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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schichthaftungsprüfung einer Bauteilbeschichtung, insbesondere für beschichtete Zylinderlaufbahnen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die Beschichtung von Bauteilen ist zu unterschiedlichen Zwecken, beispielsweise als Korrosionsschutzschicht, als Farbgebungsschicht etc. allgemein bekannt. Zudem sind Funktionsbeschichtungen zur Verbesserung von Laufbahneigenschaften beispielsweise als beschichtete Zylinderlaufbahnen von Brennkraftmaschinen bekannt. Wesentlich ist dabei, dass die Schichthaftung so groß ist, dass bei einem betriebsmäßig zulässigen Bauteileinsatz die Beschichtung nicht beschädigt oder zerstört wird. Um dies festzustellen, sind bereits eine Mehrzahl teils genormter Schichthaftungsprüfverfahren bekannt:
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Eine bekannte Schichthaftungsprüfung nach DIN EN ISO 4209 besteht darin, dass die Beschichtung bis auf den Untergrund durchgehend im rechten Winkel zueinander geschnitten wird, so dass ein Gitter entsteht. Anschließend wird untersucht, ob und gegebenenfalls wie viel und in welcher Größe Gitterschnittflächen vom Untergrund abgeplatzt sind. Diese Auswertung wird als Maß für die Qualität der Schichthaftung verwendet.
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Eine andere genormte Schichthaftungsprüfung ist als Abreißprüfung nach DIN EN ISO 4624 bekannt. Mit diesem Test wird die minimale Zugkraft bestimmt, die nötig ist, um eine Einschicht- oder eine Mehrschicht-Lackierung senkrecht zur Oberfläche abzuziehen oder abzureißen. Dazu wird ein Prüfstemple senkrecht auf die Beschichtung geklebt und nach dem Aushärten des Klebers wird die Beschichtung um den Prüfstempel herum bis zum Substrat getrennt. Der Prüfstempel wird an ein Testgerät angeschlossen und mit einer Zugspannung senkrecht zur Testfläche beaufschlagt: Die Zugkraft wird schrittweise erhöht bis die Beschichtung versagt (oder einen vorgegebenen Wert erreicht). Die Zugspannung ist dabei ein Maß für die Qualität der Schichthaftung.
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Eine weitere genormte Prüfmethode zur Schichthaftungsprüfung ist als Ritzhärteprüfung nach DIN EN ISO 1518 bekannt und dient insbesondere zur Beurteilung der Haftfestigkeit von organischen Schichtsystemen, wie zum Beispiel von Lacken auf ebenen Flächen. Dazu wird die Beschichtung mit einheitlicher Schichtdicke aufgetragen und nach dem Trocknen die Haftfestigkeit dadurch bestimmt, dass ein abgerundeter Stift oder Meißel auf die Beschichtung aufgesetzt und mit Gewichten belastet wird, bis sich die Beschichtung, zum Beispiel eine Lackschicht vom Untergrund löst. Die Größe des dazu erforderlichen Gewichts erlaubt dabei eine Aussage über die Qualität der Schichthaftung.
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Weiter ist eine Schichthaftungsprüfung mit einer Impulsthermographie bekannt, bei der eine Beschichtung mit einem Temperaturimpuls beaufschlagt wird. Auf der Rückseite des Substrats wird dann der zeitliche Verlauf der transportierten Wärmemenge aufgezeichnet. Aus dem transienten Temperaturverlauf auf der Rückseite, kann gegebenenfalls auf die Haftung der Beschichtung geschlossen werden.
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Die vorstehenden Haftprüfungsverfahren nach dem Stand der Technik haben insgesamt oder teilweise folgende Nachteile:
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Die Schichthaftungsprüfung wird nur mittelbar an ähnlichen Probekörpern und nicht am realen, tatsächlich verbauten Bauteil ermittelt. Die Übertragung von Prüfergebnissen an Probekörpern auf reale Bauteilbeschichtungen in Herstellprozessen ist nur eingeschränkt möglich.
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Nachteilig ist weiter, dass bekannte Schichthaftungsprüfungen nur lokale Prüfungen sind, welche die Aussage zur Haftung auf eine flächige Beschichtung einschränken. Für die Schichthaftung auf der gesamten beschichteten Fläche muss somit ebenfalls die Annahme einer Übertragbarkeit gemacht werden.
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Zudem sind die bisherigen Schichthaftungsprüfungen fast alle zerstörend, das heißt nach einer Prüfung an einem realen Bauteil wäre dieses nicht mehr verwendbar.
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Bei Schichthaftungsprüfungen mit thermischen Verfahren hat sich zudem gezeigt, dass eine gute thermische Kopplung nicht immer ein Indiz für eine gute Schichthaftung darstellt, da eine gute thermische Kopplung nicht immer mit einer guten mechanischen Kopplung korrelieren muss.
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Das reale Verformungsverhalten von Bauteilen durch Montage-Verspannungen und die eingebrachten Betriebslasten, welche Schichthaftungen erheblich beeinflussen, können durch Prüfkörper regelmäßig nicht nachgestellt werden.
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Insbesondere kann die Haftzugfestigkeit von Zylinderlaufbahnbeschichtungssystemen im realen Motorbetrieb mit den dabei relevanten Belastungen auf Schub- und Scherkräften mit den bisherigen Prüfverfahren nicht dargestellt werden.
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Die
DE 34 47 447 A1 betrifft ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer fest anhaftenden kratzfesten Beschichtung an einer Oberfläche, wobei die erforderlichen Verfahrensschritte und die Bestandteile zur Herstellung einer solchen Beschichtung angegeben sind. Das Ziel ist die Ausbildung einer haftfesten Beschichtung mit geringer Reibung und erhöhter Haftfestigkeit und Fressfestigkeit an Metalloberflächen.
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Aus der
EP 1 182 274 A1 ist ein diamantbeschichtetes Hartmetall-Schneidwerkzeug und ein Verfahren zu seiner Herstellung bekannt. Für einen Vergleichstest zur Schichthaftungsprüfung ist ein Ritztest angegeben, wobei eine kritische Last ermittelt wurde, bei der die ersten Abplatzungen der Kunststoffschicht auftraten.
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In der
WO 2010/105731 A2 wird eine Vorrichtung zur Untersuchung der Kratzfestigkeit pigmentierter Klarlacke angegeben, wobei mittels eines Schleifpapiers Kratzspuren und der Glanzgrad untersucht werden. Eine Schichthaftungsprüfung zwischen dem Trägermaterial und der Beschichtung wird hierbei nicht vorgenommen.
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Aus der
DE 696 01 400 T2 ist ein Reibtest von Sutherland bekannt, mit dem ein Abrieb mittels einer Kraftpapierauflage ermittelt wird. Die Haftung einer Beschichtung auf einer Trägeroberfläche wird hierbei nicht festgestellt.
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Aus der
DE 10 2010 043 399 A1 ist ein weiteres Verfahren zur Prüfung der Haft- und Schichtfestigkeit einer Oberflächenschicht bekannt. Aus der
DE 10 2008 012 811 A1 ist ein Probenhalter, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur außermotorischen Verschleißprüfung von Kolbenhaftbeschichtungen bekannt. Aus der
US 5 454 260 A ist ebenfalls ein Verfahren für eine zerstörungsfreie Schichthaftungsprüfung bekannt.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Verfahren zur Schichthaftungsprüfung vorzuschlagen, mit dem eine schnelle, zerstörungsfreie, vollflächige Prüfung direkt am Bauteil und nicht an Probenkörpern durchführbar ist, die gegebenenfalls auch eine 100% Prüfung von hergestellten Bauteilen ermöglicht.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Erfindungsgemäß wird für eine Schichthaftungsprüfung in einem Prüfprozess auf die Bauteilbeschichtung ein Prüfkörper eines Prüfwerkzeugs mit einer Prüfkörperfläche, die mit einer ritzfähigen Körnung versehen ist, flächig aufgelegt und mit einer vorbestimmten, gegebenenfalls variablen Prüfkraft aufgepresst und verschoben, so dass die Beschichtung mit definierten Reib- und/oder Schub- und/oder Scherkräften belastet wird. Im Prüfwerkzeug wird während des Prüfprozesses eine Kraftüberwachung auf einen Kraftabfall der aufgebrachten Prüfkraft als Reaktion und Detektion eines Abfalls/Versagens der Schichthaftung durchgeführt. Alternativ oder ergänzend kann nach dem Prüfprozess nach Entfernung des Prüfkörpers die Beschichtung unmittelbar daraufhin analysiert werden, ob die Prüfbelastung ohne Beschädigung ertragen wurde oder Schichtbeschädigungen/Schichtzerstörungen vorliegen. Mit einem solchen Schichthaftungsprüfverfahren kann eine schnelle zerstörungsfreie und vollflächige Prüfung der Beschichtung direkt am realen Bauteil und nicht ersatzweise an einem Prüfkörper vorgenommen werden. Damit ist auch eine 100% Prüfung aller hergestellten Bauteile möglich, so dass nicht Ergebnisse von Stichprobenprüfungen mit den sich daraus ergebenden Unsicherheiten auf Serienfertigungen übertragen werden müssen. Mit dem aufgezeigten Prüfverfahren ist eine sichere Aufdeckung von kunden- und produktrelevanten Beschichtungsprozessstörungen mit kurzer Reaktionskette zum Beschichtungsprozess unter Vermeidung von Wertschöpfungsverlusten möglich.
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Das aufgezeigte Prüfungsverfahren kann so angewendet werden, dass durch eine Steigerung der Belastungsparameter Beschädigungs- und Versagensgrenzen der Beschichtung ermittelt werden können, die bei geeigneter Auslegung in einem betriebsmäßigen Einsatz des Bauteils jedoch nicht erreicht werden sollen. Eine solche Prüfung zur Ermittlung von Grenzbelastungen ist insbesondere für Stichprobenprüfungen geeignet.
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Für eine zerstörungsfreie Überprüfung von Bauteilbeschichtungen, das heißt für eine Gutteilüberwachung bei einer Bauteilherstellung, soll dagegen eine regelmäßig unkritische Prüfbelastung für die Beschichtung gewählt werden, die oberhalb einer Bearbeitungs-/Betriebsbelastung jedoch unterhalb einer Beschädigungs-/Zerstörungsgrenze liegt. Wird bei einer solchen Überprüfung mit einer sensiblen Messtechnik dennoch ein Kraftabfall der aufgebrachten Prüfkraft detektiert, zeigt dies in der Regel einen Abfall der Schichthaftung durch Schichtdelaminationen, so dass ein solches Bauteil nicht freigegeben wird oder zumindest einer anschließenden Feinprüfung zu einer genauen Kontrolle unterzogen werden soll.
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Vorzugsweise besteht die Körnung auf der Prüfkörperfläche bzw. im Prüfkörper aus Schleifkörnern, insbesondere aus Diamantkörnern bestimmter an den Prüfprozess angepasster Korngröße. Eine grobe Körnung wird dabei zur Prüfung grober Schichten, zum Beispiel unbearbeiteter thermischer Spritzschichten und eine vergleichsweise feine Körnung bei glatten Schichten, zum Beispiel fertig gehonten Oberflächen verwendet. Die Schichtbelastung und Körnung soll insbesondere so gewählt werden, dass durch die Schichthaftungsprüfung nur ein äußerst geringer Materialabtrag verursacht wird.
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Die Analyse der Beschichtung nach dem vorstehenden Prüfungsprozess, das heißt nach der Entfernung des Prüfkörpers wird zweckmäßig als Endprüfung und Feinprüfstufe an einem Prozesskettenende durchgeführt. Geeignet für eine solche Feinprüfstufe sind an sich bekannte Methoden, insbesondere eine optische Prüfung mittels Bildanalyse und/oder eine elektrische Prüfung mittels einer Wirbelstromprüfung und/oder eine thermische Prüfung und/oder eine mechanisch loptisch abtastende Prüfung.
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Besonders bevorzugt wird das erfindungsgemäße Schichthaftungsprüfverfahren an einer beschichteten Zylinderlaufbahn einer Brennkraftmaschine vor oder in Verbindung oder anschließend an einem konventionellen Honprozess durchgeführt:
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Dazu wird das Prüfwerkzeug entsprechend einem konventionellen Honwerkzeug aufgebaut, wobei als Prüfkörper wenigstens zwei, vorzugsweise bis zu acht radial gegenüberliegende und achsparallel ausgerichtete sowie hinsichtlich der Körnung modifizierte Prüfleisten entsprechend von Honleisten vorgesehen sind. Zur Durchführung des Prüfverfahrens wird das Prüfwerkzeug in den zu prüfenden Zylinder eingeführt, wonach die Prüfleisten radial mit einer vorbestimmten Anpress-Prüfkraft verlagerbar und an die Zylinderlaufbahn anpressbar sind. Das Prüfwerkzeug wird dann mit den druckbelasteten Prüfleisten mit einem auf einen Drehmomentabfall überwachten Drehmoment wenigstens so weit um die Zylinderachse verdreht, dass der gesamte Winkelumfang von den Prüfleisten umfasst wird. Zudem ist gegebenenfalls das Prüfwerkzeug auch axial mit zugeordneten Schubspannungen verlagerbar, so dass die gesamte Zylinderrohrfläche in einer vollflächigen Prüfung von den Prüfleisten erfasst wird.
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Mittels einer hochsensiblen Momentenüberwachung am Prüfwerkzeug kann das Versagen der Schichthaftung während des Prüfprozesses detektiert werden. Alternativ oder ergänzend kann in einer nachgelagerten, zum Beispiel visuellen Beurteilung auch bei einer Zylinderlaufbahnbeschichtung ermittelt werden, ob die geprüfte Beschichtung den aufgebrachten Prüfbelastungen, insbesondere den aufgebrachten Scher- und Schubspannungen widerstanden hat oder ob die Haftung nicht ausreichend war und sich Teile der Beschichtung abgelöst haben.
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Vorzugsweise wird die Anpress-Prüfkraft hydraulisch gesteuert in einem Zeitintervall ansteigend aufgebracht. Ein geeigneter linearer Anstieg kann beispielsweise in einem Zeitintervall zwischen 0,01 und 2 Sekunden von 0 auf 100 erfolgen. Damit kann insbesondere auch eine walkende Belastung, wie sie durch angepresste Kolbenringe an der Zylinderlaufbahn erfolgt, simuliert werden.
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Gute und vergleichbare Prüfergebnisse werden erreicht, wenn die Verdrehung des Prüfwerkzeugs mit den druckbelasteten Prüfleisten mit einer festgelegten gegebenenfalls variablen Geschwindigkeit über einen vorbestimmten Winkelumfang erfolgt.
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Die Schichthaftungsprüfung an beschichteten Zylinderlaufbahnen kann einfach und effektiv in den mit Honstufen erfolgenden, an sich bekannten Honprozess als zusätzliche Prozessstufe integriert werden. Beispielsweise kann bei einem dreistufigen Honprozess zwischen der ersten und zweiten Honstufe oder nach der dritten Honstufe ein Schichthaftungsprüfzyklus als zusätzliche Prozessstufe vorgesehen werden, gegebenenfalls mit einer optischen Feinprüfstufe als abschließender Prozessstufe.
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Die zu prüfende Zylinderlaufbahnbeschichtung kann beispielsweise eine thermisch gespritzte Fe-Basisschicht sein.
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Ein hinsichtlich der Bauteilbeschichtung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geprüftes und in Ordnung befundenes Bauteil kann uneingeschränkt für eine weitere Verwendung freigegeben werden, wobei eine 100% Prüfung für alle Bauteile durchführbar ist.
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Anhand einer Zeichnung wird die Erfindung weiter erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Seitenansicht eines Prüfwerkzeugs,
- 2 Modifikationen von Prüfleisten,
- 3 eine schematische Draufsicht auf das Prüfwerkzeug nach 1,
- 4 ein beispielhafter Prüfzyklus einer Schichthaftungsprüfung an einer beschichteten Zylinderlaufbahn,
- 5 eine beispielhafte Prozesskettenvariante eines Honprozesses mit integrierter Schichthaftungsprüfung, und
- 6 schematische Darstellungen von geprüften Beschichtungsflächen.
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In 1 ist schematisch ein Prüfwerkzeug 1 für eine Schichthaftungsprüfung in einem Zylinder an einer beschichteten Zylinderlaufbahn in einer Seitenansicht dargestellt. 3 zeigt die entsprechende schematische Draufsicht. Das Prüfwerkzeug 1 besteht aus einem axialen Schaftteil 2 an dem mit Druckfedern 3 vier jeweils paarweise gegenüberliegende und versetzte Prüfleisten 4a, 4b, 4c, 4d angeordnet sind. Die achsparallel ausgerichteten Prüfleisten 4 sind mit einer (nicht dargestellten) Hydraulikvorrichtung radial nach außen verlagerbar und mit einer schematisch durch Pfeile 5 dargestellten Anpress-Prüfkraft (FPrüf) an eine Zylinderlaufbahn anpressbar. Dabei ist das Prüfwerkzeug 1 um seine Achse mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit und um einen vorbestimmten Winkel verdrehbar (schematisch dargestellt durch Pfeil 16). In Verbindung mit der Verdrehung erfolgt eine (nicht dargestellte) hochsensible Momentenüberwachung.
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Die an der Zylinderlaufbahn anliegende Prüfkörperfläche weist jeweils eine Körnung 6 aus Diamantkörnern auf, wobei die Körnung 6 den Prüferfordernissen angepasst wird. In 2 sind alternative Prüfleisten 7, 8 mit jeweils gröberer Körnung gezeigt, wobei eine grobe Körnung zur Prüfung grober Schichten und eine vergleichsweise feine Körnung bei der Prüfung glatter Schichten verwendet wird.
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In 4 ist beispielhaft ein Prüfzyklus entsprechend der zeitlichen Abfolge in fünf Teil4a bis 4e dargestellt:
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In der Zeichnung 4a ist das Prüfwerkzeug mit radial eingefahrenen Prüfleisten 4a bis 4d in einen Zylinder 9 mit beschichteter Zylinderlaufbahn 10 eingeführt. (Pfeil 11).
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Anschließend werden wie in 4b gezeigt, die Prüfleisten 4a bis 4d so weit radial auseinanderbewegt, dass sie an der Zylinderlaufbahn 10 jedoch noch ohne Prüfkraft und Prüfbelastung (F = 0) anliegen. In diesem Zustand wird (gemäß 4c) die Rotation über einen Winkelbereich φ0 gestartet (Pfeil 16), worauf die Anpresskraft (gemäß 4d) von 0 auf die Prüfkraft FPrüf über einen Winkelbereich φ1 im Zuge der Rotation gesteigert wird (Pfeil 16). Anschließend wird gemäß 4e die Rotation mit konstanter oder pulsierender Anpresskraft FPrüf über einen Winkelbereich φ2 durchgeführt (Pfeil 16), dergestalt, dass die gesamte Zylinderrohrfläche für die Prüfung erfasst wird. Optional kann zudem eine Hubbewegung (schematisch durch den Doppelpfeil 11 dargestellt) durchgeführt werden.
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In 5 ist beispielhaft eine Prozesskettenvariante eines Honprozesses mit integrierter Schichthaftungsprüfung und optionaler Feinprüfstufe gezeigt:
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In 5a ist in einer ersten Honstufe ein Honwerkzeug 12 mit seinen Honleisten 13 im Zylinder 9 für eine herkömmliche Honbearbeitung eingesetzt. In den 5c und 5d sind eine entsprechende zweite Honstufe und dritte Honstufe angegeben.
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Beispielhaft ist hier zwischen der ersten Honstufe (5a) und der zweiten Honstufe (5c) ein Prüfzyklus (5b) integriert, wie er vorstehend anhand der 4 erläutert wurde.
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Nach dem dreistufigen Honprozess entsprechend 5a, 5c und 5d mit integriertem Prüfzyklus 5b ist hier die Prozesskette noch durch eine optionale Feinprüfstufe (5e) ergänzt. In der Feinprüfstufe wird nach Entfernen des Honwerkzeuges 12 in den Zylinder 9 eine Bildanalysevorrichtung 14 eingeführt, mit der auch kleinste durch den Prüfzyklus hervorgerufene Schichtabplatzungen bzw. Schichtschädigungen detektiert werden können.
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In 6 sind dazu schematisch drei Beschichtungsdarstellungen angegeben: In 6a ist eine Beschichtung 15 ohne Beschädigung dargestellt. In 6b ist eine Beschichtung 15 mit einer leichten randseitigen Beschädigung 17 gezeigt und in 6c ist eine Beschichtung 15 mit in Teilbereichen erfolgter Schichtzerstörung 18 durch abgeplatzte Schichten gezeigt.
