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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Drossel für einen
Gasstrom sowie eine Vorrichtung zur Herstellung einer derartigen
Drossel. Diese Drosseln werden bevorzugt als Strömungsdrosseln in Luftlagern
eingesetzt.
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Die
Eigenschaften von Luftlagern werden unter anderem durch den Luftverbrauch
bestimmt. Konventionelle Luftlager weisen häufig große Düsen, zumeist Uhrensteine, für den Eintritt
der Luft in die Lagerfläche
auf. Um bei diesen großen
Düsen den Luftverbrauch
zu reduzieren, werden dort üblicherweise
Vordrosseln eingesetzt. Derartige bekannte Vordrosseln werden in
der Regel durch spanende Bearbeitung hergestellt, wobei diese spanende
Bearbeitung mehrmals unterbrochen wird, um den Durchfluß der Vordrossel
zu messen und um die Vordrossel bis zum Erreichen eines gewünschten
Durchflußwerts
zu bearbeiten. Durch diese Bearbeitungsweise ergibt sich eine breite
Streuung der erzielten Drosselwirkung, so daß die herkömmlich hergestellten Drosseln
vor einem Einbau nach Qualitätsgesichtspunkten
sortiert werden müssen,
wobei ein nicht unerheblicher Teil als Ausschuß aussortiert werden muß.
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Aus
der
EP 0 713 745 A1 sind
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von mit Öffnungen
versehenen Komponenten bekannt, wobei ein Laserstrahl durch eine
Düse auf
die zu bearbeitende Oberfläche
fokussiert wird. Durch diese Düse
tritt während
des Bohrvorgangs Sauerstoff aus, der auf die zu bearbeitende Oberfläche auftrifft,
wobei der Rückstaudruck
des Sauerstoffs in der Düse
gemessen wird und wobei die Laserparameter aufgrund dieses gemessenen
Rückstaus
während
des Bohrvorgangs verändert
werden. Aus dem gemessenen Rückstaudruck
wird auf die Größe der aktuell
hergestellten Bohrung geschlossen. Ein Anwendungsgebiet für dieses
Verfahren ist die Herstellung von Kühlbohrungen in Gasturbinenkomponenten.
Die Messung des Rückstaudrucks
kann mit ausreichender Genauigkeit nur bei der Herstellung von verhältnismäßig großen Bohrungen
genutzt werden. Einen exakten Wert für den tatsächlichen Durchfluß durch
die erstellte Öffnung
liefert dieses Verfahren nicht. Es ist somit zur Herstellung von
Vordrosseln für
Luftlager gänzlich
ungeeignet, da bei diesen ein verhältnismäßig kleiner Durchfluß eingestellt
werden muß.
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Ein
weiteres Verfahren zur Herstellung einer mit Öffnungen versehenen Komponente,
das ebenfalls zur Herstellung von Kühlöffnungen in Gasturbinenkomponenten
verwendet wird, ist aus der
EP
0 417 917 A1 bekannt. Bei diesem Verfahren wird zunächst eine
erste Öffnung
oder eine erste Anzahl von Öffnungen
mittels eines Laserbohrers erstellt. Danach wird in einem nächsten Arbeitsschritt
der durch diese Öffnung
beziehungsweise diese erste Anzahl von Öffnungen hindurchtretende Gasdurchfluß gemessen
und mit einem vorgegebenen Wert verglichen. Anschließend werden
die Laserparameter in Abhängigkeit
des Meßergebnisses
zur Herstellung einer weiteren Öffnung
beziehungsweise einer weiteren Anzahl von Öffnungen verändert und
die weitere Öffnung
beziehungsweise die weitere Anzahl von Öffnungen wird gebohrt. Dieses
Vorgehen wird wiederholt bis das gewünschte Durchflußergebnis
erreicht ist. Bei diesem Verfahren hat jede neue Öffnung beziehungsweise
jede Öffnung
einer neuen Anzahl von Öffnungen
eine individuelle Größe. Durch Verändern der
Laserleistung, der Pulsdauer und der Brennweite werden damit unterschiedlich
große Öffnungen
beispielsweise in der Haut einer Turbinenschaufel erzeugt. Dieses
Verfahren ist wegen der zwischen die einzelnen Bearbeitungsschritte
eingefügten
Meßschritte
und Berechnungs- sowie Veränderungsschritte
zur Anpassung der Laserparameter verhältnismäßig zeitaufwendig.
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Die
US-A 5,726,411 offenbart
ein Verfahren zur Herstellung eines zylindrischen Werkstücks mit einer
Vielzahl von Löchern
in dessen Umfangswandung mittels eines Lasers, wobei zunächst eine
erste Gruppe von Löchern
mit einer ersten Querschnittsfläche
gebohrt wird, wobei dann der Durchfluß durch diese Löcher gemessen
wird und wobei in Abhängigkeit
von einem Unterschied dieses gemessenen Durchflusses von einem vorgegebenen
Durchflußwert
eine zweite Gruppe von Löchern
mit einer anderen Querschnittsfläche
gebohrt wird.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung
einer Drossel für
einen Gasstrom, insbesondere einer Strömungsdrossel für Luftlager,
sowie eine Vorrichtung zur Herstellung einer entsprechenden Drossel
zu schaffen, wobei die Herstellung der Drossel mit höherer Genauigkeit
und damit weniger Ausschuß in
einem vereinfachten Fertigungsprozeß ermöglicht ist.
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Die
das Verfahren betreffende Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 gelöst durch
ein Verfahren mit den Schritten:
- a) Bereitstellen
eines Drosselkörpers,
- b) Bohren einer Durchgangsbohrung in den Drosselkörper mittels
eines energiereichen Strahls bei gleichzeitigem Messen des Gasdurchflusses durch
die Drossel bei einer vorgegebenen Druckdifferenz,
- c) Vergleichen des gemessenen Wertes für den Gasdurchfluß mit einem
vorgegebenen Durchflußwert,
- d) Wiederholen der Schritte b) bis d), falls der gemessene Durchflußwert kleiner
ist als der vorgegebene Durchflußwert.
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Durch
die Erstellung der Durchgangsbohrungen mittels eines energiereichen
Strahls lassen sich sehr kleine hochgenaue Durchgangsbohrungen in den
Drosselkörper
einbringen, so daß durch
das konsekutive Einbringen von Durchgangsbohrungen in den Drosselkörper eine
genaue Annäherung
an einen für
einen vorgegebenen Durchfluß erforderlichen Gesamt-Öffnungsquerschnitt
möglich
ist. Durch das während
des Bohrens durchgeführte
gleichzeitige Messen des Gasdurchflusses durch die Drossel steht während der
Bearbeitung der Drossel ständig
ein aktueller Wert für
den erzielten Gasdurchfluß zur
Verfügung
und das Bohren weiterer Durchgangsbohrungen kann dann eingestellt
werden, wenn ein vorgegebener Durchflußwert erreicht ist.
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Kern
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist damit ein durch das nacheinander erfolgende Einbringen weiterer
Durchgangsbohrungen realisiertes stufenweises Herantasten an den
vorgegebenen Durchflußwert.
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Im
Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem der Bohrungsdurchmesser
der jeweiligen Bohrungen verändert
wird, wird bei der vorliegenden Erfindung lediglich die Anzahl der
Bohrungen variiert. Diese Vorgehensweise erlaubt eine schnellere
Einbringung der Bohrungen in den Drosselkörper und sorgt gleichzeitig
für homogenere
Strömungsverhältnisse
in den Durchgangsbohrungen.
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Wird
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens im Schritt d) die Entscheidung für eine Wiederholung der Schritte
b) bis d) getroffen, falls der gemessene Durchflußwert kleiner
ist als der um einen Toleranzwert verringerte vorgegebene Durchflußwert, so
wird erreicht, daß der
vorgegebene Durchflußwert
ein Maximum darstellt, das von einer gemäß diesem Verfahren hergestellten Drossel
nicht überschritten
wird.
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Alternativ
wird die Aufgabe gemäß Anspruch 3
gelöst
durch ein Verfahren mit den Schritten:
- a) Bereitstellen
eines Drosselkörpers,
- b) Bohren einer ersten Durchgangsbohrung in den Drosselkörper mittels
eines energiereichen Strahls bei gleichzeitigem Messen des Gasdurchflusses
durch die Drossel bei einer vorgegebenen Druckdifferenz,
- c) Bohren einer weiteren Durchgangsbohrung in den Drosselkörper mittels
des energiereichen Strahls bei gleichzeitigem Messen des Gasdurchflusses
durch die Drossel bei vorgegebener Druckdifferenz,
- d) Vergleichen des im Schritt c) gemessenen Wertes für den Gasdurchfluß durch
die Drossel mit einem vorgegebenen Durchflußwert,
- e) Wiederholen der Schritte c) bis e), falls der gemessene Durchflußwert kleiner
ist als der vorgegebene Durchflußwert.
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Wird
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens im Schritt e) die Entscheidung für eine Wiederholung der Schritte
c) bis e) getroffen, falls der gemessene Durchflußwert kleiner
ist als der um einen Toleranzwert verringerte vorgegebene Durchflußwert, so
wird erreicht, daß der
vorgegebene Durchflußwert
ein Maximum darstellt, das von einer gemäß diesem Verfahren hergestellten Drossel
nicht überschritten
wird.
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Vorteilhafterweise
ist der energiereiche Strahl ein Laserstrahl. Es sind jedoch auch
andere energiereiche Strahlen wie zum Beispiel Elektronenstrahlen
einsetzbar.
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Weisen
gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform
alle Durchgangsbohrungen im wesentlichen den gleichen Durchmesser
auf, so erfolgt das Herantasten an den vorgegebenen Durchflußwert auf
lineare Weise, wodurch eine schnelle und genaue Bearbeitung der
Drossel möglich
ist.
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Die
Durchgangsbohrungen sind bevorzugt Mikrolöcher, welche einen Durchmesser
im Bereich von 5 μm
bis 60 μm
aufweisen. Das Vorsehen derartiger Mikrolöcher gestattet ein Herantasten
an den gewünschten
Durchflußwert
in äußerst kleinen Schritten
und damit mit äußerst hoher
Genauigkeit. Die Mikrolöcher
sind vorzugsweise kegelförmig
ausgebildet.
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Weiter
vorzugsweise weisen die Mikrolöcher einen
Durchmesser von 30 μm
auf.
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Eine
mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens
hergestellte Drossel für
einen Gasstrom, insbesondere eine Strömungsdrossel für Luftlager,
umfaßt einen
Drosselkörper,
der eine Mehrzahl von Durchgangsbohrungen mit im wesentlichen dem
gleichen Durchmesser aufweist. Eine derartige Drossel besitzt nicht
nur einen sehr genauen Durchflußwert,
sondern aufgrund der Mehrzahl von Durchgangsbohrungen auch eine
im wesentlichen homogene Verteilung des Durchflusses über den
Querschnitt der Drossel.
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Der
die Vorrichtung zur Herstellung einer Drossel betreffende Teil der
Aufgabe wird gelöst
von einer Vorrichtung zur Herstellung einer Drossel für einen
Gasstrom, insbesondere einer Strömungsdrossel
für Luftlager
mit einer Quelle für
energiereiche Strahlen, einem Werkstückhalter, wobei der Werkstückhalter
zum Einsetzen eines zu bearbeitenden Drosselrohlings ausgebildet
ist und wobei der energiereiche Strahl auf einen zu bearbeitenden
Abschnitt des in den Werkstückhalter
eingesetzten Drosselrohlings fokussierbar ist und wobei der Werkstückhalter
einen Luftkanal aufweist, der mit dem Aufnahmeabschnitt für den Drosselrohling
in Fluidverbindung steht, einer Luftfördereinrichtung, die über eine
mit einem Volumenstrommesser versehene Leitung mit dem Luftkanal
im Werkstückhalter
in Fluidverbindung steht, und wobei die Quelle für energiereiche Strahlen und/oder
der Werkstückhalter
in zumindest einer Ebene quer zur Ausbreitungsrichtung der energiereichen
Strahlen translatorisch verfahrbar oder um zumindest eine Achse
quer zur Ausbreitungsrichtung der energiereichen Strahlen verschwenkbar
ist bzw. sind oder wobei der energiereiche Strahl um zumindest eine
Achse quer zur Ausbreitungsrichtung der energiereichen Strahlen
(L) ablenkbar ist.
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Vorzugsweise
ist die Quelle für
energiereiche Strahlen von einer Laserquelle gebildet, sie kann aber
auch von jeder anderen Quelle für
energiereiche Strahlen, beispielsweise einer Elektronenstrahlquelle,
gebildet sein.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Beispiels unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher
erläutert;
in dieser zeigt:
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1. den schematischen Aufbau
einer Vorrichtung zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Drossel
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und
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2. einen Vertikalschnitt
durch einen Werkstückhalter
der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus 1.
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In 1 ist der schematische Aufbau
einer Vorrichtung zur Herstellung einer Drossel in perspektivischer
Ansicht gezeigt. Eine Quelle 1 für energiereiche Strahlen ist
im Beispiel von einem Laser gebildet. Der Laser ist mit einem in
zwei orthogonal zueinander stehenden Richtungen X, Y translatorisch
verfahrbaren Scankopf 2 derart verbunden, daß der vom Laser
abgegebene Laserstrahl in den Scankopf 2 eintreten kann.
Im Scankopf wird der Laserstrahl in eine Richtung senkrecht oder
schräg
zu der von den Translationsrichtungen X und Y aufgespannten Ebene
trägheitsfrei
umgelenkt, wodurch der Laserstrahl in kürzester Zeit neu positioniert
werden kann und die Herstellung der Drossel weiter beschleunigt
werden kann. Dieser umgelenkte Laserstrahl L tritt aus dem Scankopf 2 an
dessen Unterseite aus und ist in Richtung eines unterhalb des Scankopfes
angeordneten Werkstückhalters 3 gerichtet.
Der Werkstückhalter 3 ist
an seiner dem Scankopf 2 zugewandten Oberseite mit einer
im gezeigten Beispiel zylindrischen Aufnahme 30 für ein Werkstück, nämlich für einen
zu bearbeitenden Drosselrohling 4, versehen.
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Die
Aufnahme 30 ist von einem Bohrungsabschnitt bestimmt, dessen
Bohrungsdurchmesser im wesentlichen dem Außendurchmesser des Drosselrohlings 4 entspricht.
Der Bohrungsabschnitt 32 der Aufnahme 30 ist an
seinem unteren Ende mit einer ringförmigen Stufe 34 versehen
und geht dort in einen weiteren Bohrungsabschnitt 36 mit
verringertem Durchmesser über.
Auf diese Weise bildet die Stufe 34 eine Auflagefläche für den unteren
Rand eines eingesetzten Drosselrohlings 4.
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Vom
Bohrungsabschnitt 36 geht eine seitliche Bohrung 38 aus,
die zusammen mit den Bohrungsabschnitten 32 und 36 einen
Luftkanal 39 bildet. Die Querbohrung 38 ist im
Bereich ihrer Mündung
in die seitliche Oberfläche
des Werkstückhalters 3 mit einer
Leitung 5 verbunden, die zu einer Luftfördereinrichtung 6 führt, die
im gezeigten Beispiel von einem Kompressor gebildet ist.
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In
die Leitung 5 ist ein Volumenstrommesser 50 integriert,
der den durch die Leitung 5 hindurchtretenden Luftvolumenstrom
mißt und über eine
Anzeigeeinrichtung 52 anzeigt. Anstelle des Kompressors, der
Luft durch die Leitung 5 in den Luftkanal 39 des Werkstückhalters 3 fördert, kann
auch eine Unterdruckquelle als Luftfördereinrichtung vorgesehen sein,
die Luft aus dem Luftkanal 39 des Werkstückhalters 3 durch
die Leitung 5 und durch den darin vorgesehenen Volumenstrommesser 50 saugt.
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Der
Drosselrohling 4 ist von einem zylindrischen Werkstück gebildet,
das mit einer axialen Sacklochbohrung 40 versehen ist,
die im in den Werkstückhalter 3 eingesetzten
Zustand zum Scankopf 2 hin offen ist. Die geschlossene
Seite des Drosselrohlings 4 bildet eine axiale Stirnwand 42,
die auf der Stufe 34 im Werkstückhalter 3 aufliegt.
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Der
Drosselrohling 4 ist abdichtend in den Werkstückhalter 3 eingesetzt
und vorzugsweise in diesen eingespannt, so daß im unbearbeiteten Zustand
des im Werkstückhalter 3 befindlichen
Drosselrohlings 4 keine Luft durch den Luftkanal 39 hindurchtreten
kann. Der vom Volumenstrommesser 50 und von der Anzeigeeinrichtung 52 angezeigte
Volumenstrom ist daher zunächst
gleich 0 (Null) m3/s. Die Orientierung des
Drosselrohlings 4 ist dabei nicht von Bedeutung.
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Nachfolgend
wird die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung und damit das
erfindungsgemäße Verfahren
geschildert.
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Der
Laserstrahl L wird zunächst
auf eine erste Position auf der den Boden des Drosselrohlings 4 bildenden
Stirnwand 42 fokussiert und es wird hier eine erste Düsenbohrung 44 mittels
des Laserstrahls L in die Stirnwand 42 eingebracht. Sobald
die Düsenbohrung 44 die
Stirnwand 42 vollständig
durchdringt, tritt aufgrund des vom Kompressor erzeugten Drucks Luft
aus dem Bohrungsabschnitt 36 des Werkstückhalters 3 durch
die erste Düsenbohrung 44 in
den Sacklochabschnitt 40 des Drosselrohlings 4 ein
und strömt
von dort an die Umgebung ab. Der Volumenstrommesser 50 stellt
in diesem Augenblick einen Luftvolumenstrom fest, der größer als
0 (Null) ist und zeigt diesen auf der Anzeigeeinrichtung 52 an.
Im Normalfall wird durch das Erstellen einer ersten Düsenbohrung 44 der
Soll-Volumenstrom noch nicht erreicht worden sein, so daß sich der
Zeiger 54 der Anzeigeeinrichtung 52 noch im Minus-Bereich
der Skala 56 der Anzeigeeinrichtung 52 befindet.
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Daraufhin
wird der Laserstrahl L zu einer zweiten Position abgelenkt, so daß er auf
einen anderen Ort auf der den Boden des Drosselrohlings 4 bildenden
Stirnseite 42 fokussiert wird, wo in der Folge eine zweite
Düsenbohrung 46 erzeugt
wird. Sobald die zweite Düsenbohrung 46 die
axiale Stirnseite 42 des Drosselrohlings 4 durchdrungen
hat, steigt der Volumenstrom in Luftkanal 39 an, was wiederum vom
Anzeigeinstrument 52 angezeigt wird.
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Dieser
Vorgang des Ablenkens des Laserstrahls L im Scankopf 2 an
einen neuen Ort und des Einbringens einer weiteren Düsenbohrung
in die Stirnseite 42 des Drosselrohlings 4 wird
solange fortgesetzt, bis nach Einbringen einer letzten Düsenbohrung 48 der
Zeiger 54 des Anzeigeinstruments 52 auf der Skala 56 aus
dem Minus-Bereich in den Soll-Bereich wechselt, wodurch die Bedienperson
die Information erhält,
daß der
derzeit bearbeitete Drosselrohling 4 den vorgegebenen Durchsatzwert
erreicht hat und der Bohrprozeß fertiggestellt
ist.
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Selbstverständlich kann
anstelle des in diesem Beispiel beschriebenen Volumenstrommessers mit
analoger Anzeige auch ein Volumenstrommesser mit einer digitalen
Anzeige vorgesehen sein. Auch kann der Bohrprozeß so weit automatisiert werden, daß die Information
des gemessenen Volumenstroms in einer Vergleichseinrichtung mit
einem gespeicherten Soll-Volumenstromwert verglichen wird und anhand
dieses Vergleichs ein Fortsetzungs-Signal oder ein Stopp-Signal
an eine automatische Steuerung für
den Laser 1 und den Scankopf 2 weitergeleitet
wird.
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Anstelle
des ablenkbaren Laserstrahls kann auch ein in der von den Translationsrichtungen
X und Y aufgespannten Ebene translatorisch verfahrbarer oder verschwenkbarer
Scankopf 2 oder ein entsprechend translatorisch verfahrbarer
oder verschwenkbarer Werkstückhalter 3 vorgesehen
sein. Auch können
beide, sowohl der Scankopf 2 als auch der Werkstückhalter 3,
translatorisch verfahrbar oder verschwenkbar sein.
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Die
Erfindung ist nicht auf das obige Ausführungsbeispiel beschränkt, das
lediglich der allgemeinen Erläuterung
des Kerngedankens der Erfindung dient. Im Rahmen des Schutzumfangs
können
das erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung
vielmehr auch andere als die oben beschriebenen Ausgestaltungsformen
annehmen. Sie können
hierbei insbesondere Merkmale aufweisen, die eine Kombination aus
den jeweiligen Einzelmerkmalen der Ansprüche darstellen.
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Bezugszeichen
in den Ansprüchen,
der Beschreibung und den Zeichnungen dienen lediglich dem besseren
Verständnis
der Erfindung und sollen den Schutzumfang nicht einschränken.
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- 1
- Quelle
für energiereiche
Strahlen
- 2
- Scankopf
- 3
- Werkstückhalter
- 4
- Drosselrohling
- 5
- Leitung
- 6
- Luftfördereinrichtung
- 30
- Aufnahme
- 32
- Bohrungsabschnitt
- 34
- Stufe
- 36
- weiterer
Bohrungsabschnitt
- 38
- Querbohrung
- 39
- Luftkanal
- 40
- Sacklochbohrung
- 42
- Stirnwand
- 44
- erstes
Düsenloch
- 46
- zweites
Düsenloch
- 48
- letztes
Düsenloch
- 50
- Volumenstrommesser
- 52
- Anzeigeeinrichtung
- 54
- Zeiger
- 56
- Skala
- L
- Laserstrahl
- X
- Translationsrichtung
- Y
- Translationsrichtung