetaucht wird, bleiben die Kontaktstellen naturgemäss
unbeschichtet. Diese genau definierte Unregelmässigkeit in
der Abdeckung kann jedoch problemlos durch gezieltes
Auftragen des Abdeckmaterials geschlossen werden, z. B.
durch Auf tropfen oder eine andere Auftragungsart.
Diejenigen Stellen des Uhrwerkteils, die einer
Oberflächengestaltung unterzogen werden sollen, werden durch
geeignete Verfahren freigelegt. Bevorzugt geschieht dies
durch ein bildgebendes Verfahren. Dazu wird ein
lichtempfindlicher Elektrophoreselack eingesetzt, der nach
dem Auftragen und Abtrocknen belichtet und entwickelt wird,
wonach die Bearbeitungspartien freigelegt sind. Für die
Uhrenteile hat sich dabei gezeigt, dass allein ein nach dem
Positiv-Prinzip arbeitender, lichtempfindlicher Lack
verwendbar ist, da eine zuverlässige Belichtung in den
Löchern und Durchbrüchen kleinsten Ausmasses ansonsten nicht
sichergestellt werden kann und bei Verwendung eines
Negativlacks die Gefahr besteht, dass diese Partien
unerwünschterweise dem Gestaltungsverfahren ausgesetzt
werden.
Eine Möglichkeit der Oberflächengestaltung an den so
freigelegten Partien ist das Ätzen, das ein Abtragen des
Materials bewirkt. Es ist jetzt jedoch auch möglich,
materialaufbauende Verfahren zu verwenden, wie Abscheidungen
aus der Gasphase (CVD- und PVD-Verfahren) oder das
Abscheiden mittels galvanischer Verfahren (Elektroformung).
Die bei der Entwicklung des erfindungsgemässen Verfahrens
aufgetretenen Schwierigkeiten werden deutlich, wenn
berücksichtigt wird, dass die Löcher in Uhrenteilen einen
Durchmesser von z. B. 85 Mikrometer bei einer Länge von 3 mm
aufweisen können und zum anderen eine Auflösung bei den auf
der Oberfläche aufzubringenden Strukturen im Bereich von
einigen Mikrometern verlangt wird. Eine andere Schwierigkeit
besteht darin, dass die Uhrenteile auch dort, wo die
Oberflächengestaltung stattfinden soll, gekrümmt sind,
jedoch durch die Krümmung keine Verzerrung der
aufzubringenden Struktur hervorgerufen werden darf, wodurch
sich besondere Anforderungen an das Belichtungsverfahren
stellen. Belichtungsverfahren, die solche Probleme
berücksichtigen, sind jedoch an sich bekannt und konnten
überraschenderweise zur Realisierung des erfindungsgemässen
Verfahrens eingesetzt werden.
Denkbar ist es in diesem Zusammenhang aber auch, andere als
fotoempfindliche Verfahren zum Entfernen der Abdeckung zu
verwenden, z. B. gezielt durch einen Laserstrahl oder eine
sonstige Strahlungsart, die sich mit hinreichender Präzision
ausrichten lässt. In Betracht kämen z. B. auch mechanische
oder thermische Verfahren; da die Abdeckung gegenüber dem
Material der Uhrenteile relativ leicht bearbeitbar ist,
können insbesondere automatisierbare Verfahren eingesetzt
werden, die zur Direktbearbeitung der Uhrwerkteile
ungeeignet sind. Je nachdem kann dann auch auf die
fotoempfindliche Eigenschaft des Lacks verzichtet werden.
Als fotoempfindliche Elektrophoreselacke haben sich
insbesondere diejenigen als geeignet erwiesen, die bereits
aus der Herstellung von Multilayer-Leiterplatten bekannt
sind.
Die Erfindung soll weiter an einem Ausführungsbeispiel
erläutert werden.
Die Uhrenteile werden zunächst gründlich gereinigt und
insbesondere entfettet. Dies erfolgt auf mehrere Arten:
- Ultraschall-unterstützte Entfettung mit chemischen Mitteln bei erhöhter Temperatur, z. B. 70 °C, in wässrigem Medium;
- chemische Entfernung der oberflächlichen Oxidschicht;
- elektrolytische Entfettung, wobei die Uhrenteile als Kathode geschaltet sind, bei erhöhter Temperatur, z. B. 50 °C, und einer Stromdichte von 2 - 5 A/dm2;
- Neutralisierung und Aktivierung der Oberfläche.
Je nach aktuellen Anforderungen kann das Reinigungsverfahren
gemäss folgenden 3 Varianten gestaltet werden:
Diese Schritte werden im wesentlichen gemäss Vorgaben des
Lackherstellers durchgeführt:
- Zweimaliges Spülen mit deionisiertem Wasser mit einer Leitfähigkeit von höchstens 10 µS/cm2.
- Elektrophoretische Abscheidung des Fotoresist-Lacks PEPR 2400 (Shipley Company Inc., USA: Lack auf der Basis von Polyacrylat; weitere Inhaltsstoffe: 2-Octanon, N-Methyl-2-pyrrolidon) bei einer Spannung von 150 V während einer Minute. Die Dauer des Elektrophoreseprozesses richtet sich u. a. nach der zu erreichenden Dicke der Abdeckung. Die entsprechenden Angaben können der technischen Beschreibung des Lacks entnommen werden; für den vorliegenden wird angegeben, dass eine Nenndicke von 4 - 6 Mikrometern in ca. 60 Sek. erreicht wird.
Der Strom stellt sich selbständig während der
Abscheidung ein. Insbesondere wurde beobachtet, dass
nahezu unabhängig vom Werkstück der Elektrophoresestrom
innerhalb ca. 1 Minute praktisch verschwindet. Die
Beschichtung kann daher beendet werden, wenn ein gegenüber
dem Anfangsstrom wesentlich niedrigerer Grenzstrom
unterschritten wird (z. B. 5 % des Anfangsstroms oder
weniger). Wird dieser Grenzstrom nicht in dieser Zeit
unterschritten, so bestehen in der Regel Probleme, z. B.
mangelhafte Kontaktierung oder lückenhafte Beschichtung.
Es kann dann das Beschichtungsverfahren nochmals
durchlaufen werden.
Die Schichtdicke wird, wie vom Hersteller
vorgeschlagen, über Zusatz von PEPR 2400 TC (TC =
thickness controller) [Shipley] eingestellt.
- Intensive Spülung, um lose anhaftende Lackpartikel zu entfernen.
- Trocknung: Dauer z. B. ca. 15 Min. bei einer Temperatur von ca. 120 °C.
- Belichtung: Für die Belichtung werden die Teile in eine Aufnahme eingesetzt. Es können auch Mehrfachaufnahmen für die Belichtung mehrerer gleicher oder evtl. auch verschiedener Teile verwendet werden. Die Belichtung erfolgt bei der für diesen Lack optimalen Wellenlänge von 380 - 420 nm bei der vorgeschriebenen Luftfeuchtigkeit von 40 - 60 %. Die Belichtungsdauer richtet sich nach der Stärke der Lampe, die mittels eines Graukeils festgelegt werden kann. Die nötige Bestrahlungsdosis ist stark abhängig vom Bestrahlungsgerät und dem Messgerät, so dass die vom Hersteller angegebenen Werte allenfalls eine Grössenordnung angeben. Ebenso hängt die Bestrahlungsdauer von den Eigenschaften der Bestrahlungsanlage ab. Beim angegebenen Lack und der optimalen Wellenlänge liegt sie jedoch im allgemeinen im Bereich von 10 Sekunden bis wenigen Minuten.
- Entwickeln: Die Entwicklung des Lacks PEPR 2400 geschieht durch eine einprozentige Lösung von Calciumcarbonat.
Die genannten Schritte ab Aufbringen des Lacks bis Belichten
werden in einem Reinstraum der Klasse 10000, bevorzugt 1000
oder besser, durchgeführt.
Reinräume sind derzeit wie folgt klassiert:
Reinraumklasse | Höchstes zulässiges Staubniveau | ||
VDI 2083 | US Fed. Std. 209b | Partikel pro m3 Luft | |
> 0,5 µm | > 5 µm | ||
3 | 100 | 4 x 103 | --- |
4 | 1000 | 4 x 104 | 3 x 102 |
5 | 10000 | 4 x 105 | 3 x 103 |
6 | 100000 | 4 x 106 | 3 x 104 |
Anschliessend wird die Oberflächengestaltung an den
freigelegten Partien des Uhrwerkteils vorgenommen. Eine
Ätzung oder Gravur kann mittels bekannter Beizen auf der
Basis von Eisenchlorid oder Kupferchlorid vorgenommen
werden. Die exakte Zusammensetzung wird dabei an das
Material des Uhrwerkteils angepasst, wobei die
Verträglichkeit mit dem Abdecklack beachtet werden muss.
Z. B. können mit dem Lack PEPR 2400 keine basischen Lösungen
verwendet werden, da dieser durch basische Lösungen abgelöst
wird.
Anstelle der materialabtragenden Gravur oder Ätzung können
auch materialauftragende Verfahren verwendet werden. Ein
solches Verfahren ist die Elektroformierung, bei der in
einem galvanischen Prozess relativ dicke Metallschichten
aufgetragen werden können. Eine andere Möglichkeit besteht
in der Anwendung der bekannten Verfahren zur Abscheidung aus
der Dampfphase, z. B. PVD (Physical Vapor Deposition) und
CVD (Chemical Vapor Deposition). Es ist auch möglich, diese
drei Verfahren sowie andere denkbare Verfahren in
Kombination einzusetzen.
Nach Beendung der Oberflächengestaltung wird der Lack
abgelöst nach einem üblichen Verfahren, z. B. mittels einer
Natriumhydroxid-Lösung, wie vom Hersteller vorgeschlagen.
Es ist festzuhalten, dass die Erfindung nicht auf den
angegebenen, elektrophoretischen Lack beschränkt ist.
Vielmehr kann davon ausgegangen werden, dass jeglicher
elektrophoretische Lack verwendbar ist, insbesondere wenn
sein Einsatz im Bereich der Multilayer-Leiterplatten bekannt
ist. Die Fotoempfindlichkeit ist dabei nicht unbedingt
nötig, da auch andere Verfahren zum Freilegen abgedeckter
Partien verwendbar sind, z. B. durch Laserstrahl. Die
Freilegung mittels Laserstrahl oder anderer Verfahren kann
natürlich auch in Kombination z. B. mit dem beschriebenen
Belichtungsverfahren eingesetzt werden.
Nicht lichtempfindliche elektrophoretische Lacke sind
bereits bekannt in farbloser Ausführung zum Schutz
metallischer Oberflächen gegen Oxydation oder Bräunung und
gefärbt für kombinierte Färbung und Schutz von Metallen,
z. B. Automobil-Karosserien.
Die Verfahren, um die elektrophoretischen Lacke aufzubringen
und z. T. die Oberfläche vorzubehandeln, sowie für die
Ablösung nach Beendigung der Oberflächengestaltung können in
der Regel gemäss den Angaben der Hersteller erfolgen, wie
dies auch im Ausführungsbeispiel im wesentlichen der Fall
ist. Die Vorbehandlung der Oberflächen der Uhrwerkteile
(Entfettung, Deoxydierung usw.) ist auch auf andere Art
denkbar, wenn sich auch die dargestellte, spezielle
Vorgehensweise besonders bewährt hat.
Das Strukturierungsverfahren gemäss Erfindung wird
regelmässig zusammen mit anderen Verfahren zur
Oberflächengestaltung eingesetzt, wie mechanische
Bearbeitung (Schleifen, Polieren, Sandstrahlen usw.) und
insbesondere Aufbringen eines galvanischen Überzugs, die an
sich bekannt sind.
Bei einfach geformten Teilen, insbesondere ohne Durchbrüche
und Löcher, ist auch eine andere Auftragsart des Abdecklacks
denkbar, z. B. Tauchen oder Aufsprühen.
Claims (7)
- Verfahren zur Oberflächengestaltung von Uhrwerkteilen,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein filmbildendes Material, insbesondere Lack, durch Elektrophorese auf die Uhrwerkteile als geschlossene Abdeckung aufgebracht wird, um durch gezieltes lokales Entfernen oder Verändern der Abdeckung eine Maske für ein Oberflächengestaltungsverfahren ausbilden zu können. - Verfahren gemäss Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Uhrwerkteile vor Aufbringen des filmbildenden Materials mindestens einem der folgenden Verfahrensschritte unterzogen werden:Reinigung im Ultraschallbad, bevorzugt bei Temperaturen zwischen 50 - 90 °C und insbesondere bevorzugt bei etwa 70 °C;chemische Deoxydierung, insbesondere durch Einwirken von Reduktionsmitteln und/oder Lösungsmitteln für Oxidschichten;kathodische, elektrolytische Entfettung, bevorzugt bei Temperaturen von 30 - 70 °C, weiter bevorzugt von 40 - 60 °C und insbesondere bevorzugt bei etwa 50 °C, und/oder bevorzugt bei Stromstärken von 200 - 500 A/m2 bezogen auf die Oberfläche der Uhrwerkteile; undNeutralisierung und Aktivierung der Oberfläche; - Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das filmbildende Material empfindlich gegenüber einer ausrichtbaren Strahlungsform, insbesondere Licht ist, wobei durch Bestrahlen das filmbildende Material an den bestrahlten Stellen selektiv ablösbar wird und die mit filmbildendem Material bedeckten Uhrwerkteile an den für die Ausbildung der Maske freizulegenden Oberflächen durch ein bildgebendes Verfahren bestrahlt werden. - Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass Teile der geschlossenen Abdeckung aus dem filmbildenden Material durch Einwirkung mechanischer und/oder thermischer Mittel und/oder Strahlung, insbesondere Laser, entfernt werden. - Verfahren zur Oberflächengestaltung von Uhrwerkteilen, die mit einer die gesamte Oberfläche bedeckenden und nur die zu gestaltenden Partien freilassenden Abdeckung überzogen sind, wobei diese Abdeckung bevorzugt gemäss dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 erhalten wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass an den freiliegenden Partien eines oder mehrere der folgenden Verfahren zur Oberflächengestaltung angewandt wird bzw. werden:chemische Materialabtragung, insbesondere Ätzen;elektrochemische Materialabtragung;galvanischer Materialauftrag, insbesondere Elektroformung;Materialauftragung aus der Dampfphase, insbesondere durch chemische Reaktion (CVD) oder auf physikalische Art (PVD). - Anwendung des Verfahrens gemäss einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verfahren mindestens eine galvanische Beschichtung der Oberfläche erfolgt und bevorzugt vor und/oder nach Durchführung des Verfahrens eine mechanische Bearbeitung, wie Schleifen, Polieren und/oder Sandstrahlen erfolgt.
- Uhrenteile mit Oberflächengestaltung, insbesondere Inschriften-Dekors, die erhaben oder versenkt ausgeführt sind, erhalten nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder der Anwendung des Verfahrens gemäss Anspruch 6.
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