DE10161243A1 - Mikrostrukturierung mit ultraschallunterstütztem Schleifen - Google Patents

Mikrostrukturierung mit ultraschallunterstütztem Schleifen

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Um das Schleif- bzw. Zerspanverhalten beim Einbringen von Mikrostrukturen in ein Werkstück zu verbessern, ist ein Schleifverfahren vorgesehen, bei welchem das Material mit zumindest einem rotierenden Schleifwerkzeug zerspant oder abgeschliffen wird, wobei das Schleifwerkzeug und/oder das Werkstück an deren Berührungsstelle zu einer schwingungsförmigen Bewegung relativ zueinander angeregt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Maschine und ein Verfahren zur Herstellung von Mikrostrukturen, insbesondere zur Herstellung von Mikrostrukturen durch Schleifen in Glas, Keramiken oder Verbundsystemen.
  • Es besteht ein großer Bedarf an präzisions-mikrosrukturierten Werkstoffen. Gläser, die Mikrostrukturen aufweisen, finden beispielsweise bei Wafer-Packaging-Verfahren oder bei chemischen und biologischen Analyseverfahren Anwendung. Ebenso sind derartige Werkstoffe für mikrooptische Anwendungen, wie etwa für die Kopplung von Glasfaserenden. Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet sind mikrostrukturierte Flachgläser von Flachbildschirmen. Derartige Gläser werden unter anderem in PDP- und PALC- Anzeigen verwendet (PDP = "Plasma Display Panel", PALC = "Plasma Adressed Liquid Crystal Display"). Die für diese Anwendungen verwendeten Gläser weisen Mikrokanal-Strukturen in Form parallel verlaufender Kanäle auf.
  • Zum Erzeugen derartiger Strukturen sind im Stand der Technik verschiedene Verfahren bekannt. Unter anderem werden auf das Glassubstrat in mehreren Schritten Stege im Siebdruckverfahren aufgebracht. Ebenso ist es bekannt, mikrostrukturierte Werkstücke durch Sandstrahlen oder Ätzen herzustellen. Mit diesen Verfahren lassen sich jedoch keine hochpräzisen Genauigkeiten der Strukturen erzeugen. Die für die Herstellung benötigten Masken und Anlagen eignen sich weiterhin nur für große Stückzahlen.
  • Eine hohe Genauigkeit kann im Gegensatz zu den obengenannten Verfahren jedoch mit einer auf Schleifen beruhenden Oberflächenabtragung des Materials erreicht werden. Mit einer entsprechend geformten Schleifscheibe können so auch in harten Materialien Mikrostrukturierungen mit der erwünschten Genauigkeit eingebracht werden. Nachteilig bei einer solchen mechanischen Materialbearbeitung ist jedoch die verhältnismäßig lange Bearbeitungszeit, welche den erzielbaren Durchsatz vermindert und die Produktionskosten in die Höhe treibt. Diese lange Bearbeitungszeit wird unter anderem dadurch verursacht, daß der Vorschub der Schleifwerkzeuge bei der mechanischen Bearbeitung begrenzt ist. Diese Begrenzung wird unter anderem durch die beim Schleifprozeß entstehende thermische Belastung verursacht. Ein zu großer Materialabtrag beim Zerspanen des Werkstücks führt ferner in der Regel zu einer unzureichenden Zufuhr von Kühlschmiermittel an der Zerspanstelle, da die Schleifscheibe und das abgetragenen Material die Zufuhr des Kühlschmiermittels behindern. Insbesondere tritt an den abrasiven Körnern der Schleifscheibe bei großen Zerspanleistungen einen unzureichende Kühlung auf. Dies führt zu einer thermischen Zersetzung sowohl der abrasiven Schleifscheibenkörnung, die zumeist aus Diamantkörnern besteht, als auch des Bindungsmittels. Ein weiteres Problem, das insbesondere bei dem Schleifen von Kunststoffmaterialien, wie beispielsweise Werkstücken aus Verbundwerkstoffen auftritt, umfaßt das Füllen der Schleifscheiben mit dem zerspanten Kunststoffmaterial. Die Spankammern in der Schleifscheibe, welche den Abrieb aufnehmen, werden durch das Kunststoffmaterial zugesetzt. Dies führt dazu, daß weiteres Material nicht mehr aus der Zerspanzone abtransportiert werden kann. An der Zerspanzone tritt thermische Belastung durch die Reibung auf. Das Material des Werkstücks wird, da es nicht abtransportiert werden kann, seitlich verdrängt, was zu vergleichsweise hohen Bearbeitungskräften führt. Aufgrund dieser Kräfte kann es beispielsweise bei der Mikrostrukturierung empfindlicher Materialien zum Bruch der erzeugten Strukturen kommen.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schleifmaschine und ein Schleifverfahren zur Verfügung zu stellen, welches die obengenannten Probleme bei der mechanischen Bearbeitung von Werkstücken lösen oder zumindest das Schleif- bzw. Zerspanverhalten verbessern.
  • Diese Aufgabe wird in überraschend einfacher Weise durch den Gegenstand der Ansprüche 1 und 16 gelöst.
  • Um das Schleif- bzw. Zerspanverhalten von Schleifwerkzeugen bei dem Einbringen von Mikrostrukturen zu verbessern, sieht die vorliegende Erfindung eine Verfahren zum Einbringen von Mikrostrukturen mit Schleifwerkzeugen in ein Materialteil vor, wobei das Material mit zumindest einem rotierenden Schleifwerkzeug zerspant oder abgeschliffen wird und wobei das Schleifwerkzeug und/oder das Werkstück an deren Berührungsstelle durch Einkopplung von Schwingungsenergie zu einer schwingungsförmigen Bewegung relativ zueinander angeregt werden. Die schwingende Relativbewegung von Schleifwerkzeug, bzw. Schleifscheibe und Werkstück zueinnander führt zu einem deutlich günstigeren Zerspanverhalten. Die Zerspanleistung und somit die erreichbare Vorschubgeschwindigkeit und Schnitttiefe können gegenüber bekannten schleifenden Verfahren zur Mikrostrukturierung von Werkstücken gesteigert werden, was die Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber den bekannten Verfahren deutlich erhöht. Die Schwingung der Schleifscheibe relativ zum Werkstück führt dazu, daß durch pulsierende Änderungen Kühlschmiermittel in die Zerspanzone befördert werden kann. Weiterhin wird ein Verklemmen oder Festfressen der Schleifscheibe im Werkstück durch die Schwingung vermieden. Dadurch ist es auch möglich, dünnere Schleifscheiben einzusetzen, als es bisher möglich war, ohne diese mechanisch zu überlasten. Das Zusetzen der Spankammern des Schleifwerkzeugs wird durch die Schwingung vermieden, durch welche sich in den Spankammern befindliches Material wieder gelöst wird.
  • Vorteilhaft kann die Schwingung in den Wellenschaft eingekoppelt werden, auf welchem die eine oder mehrere Schleifscheiben befestigt sind und durch den die Schleifscheiben in Rotation versetzt werden. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die Schwingung auch auf das Werkstück gegeben werden.
  • Insbesondere wirkt sich die Einkopplung von Ultraschallschwingungsenergie günstig auf das Zerspanverhalten aus, da bedingt durch die hohen Frequenzen im Vergleich beispielsweise zu niederfrequenten Schwingungen höhere Energiemengen übertragen werden können.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch dadurch optimiert werden, daß die Schwingungsenergie nicht bei einer einzelnen Frequenz eingekoppelt wird, sondern daß die Schwingungen der eingekoppelten Schwingungsenergie mehrere Frequenzen und/oder Frequenzbereiche umfassen. Dies ist beispielsweise dann vorteilhaft, wenn sich für die Beförderung von Kühlmittel andere Frequenzen als günstig erweisen, als für die Entfernung von abgetragenem Material in den Zerspankammern.
  • Das Schleifwerkzeug unterliegt jedoch durch die Materialbearbeitung einer gewissen Abnutzung. Insbesondere ändert sich bei einem kreisförmigen Schleifwerkzeug der Umfang, bzw. der Radius. Damit verbunden ist eine Änderung der Resonanzfrequenzen des Werkzeugs. Um die Resonanzfrequenz zu bestimmen oder auch um allgemein die Zerspanleistung durch Maximierung der Schwingungsamplitude auf dem äußeren Umkreis des Werkzeugs zu maximieren, kann vorteilhaft ein Regelkreis oder eine Regelungselektronik zur Steuerung der abgegebenen Frequenz eingesetzt werden. Dazu wird die vom Schwingungserzeuger abgegebene Leistung gemessen und die Frequenz einer oder mehrerer Schwingungen so geregelt, daß die Schleifscheibe in Resonanz schwingt.
  • Für das Verfahren ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Schwingungsamplituden an der Zerspanstelle, bzw. auf dem äußeren Umfang der Schleifscheibe maximal sind. Dies kann ebenfalls durch die Wahl der Frequenzen der eingekoppelten Schwingungsenergie erreicht werden. Insbesondere kann die Schwingung auf eine Resonanzfrequenz der Schleifscheibe abgestimmt werden.
  • Die Schwingungsenergie kann dabei in einfacher Weise piezoelektrisch, magnetostriktiv von einem oder mehreren Erregern erzeugt werden. Auch die Verwendung von Galtonpfeifen ist möglich.
  • Das Verfahren kann weiterhin dadurch verbessert werden, indem die Schleifwerkzeuge während des Schleifvorganges abgerichtet werden. Ein solches Inprozeßabrichten kann dabei bevorzugt elektrochemisch erfolgen. Das Inprozeßabrichten während des Schleifens ist insbesondere dadurch vorteilhaft, daß die Hüllkurve, bzw. das Profil der schwingenden Schleifscheibe an das zu erzeugende Profil angepaßt werden kann und sich somit durch die durch das Schwingen bedingte Auslenkung das Profil der eingeschliffenen Mikrostrukturen nicht verändert. Eine elektrochemische Abrichtung ist vorteihaft, da die Hüllkurve der Schleifscheibe weitgehend kraftfrei abgerichtet werden kann.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der Prozeß dabei durch eine zwischen einer Formelektrode und der Schleifscheibe angelegte Spannung verursacht. Das negative Profil der Form- oder Abrichtelektrode arbeitet sich dann durch das Anlegen der Spannung in das rotierende Schleifwerkzeug ein und erzeugt ein positives Profil auf der Schleifscheibe.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für die Bearbeitung von Glas- oder Keramikwerkstoffen geeignet. Ein besonderer Vorteil bei der Mikrostrukturierung mit schwingenden Schleifwerkzeugen liegt auch in der Möglichkeit Verbundmaterialien oder Kunststoffe bearbeiten zu können. Die Schwingung des Schleifwerkzeugs ermöglicht dazu die ausreichende Zufuhr von Kühl- und Schmiermittel und die Zerspankammern und die Oberfläche des Werkzeugs werden von abgetragenem Material befreit.
  • Die Erfindung sieht auch eine Schleifmaschine vor, welche insbesondere zur Durchführung des oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
  • Die Schleifmaschine umfaßt zumindest einen Wellenschaft, auf der zumindest ein Schleifwerkzeug befestigt ist, eine Antriebsvorrichtung, um den Wellenschaft in rotierende Bewegung zu versetzen und eine Aufnahme für zumindest ein Werkstück, wobei die Schleifmaschine außerdem eine Einrichtung zur Übertragung von Schwingungen auf das zumindest eine Schleifwerkzeug und/oder dem zumindest einen in der Aufnahme befestigten Werkstück aufweist.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführung werden dabei die Schwingungen auf den Wellenschaft übertragen, auf welchem das zumindest eine Schleifwerkzeug befestigt ist.
  • Bevorzugt werden die Schwingungen dabei mit einer in der Schleifmaschine integrierten Einrichtung erzeugt.
  • Um die Schwingungsfrequenzen flexibel an das Schleifwerkzeug oder den Werkstoff anpassen zu können, kann die Einrichtung zum Erzeugen von Schwingungen Schwingungen mehrerer Frequenzen und/oder Frequenzbereiche erzeugen. Damit läßt sich das erzeugte Schwingungsspektrum beispielsweise an eine oder mehrere Resonanzfrequenzen des Schleifwerkzeugs anpassen.
  • Um das oben beschriebene Regelungsverfahren zum Erreichen einer maximalen Leistungseinkopplung durchzuführen, kann die Schleifmaschine eine Einrichtung aufweisen, welche zumindest eine Frequenz in Abhängigkeit von der eingekoppelten Schwingungsleistung regelt.
  • Die Schwingungen können in geeigneter Weise mittels piezoelektrischen, magnetostriktiven oder mechanischen Schwingungserzeugern, wie etwa einer Galtonpfeife erzeugt werden.
  • Gemäß einer Ausführung der Erfindung ist eine Einrichtung vorgesehen, mit welcher das Abrichten der Schleifwerkzeuge während des Mikrostrukturierens des Werkstücks erfolgt. Die Einrichtung umfaßt dabei bevorzugt eine Einrichtung zum elektrochemischen Abrichten des zumindest einen Schleifwerkzeugs, so daß eine berührungs- und weitgehend kraftfreie Bearbeitung des Schleifwerkzeugs ermöglicht wird.
  • Die Erfindung soll nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden, wobei sich in den einzelnen Zeichnungen gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche Bestandteile beziehen.
  • Es zeigen:
  • Fig. 1 eine schematische Ansicht eines bearbeiteten Werkstücks,
  • Fig. 2 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung,
  • Fig. 3 eine schematische Ansicht einer Weiterbildung der Erfindung,
  • Fig. 1 zeigt eine Ansicht eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeiteten Werkstücks 2. Mit Hilfe des Verfahrens lassen sich so beispielsweise auf einer Seite 4 des Werkstückes 2 v-förmige Nuten ("V-Grooves") 6 einarbeiten, wobei die Form der Nuten durch das Profil des Schleifblatts bestimmt wird. Derartige V-Grooves weisen typischerweise eine Breite von 200 µm bis 500 µm auf. Anwendung finden derartige Mikrostrukturen bei der Miniaturisierung von elektrischen Bauteilen. Insbesondere auf Boardebene werden immer häufiger in Trägersubstrate integrierte Schaltungen oder Bauelemente eingesetzt. Bei der mechanischen Gehäusung und/oder elektrischen Kontaktierung derartiger integrierter Schaltungen ("Chips"), beispielsweise auch von optischen Schaltungen oder Bauelementen, werden bei den sogenannten "Electronic Packaging"-Verfahren Materialien wie beispielsweise Glas oder ein Kunststoff als Kontakt- oder Abdeckmaterial verwendet.
  • Um die Gehäusung eines Chips bzw. ein integriertes Bauelements noch im Waferverband durchzuführen und mit dem Bauelement verbundene Kontakte auf einen äußeren Oberflächenbereich zu führen, so dass das integrierte Bauelement beispielsweise auf Leiterplatten elektrisch verbunden werden kann, können Abdeckungen verwendet werden, in die mikrostrukturierte V-Grooves eingeschliffen wurden. Die Gräben für diese Anwendung durchschneiden das Werkstück entlang der Länge der Gräben und ermöglichen so ein Durchführen von Kontakten, bzw. Leiterbahnen durch die Abdeckung.
  • Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schleifmaschine 1 zum Einbringen von wie in Fig. 1 dargestellten Mikrostrukturen.
  • Die Maschine 1 umfaßt eine Schleifscheibe 8, welche auf einem Wellenschaft oder einer Antriebswelle 10 befestigt ist und im Betrieb über den Wellenschaft 10 in eine Rotationsbewegung versetzt wird. Ein Ultraschall-Schwingungserzeuger 12 ist mit dem Wellenschaft 10 so verbunden, daß er die Ultraschallschwingungen auf den Schaft und somit über die Verbindung des Schafts 10 auf die Schleifscheibe 8 überträgt. Die Frequenz des Ultraschallerzeugers 12 kann dabei so gewählt werden, daß sie eine Eigenfrequenz der Schleifscheibe trifft und damit eine Eigenschwingung der Scheibe anregt. Die Schwingung ist anhand der Linie 14 dargestellt, welche die Auslenkung der umfänglichen Bereiche 16 der Scheibe nachzeichnet. Die Schwingung der Schleifscheibe führt neben der durch die Rotation verursachten Bewegung der Schleifkörner in tangentialer Richtung zu einer im wesentlichen senkrecht dazu verlaufenden Schwingungsbewegung.
  • Um die Fertigungsgeschwindigkeit zu erhöhen, können auf dem Wellenschaft mehrere parallel angeordnete Schleifscheiben befestigt sein, die sich in einem Abstand voneinander befinden, der ein ganzzahliges Vielfaches des Abstandes der Mikrostrukturen ist.
  • Fig. 3 zeigt eine schematische Ansicht einer Weiterbildung der Erfindung. Bei dieser Weiterbildung ist zusätzlich zu der in Fig. 3 nicht abgebildeten Einrichtung 12 zur Erzeugung und Einkopplung von Ultraschallschwingungen eine Einrichtung zum Inprozeßabrichten des Schleifwerkzeugs 16 aufweist. Die Einrichtung umfaßt eine Abrichtelektrode 18, eine Spannungsquelle 20 und einen Schleifkontakt 22.
  • Die Inprozeßabrichtung geschieht mittels eines elektrochemischen Prozesses, welcher durch eine Spannung zwischen der Schleifscheibe 8 und der Elektrode 18 angetrieben wird.
  • Ein Pol der Spannungsquelle 20 wird über den Schleifkontakt 22 mit dem Wellenschaft 10 verbunden, so daß das Potential dieses Kontakts über die Befestigung der Schleifscheibe 8 auf dem Wellenschaft 10 auch an der Schleifscheibe anliegt. Der andere Pol der Spannungsquelle ist mit der Abrichtelektrode 18 verbunden, so daß eine Spannung zwischen Schleifscheibe und Abrichtelektrode anliegt. Das Inprozeßabrichten wird zweckmäßig nur während des Schleifens oder der Rotation des Wellenschafts vorgenommen, um einen ungleichmäßigen Materialabtrag von der Schleifscheibe zu verhindern.
  • Bei der ultraschallunterstützten Schleifbearbeitung kann durch das elektrochemische Abrichten die Hüllkurve, bzw. das Profil weitgehend kraftfrei abgerichtet werden. Das negative Profil 24 der Abrichtelektrode wird durch das Abrichten in die Hüllkurve der schwingenden Scheibe eingearbeitet, bzw. auf die Hüllkurve übertragen.

Claims (26)

1. Verfahren zum Einbringen von Mikrostrukturen, insbesondere mit Schleifwerkzeugen, in ein Werkstück, wobei das Material mit zumindest einem rotierenden Schleifwerkzeug zerspant oder abgeschliffen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Schleifwerkzeug und/oder das Werkstück an deren Berührungsstelle zu einer schwingungsförmigen Bewegung relativ zueinander angeregt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem Schwingungsenergie in einen Wellenschaft eingekoppelt wird, auf welchem das zumindest eine Schleifwerkzeug befestigt ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Schwingungsenergie in das Werkstück eingekoppelt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem die Schwingungsenergie Ultraschallschwingungsenergie umfaßt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem die Schwingungen der eingekoppelten Schwingungsenergie mehrere Frequenzen und/oder Frequenzbereiche umfassen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem zumindest eine Frequenz der eingekoppelten Schwingungen eine Resonanzfrequenz des Schleifwerkzeugs ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, bei welchem das Frequenzspektrum der eingekoppelten Schwingungsenergie zumindest eine Frequenz umfaßt und wobei die Frequenzlage durch die eingekoppelte Schwingungsleistung geregelt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem die Schwingungsenergie von zumindest einem piezoelektrischen Erreger erzeugt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welchem die Schwingungsenergie von zumindest einer Galtonpfeife erzeugt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welchem die Schwingungsenergie von zumindest einem magnetostriktiven Erreger erzeugt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei welchem die Form des Schleifwerkzeugs während der Bearbeitung abgerichtet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem das Abrichtung während der Bearbeitung mittels eines elektrochemischen Prozesses geschieht.
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem der elektrochemische Prozeß durch eine zwischen einer Formelektrode und der Schleifscheibe angelegte Spannung verursacht wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei welchem das Werkstück ein Material umfaßt, welches aus Glas und/oder Keramik besteht.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei welchem das Werkstück ein Verbundmaterial umfaßt.
16. Schleifmaschine, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einer der Ansprüche 1 bis 15, umfassend zumindest einen Wellenschaft, auf dem zumindest ein Schleifwerkzeug befestigt ist, eine Antriebsvorrichtung, um den Wellenschaft in rotierende Bewegung zu versetzen und eine Aufnahme für zumindest ein Werkstück, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Übertragung von Schwingungen auf das zumindest eine Schleifwerkzeug und/oder dem zumindest einen in der Aufnahme befestigten Werkstück.
17. Schleifmaschine nach Anspruch 16, bei welcher die Einrichtung zur Übertragung von Schwingungen die Schwingungen auf den Wellenschaft überträgt.
18. Schleifmaschine nach Anspruch 16 oder 17, bei welcher die Einrichtung zur Übertragung von Schwingungen eine Einrichtung zum Erzeugen von Schwingungen umfasst.
19. Schleifmaschine nach Anspruch 18, bei welcher die Einrichtung zum Erzeugen von Schwingungen Schwingungen mehrerer Frequenzen und/oder Frequenzbereiche erzeugt.
20. Schleifmaschine nach Anspruch 18 oder 19, bei welcher die Einrichtung zum Erzeugen von Schwingungen eine Schwingung bei einer Resonanzfrequenz des Schleifwerkzeugs erzeugt.
21. Schleifmaschine nach einem der Ansprüche 19 oder 20, bei welcher das Frequenzspektrum der eingekoppelten Schwingungsenergie zumindest eine Frequenz umfaßt und bei welcher die Schleifmaschine eine Einrichtung umfaßt, welche die zumindest eine Frequenz in Abhängigkeit von der eingekoppelten Schwingungsleistung regelt.
22. Schleifmaschine nach einem der Ansprüche 16 bis 21, ferner gekennzeichnet durch zumindest einen piezoelektrischen Schwingungserzeuger.
23. Schleifmaschine nach einem der Ansprüche 16 bis 22, ferner gekennzeichnet durch zumindest einen magnetostriktiven Schwingungserzeuger.
24. Schleifmaschine nach einem der Ansprüche 16 bis 23, ferner gekennzeichnet, durch zumindest eine Galtonpfeife.
25. Schleifmaschine nach einem der Ansprüche 16 bis 23, ferner gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung zum Inprozeßabrichten des zumindest einen Schleifwerkzeugs aufweist.
26. Schleifmaschine nach Anspruch 25, bei welcher die Einrichtung zum Inprozeßabrichten eine Einrichtung zum elektrochemischen Abrichten des zumindest einen Schleifwerkzeugs umfaßt.
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