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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung zumindest eines Objektes, wobei zumindest ein Strahl eines Strahlmittels erzeugt wird. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung eines Objektes.
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Das Verfahren kann insbesondere zum Strahlen und/oder Strahlverfestigen eingesetzt werden. Das Strahlen und das Strahlverfestigen sind etablierte Verfahren der Oberflächentechnik. Sie umfassen u. a. das Kugelstrahlen und das Kugelstrahlverfestigen.
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Durch Strahlen können in einer Oberfläche eines Objektes gezielt Druckeigenspannungen erzeugt werden und dadurch die Randschichtfestigkeit des Objektes gesteigert werden. Die Verfahren sind für Werkstücke aller festen Werkstoffe einsetzbar, insbesondere für metallische und sprödharte Werkstoffe.
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Aus der
DE 196 52 872 A1 ist beispielsweise ein Verfahren zur Steigerung der Randschichtenfestigkeit an Oberflächen von aus sprödharten Werkstoffen gefertigten Werkstücken bekannt, wobei die Werkstückoberfläche in einem eng begrenzten Oberflächenbereich mit einem Werkzeug in Kontakt gebracht wird, das den Oberflächenbereich plastisch verformt und dadurch innerhalb des Werkstückes oberflächennahe Druckeigenspannungen erzeugt.
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Die
DE 10 2006 046 263 beschreibt ein Verfahren zur Erhöhung der Bruchzähigkeit der Randschicht einer Hartmetallschneide eines Bohrers mittels eines Kugelstrahlverfahrens, wobei der Kugelstrahl zumindest auf einen Teilbereich der Hartmetallschneide gerichtet wird.
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Die
DE 3637443 A1 beschreibt ein Verfahren zum Prüfen der Erosion und einen Erosionsprüfstand, in welchem eine Probe mit hoher Geschwindigkeit durch ein Festkörper-Wirbelbett bewegt wird, in dem abrasive Teilchen in der Schwebe gehalten werden.
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Wünschenswert bei Strahlverfahren ist es, einen möglichst gleichmäßigen Überdeckungsgrad der Oberfläche zu erzielen, also die Oberfläche möglichst gleichmäßig der Strahlbehandlung auszusetzen. In Verfahren nach dem Stand der Technik wird stets eine mechanische Halterung benötigt, um das Werkstück zu positionieren. Soll das Werkstück nur bereichsweise behandelt werden, ist eine solche Halterung nicht störend. Eine vollständige Behandlung des Werkstücks ist hierbei jedoch schwierig.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung anzugeben, mit welchem oder welcher die Oberfläche eines Objektes vollständig und gleichmäßig behandelbar ist oder behandelt wird.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Objektes nach Anspruch 1 sowie die Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung eines Objektes nach Anspruch 11. Die jeweiligen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung an.
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Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass eine besonders gleichmäßige und vollständige Behandlung einer Oberfläche eines Objektes möglich ist, wenn auf eine Halterung zum Halten des Objektes verzichtet werden kann.
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Im erfindungsgemäßen Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Objektes wird daher zumindest ein Strahl eines Strahlmittels erzeugt und das Objekt, dessen Oberfläche zu behandeln ist, durch den zumindest einen Strahl in einem Schwebezustand gehalten. Dabei wird die Oberfläche des Objektes durch den zumindest einen Strahl behandelt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann also als Strahlverfahren angesehen werden und insbesondere als Strahlverfestigungsverfahren ausgeführt sein. Dadurch, dass das Objekt in einem Schwebezustand gehalten wird, kann auf eine Halterung für das Objekt verzichtet werden.
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Erfindungsgemäß wird ausgenutzt, dass der Strahl eine Kraft auf das Objekt ausübt. Mittels dieser Kraft wird die Wirkung der Gewichtskraft des Objektes kompensiert, so dass das Objekt in einem Schwebezustand gehalten wird, also einem Zustand, in dem die Fallbewegung des Objektes aufgrund der Gewichtskraft durch die Kraftwirkung des zumindest einen Strahls kompensiert wird. Vorteilhafterweise ist das Objekt in diesem Zustand nicht mit festen Vorrichtungen, wie beispielsweise Haltevorrichtungen oder Leitvorrichtungen, in Kontakt. Es ist jedoch möglich, dass das Objekt in zumindest einem Freiheitsgrad auch durch Kontakt mit einer Führungsvorrichtung, wie beispielsweise einer Schiene, geleitet wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform schwebt das Objekt in einem Strahl des Strahlmittels, der im Wesentlichen senkrecht nach oben, also der Richtung der Schwerkraft entgegen, gerichtet ist. Das Objekt ist in dieser Ausführungsform bevorzugt im Wesentlichen kugelförmig oder rund. Bevorzugterweise hat der Strahl hier einen divergenten Verlauf, sein Querschnitt senkrecht zur Bewegungsrichtung des Strahlmittels in der Strahlmitte wird also mit zunehmendem Abstand von einer den Strahl erzeugenden Düse größer. Bevorzugterweise ist der Querschnitt hierbei im Wesentlichen kreisförmig oder elliptisch, so dass der Strahl kegelförmig ist.
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Das Objekt kann hierbei in dem kegelförmigen Strahl frei schweben. Durch aerodynamische Effekte an dem Objekt wird die Position des Objektes nahe der Kegelachse, also nahe dem Zentrum des Kegels, stabilisiert.
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Das Objekt kann in den senkrechten Strahl eingebracht werden, indem es vor dem Einschalten des Strahls direkt auf eine den Strahl emittierende Düse gelegt wird und dann der Strahl eingeschaltet wird. Mit Erhöhung des Druckes wird hierbei die Kugel mit zunehmendem Strahlstrom angehoben, so dass sie schließlich frei auf dem austretenden Strahlmittel schwebt. Das zu strahlende Objekt kann auch, beispielsweise über eine mechanische Zuführung, wie eine Rollschiene oder einen Roboterarm, direkt in den bestehenden Strahl eingebracht werden.
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In allen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der Abstand der Kugel von der Austrittsdüse oder den Austrittsdüsen durch geeignete Wahl des Drucks des Strahlmittelstroms, Trägermittelstroms und/oder geeignete Wahl der Düsengeometrie eingestellt werden. Unterschiedliche Strahlbedingungen können erzielt werden, indem die Düsengeometrie, der Druck, das Strahlgut, welches durch den Strahl transportiert wird, und der Abstand zwischen der oder den Düsen und dem Objekt eingestellt werden.
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Der erfindungsgemäß eingesetzte Strahl weist vorzugsweise ein Strahlmittel auf, welches durch ein Trägermedium transportiert wird. Als Trägermedium kommen vorteilhaft Gas oder Flüssigkeit in Frage. Gase können hierbei z. B. Luft, Stickstoff oder andere, dem entsprechenden Einsatz angepasste Gase sein. Als Flüssigkeit kommt beispielsweise Wasser in Frage.
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Strahlmittel können u. a. Metallkügelchen, Sand, keramische Werkstoffe, z. B. Zirkonoxid, Glas, Hartmetall und/oder Nussschalen (bevorzugt für das Reinigungsstrahlen) sein.
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Wie bereits beschrieben, ist das Objekt, dessen Oberfläche zu behandeln ist, kugelförmig bzw. eine Kugel. In diesem Fall lässt sich das Objekt besonders stabil im Strahl halten, insbesondere wenn nur ein Strahl verwendet wird, der wie oben beschrieben im Wesentlichen senkrecht nach oben gerichtet ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann wie beschrieben ein Strahl des Strahlmittels erzeugt werden, der im Wesentlichen senkrecht nach oben gerichtet ist und in welchen das Objekt eingebracht wird. Es kann dann hierbei zusätzlich zumindest ein Strom des Trägermediums und/oder ein Strahl des Strahlmittels erzeugt werden, durch den das Objekt im senkrechten Strahl stabilisiert und/oder gezielt bewegt wird. Jene die zusätzlichen Ströme des Trägermediums bzw. zusätzlichen Strahlen des Strahlmittels erzeugenden Düsen strahlen das Objekt hierbei vorzugsweise von anderen Richtungen als von unten an, so dass sie seitliche Kräfte auf das Objekt ausüben.
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Durch geringe Asymmetrien im Teilchenstrom bzw. durch Asymmetrien der Oberfläche des zu strahlenden Objektes, beispielsweise einer Kugel, werden durch aerodynamische Effekte wechselnde Drehmomente auf das schwebende Objekt ausgeübt, die zu zeitlich wechselnden Rotationen des Objektes führen. Bei hinreichend langer Strahlzeit ergibt sich hierdurch eine isotrope Verteilung der Rotationsachsen, so dass die Oberfläche des Objektes gleichmäßig bestrahlt wird. Durch geeignete Ausgestaltung der den Strahl erzeugenden Düse können solche Asymmetrien im Teilchenstrom auch gezielt vorgesehen werden, im Allgemeinen ergibt sich der Effekt jedoch auch bei rotationssymmetrischen Düsen und rotationssymmetrischen Strahlen.
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Durch eine kontinuierliche Zugabe eines Strahlmittels in den Strom des Trägermediums wird, wie beim üblichen Druckstrahlverfahren auch, der gewünschte Effekt der Oberflächenbehandlung, also beispielsweise der Effekt eines Kugelstrahlens oder Verfestigungsstrahlens, des schwebenden Objektes erreicht. Die selbststabilisierende Wirkung des Strahles auf die Position der Kugel wird durch die Zugabe einer geeigneten Menge des Strahlmittels nicht beeinträchtigt.
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Eine besonders homogene Behandlung der Oberfläche des Objektes ergibt sich erfindungsgemäß dadurch, dass Oberflächenbereiche, die während des Strahlprozesses schon vom Strahlgut beeinflusst wurden und dadurch in der Regel verglichen mit noch nicht oder nicht vollständig behandelten Oberflächenbereichen etwas stärker aufgeraut wurden, eine etwas erhöhte Reibung im Strom erfahren. Durch die dadurch sich ergebenden unsymmetrischen Drehmomente auf das Objekt wird dieses so zur Strahlrichtung ausgerichtet, dass bisher nicht bestrahlte Oberflächenbereiche bevorzugt nach unten, dem Strahlgutstrom entgegen gesetzt, ausgerichtet werden. Dadurch wird quasi automatisch ein gleichmäßiges Strahlen und damit eine gleichmäßige Überdeckung der gesamten Objektoberfläche erzielt. Besonders vorteilhaft ergibt sich dieser Effekt wiederum bei kugelförmigen Objekten, die in einem senkrecht nach oben gerichteten Strahl schweben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders vorteilhaft als Druckstrahlverfahren mit Luft ausgestaltet. Es kann aber auch als Druckflüssigkeitsstrahlen oder Reinigungsstrahlen eingesetzt bzw. ausgestaltet sein.
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Das Verfahren kann vorteilhafterweise über den Druck des Trägermittelstroms, die Wahl der Düse und die Wahl des Strahlmittels gesteuert werden.
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Durch Steuerung des Drucks wird die Geschwindigkeit des Trägermittelstroms und des mitgeführten Strahlguts eingestellt. Dies kann z. B. durch einen Druckminderer erfolgen.
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Durch die Ausgestaltung der Düse (Durchmesser, Länge des Düsenrohres) kann die Form des Strahlkegels gesteuert werden.
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Die Strahlmittelmenge pro Zeit kann durch die Größe der Auslassöffnung des Strahlmittelvorratsbehälters gesteuert werden. Die Gesamtmenge des Strahlmittels pro Behandlung wird vorzugsweise durch eine entsprechende Bevorratung eingestellt.
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Möglich ist auch eine dynamische Steuerung der Auslassöffnung durch eine elektrische- und/oder pneumatische Einstellung der Auslassöffnung.
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Für das gleichzeitige Strahlen vieler Objekte sind vorzugsweise der Zahl der Objekte entsprechend viele Austrittsdüsen entsprechend dem oben beschriebenen Verfahren in einem Raster auf einer waagrechten Ebene so angeordnet, dass ein Gasstrompolster mit entsprechend vielen, lokal selbststabilisierend wirkenden Strahlpositionen für viele Kugeln erzeugt wird.
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Die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist nachweisbar beispielsweise mittels röntgenographischer Eigenspannungsanalysen, die das Vorliegen von hohen Eigenspannungen in der Oberfläche von Objekten, wie sie typischerweise durch das Kugelstrahlen erzeugt werden, nachweisen können. Mittels licht- oder elektronenmikroskopischer Analysen können die Einschläge der Teilchen des Strahlmittels auf der Oberfläche des Objektes nachgewiesen werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist, insbesondere bei Verwendung von Kugeln als Strahlmittel, besonders vorteilhaft für Kugellager einsetzbar, um deren Lebensdauer und Tragfähigkeit zu erhöhen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist außerdem auch zum gleichmäßigen Reinigen und/oder Polieren von Objekten, besonders bevorzugt Kugeln, aller festen Werkstoffe einsetzbar.
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Erfindungsgemäß wird außerdem eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung eines Objektes angegeben, welche zumindest eine Düse aufweist, mit der zumindest ein Strahl eines Strahlmittels so erzeugbar ist, dass das zu behandelnde Objekt durch den zumindest einen Strahl in einem Schwebezustand gehalten wird und dabei die Oberfläche des Objektes durch den zumindest einen Strahl behandelt wird. Besonders bevorzugt ist mit der Vorrichtung das vorstehend beschriebene Verfahren ausführbar.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, Werkstücke, besonders bevorzugt kugelförmige Werkstücke, gleichmäßig auf der gesamten Oberfläche zu behandeln und dabei insbesondere die Vorteile von Kugelstrahlverfahren zu realisieren.
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Im Folgenden soll das erfindungsgemäße Verfahren anhand einer Figur beispielhaft erläutert werden.
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Es zeigt die Figur eine erfindungsgemäße Vorrichtung, mit welcher das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist.
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Die Figur zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung, mit welcher das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist. Dabei wird die Oberfläche eines Objektes 1, das im gezeigten Beispiel kugelförmig ist, mittels eines Strahlmittelstrahls 2 behandelt, der durch eine Austrittsdüse 3 ausgestrahlt wird. Die Austrittsdüse 3 hat hierbei eine kreisförmige Austrittsöffnung, wodurch der Strahlmittelstrahl 2 kegelförmig ausgebildet ist. Die Kugel 1 schwebt dabei im Strahl 2, da dieser durch den Strömungswiderstand der Kugel 1 im Strahl 2 eine Kraft auf die Kugel 1 ausübt, die der Gewichtskraft der Kugel 1 entgegen gerichtet ist. Durch aerodynamische Effekte wird die Kugel 1 nahe der Kegelachse des Strahls 2 stabilisiert. Der Strahl 2 ist hierbei als einzelner Strahl ausgebildet, der im Wesentlichen senkrecht nach oben gerichtet ist. Es können zur weiteren Stabilisierung des Objektes 1 auch weitere Düsen vorgesehen sein, die Ströme des Trägermediums oder Strahlen des Strahlmittels erzeugen, die seitliche Kräfte auf das Objekt 1 ausüben können und dieses dadurch weiter stabilisieren oder gezielt bewegen.
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Es können auch eine Mehrzahl von Austrittsdüsen 3, wie jene hier gezeigte nebeneinander angeordnet sein, vorzugsweise so, dass ihre Austrittsöffnungen in einer Ebene liegen. Dabei können diese Düsen 3 vorzugsweise in einem äquidistanten Raster angeordnet sein. Auf diese Weise kann eine Fläche, als ein Polster des Strahlmittels, erzeugt werden, auf der das Objekt in horizontaler Richtung bewegt werden kann.
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Die Kugel 1 kann im gezeigten Beispiel direkt in den bestehenden Strahl 2 eingebracht werden oder vor dem Einschalten des Strahls 2 auf die Düse 3 aufgelegt worden sein und dann durch Einschalten des Strahls 2 angehoben worden sein. Im gezeigten Beispiel schwebt das Objekt 1 frei. Es ist aber auch möglich, Vorrichtungen vorzusehen, die das Objekt leiten. Diese Vorrichtungen sollten jedoch das Objekt nicht festhalten, damit sich jeder Bereich der Oberfläche des Objektes 1 in den Einflussbereich des Strahles 2 bewegen kann und dadurch behandelt wird.
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Der Strahl 2 ist im gezeigten Fall ein Luftstrom mit einem Strahlmittel wie beispielsweise Kügelchen oder Sand.
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Zur Erzeugung des Strahls weist die Vorrichtung eine Zuleitung für Druckluft 4 als Trägermedium und eine Vorrichtung zur Zufuhr des Strahlmittels 5 auf. Das Strahlmittel wird hierbei in die Druckluft eingebracht, so dass ein Strahl des Strahlmittels 2 entsteht.
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In einer beispielhaften Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde eine Strahldüse 3 verwendet, deren Öffnung einen Durchmesser von 8 mm hatte. Als Trägermedium wurde hierbei Luft eingesetzt, die der Düse mit einem Druck von 2 bar zugeführt wurde. Als Strahlmittel wurden hierbei 4 kg Hartmetallkugeln mit einem Durchmesser von 0,65 mm (HMG0,65) verwendet, wie sie handelsüblich sind. Ein kugelförmiges Objekt, hier eine Kugellagerkugel aus Stahl mit einem Durchmesser von 15 mm, wurde 20 Minuten bestrahlt. Dabei wurde ein Abstand zwischen der Düse 2 und dem Objekt 1 von 10 cm eingestellt.
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Die behandelte Kugel wurde anschließend durch röntgenographische Eigenspannungsanalyse charakterisiert. Dabei wurden als Detektor ein Szintillationszähler und ein D5000-Diffraktometer verwendet. Die verwendete Strahlung war Cr-Kα und für die Elastizitätskonstanten E-Modul und Querzahl (Poissonkonstante) wurden 210 MPa bzw. 0,28 verwendet.
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Die exakten röntgenographischen Konstanten (E-Modul und Querzahl) können zwar messtechnisch ermittelt werden. Üblicherweise werden aber die makroskopischen Elastizitätskonstanten aus den Datenblättern der Werkstoffhersteller verwendet. Der Unterschied ist in der Regel gering, insbesondere im vorliegenden Fall des verwendeten Stahlwerkstoffs.
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Die Eigenspannungsanalyse wurde wie z. B. in Hauck, V.: „Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods”, Elsevier (1997), S. 344 ff., S. 596 ff., S. 605 ff, und Spieß, L., Teichert, G.: „Moderne Röntgenbeugung”, Vieweg + Teubner, GWV Fachverlage GmbH (2009), 2. Auflage, Kap. 10, beschrieben, durchgeführt.
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Es ergaben sich folgende Resultate. Für eine nichtbestrahlte polierte Vergleichskugel wurde an einem Messpunkt 1 in 0°-Richtung eine Druckeigenspannung von –633 MPa ± 37 MPa gemessen.
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Für eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wie oben beschrieben bestrahlten Kugel ergab sich an einem Messpunkt 1 in 0°-Richtung eine Druckeigenspannung von –1542 MPa ±72 MPa.
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An einem Messpunkt 2 in 0°-Richtung ergab sich eine Druckeigenspannung von –1680 MPa ± 79 MPa, am Messpunkt 2 in 45°-Richtung ergab sich eine Druckeigenspannung von –1493 MPa ± 68 MPa und am Messpunkt 2 in 90°-Richtung eine Druckeigenspannung von –1508 MPa ± 83 MPa.
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Durch das Bestrahlen mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde also eine deutliche Druckeigenspannungserhöhung um ca. 920 MPa auf im Mittel –1555 MPa erzielt.
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Im Rahmen der Messgenauigkeit ist die Höhe der erzeugten Druckeigenspannung an den verschiedenen Messstellen, also an Messpunkt 1 und Messpunkt 2, sowie auch in verschiedenen Richtungen an einem Messpunkt gleich. Es wurde also ein ebener isotroper Druckeigenspannungszustand in jedem Punkt der Oberfläche erzielt.
