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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen eines Zusatzwerkstoffs auf ein Werkstück mittels der Technik des Kaltgasspritzens, bei der der Zusatzwerkstoff in Pulverform in einen Gasstrahl eingebracht und durch diesen beschleunigt wird, wobei der Zusatzwerkstoff im Gasstrahl nicht geschmolzen und auch nicht angeschmolzen wird, sondern vielmehr im festen Zustand verbleibt, und die so beschleunigten Partikel des Zusatzwerkstoffs auf die Oberfläche des Werkstücks aufprallen. Desweitern betrifft die vorliegende Erfindung eine Kaltgasspritzanlage sowie ein mit einer solchen Kaltgasspritzanlage bearbeitetes Werkstück.
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Im Hinblick auf wünschenswerte Einsparungen von Energie (sowie hiermit verbunden auf die Reduzierung des Ausstoßes von Kohlendioxid) spielen Masse-Ersparnisse bei anzutreibenden oder zu bewegenden Maschinen oder Maschinenteilen eine wesentliche Rolle. Exemplarisch seien hier große Walzen in der Papier- oder Druckindustrie genannt, die konventionellerweise aus Kompaktmaterial (Stahl, dickwandige Grundwerkstoffe oder jeglicher Guss) hergestellt sind, um den enormen mechanischen Anforderungen (Durchbiegung/Normalkraft, Schub, Torsion, ...) im Einsatz Stand zu halten.
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Ein Weg zu derartigen Masse-Ersparnissen ist, neben der einfachen Reduktion der verwendeten Materialstärke, der Einsatz leichter Grundwerkstoffe, so zum Beispiel von kohlefaserverstärktem Kunststoff oder von Aluminium(legierung). Hierbei müssen jedoch häufig reduzierte mechanische Eigenschaften in Kauf genommen werden.
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Sogenannte Sicken stellen eine Möglichkeit dar, die mechanischen Eigenschaften solcher Bauteile, bei denen Masse eingespart werden soll, zumindest teilweise zu kompensieren. Unter Sicken werden in der Regel manuell oder maschinell in Blechen, in Gefäßen, in Rohren, in Zylindern oder in vergleichbaren Bauteilen eingedrückte (auch als geprägt zu bezeichnende) rinnenförmige Vertiefungen oder Erhöhungen verstanden (je nachdem von welcher Seite man beispeilsweise ein solches Blech betrachtet), durch die die Steifigkeit und allgemein die mechanische Belastbarkeit von Einzelteilen oder von Konstruktionen erhöht wird. Darüberhinaus können auch akustische Eigenschaften z. B. eines großen Blechs durch die Einprägung von Sicken verbessert werden. Z. B. wird durch Erhöhung der Steifigkeit eine Lärmbelästigung durch Verminderung der Schwingung des Blechs reduziert, die beispielsweise bei einem Fahrzeug durch Bewegung indiziert sein kann. Allgemein ist es bekannt, Sicken zur lokalen Versteifung eines Bauteils einzubringen. Dies wird vor allem im Karosseriebau umfangreich genutzt.
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Herkömmlich wird die Sicke manuell mit einem Sickenhammer auf einem Sickenstock oder maschinell mit einer Sickenmaschine mittels zweier Sickenrollen in das zu versteifende Teil gedrückt. (vgl. zum Begriff „Sicke” auch www.wikipedia.org z. B. vom 09.08.2012)
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Die Wirksamkeit von Sicken hängt im Wesentlichen von deren Anordnung zueinander, von deren Form, von deren Lage, von deren Radien und von deren Verlauf ab. Eine entsprechende Auslegung der Sicken stellt auch für den Fachmann eine komplexe Aufgabe dar.
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Zur Technik des Kaltgasspritzens, das zu den thermischen Spritzverfahren zu rechnen ist, die in zahlreichen Veröffentlichungen bereits beschrieben wurden (z. B. in Übersicht und Einführung in das
"Thermische Spritzen", Peter Heinrich, Linde-Berichte aus Technik und Wissenschaft, 52/1982, Seiten 29 bis 37 oder in
Thermisches Spritzen – Fakten und Stand der Technik, Peter Heinrich, Jahrbuch Oberflächentechnik 1992, Band 48, 1991, Seiten 304 bis 327, Metall-Verlag GmbH,) wird zum Beispiel im
Europäischen Patent 0 911 424 folgendes ausgeführt:
Es handelt sich dabei um eine Art Weiterentwicklung des Hochgeschwindigkeits-Flammspritzens mit Pulver. Dieses Verfahren ist beispielsweise in der europäischen Patentschrift
EP 0 484 533 B1 beschrieben. Beim Kaltgasspritzen kommt ein Zusatzwerkstoff in Pulverform zum Einsatz. Die Pulverpartikel werden beim Kaltgasspritzen jedoch nicht im Gasstrahl geschmolzen. Vielmehr liegt die Temperatur des Gasstrahles unterhalb des Schmelzpunktes der Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes (
EP 0 484 533 B1 ) oder aber nur in geringem Maße oberhalb der Schmelztemperatur des Pulvers. Im Kaltgasspritzverfahren wird also ein im Vergleich zu den herkömmlichen Spritzverfahren ”kaltes” bzw. ein vergleichsweise kälteres Gas verwendet. Gleichwohl wird das Gas aber ebenso wie in den herkömmlichen Verfahren erwärmt, aber lediglich auf Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes der Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes oder auf Temperaturen des Gasstrahles von 100 K bis zu 200 K oberhalb des Schmelzpunktes der Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes.
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Die Angabe, daß die Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes im Gasstrahl nicht geschmolzen werden, soll im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch bedeuten, daß die Partikel im Gasstrahl im Wesentlichen nicht angeschmolzen werden. Dies kann dadurch sichergestellt werden, daß die Temperatur des Gasstrahles unterhalb des Schmelzpunktes der Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes liegt. Aber selbst bei Temperaturen des Gasstrahles von 100 K bis zu 200 K oberhalb des Schmelzpunktes der Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes kann aufgrund der extrem kurzen Verweilzeit der Partikel im Gasstrahl im Bereich von Millisekunden ein Schmelzen oder auch ein Anschmelzen der Pulverpartikel verhindert werden. Die Bedeutung der höheren Gastemperaturen bzw. der Vorteil der Erwärmung des Gases liegt darin, daß in heißeren Gasen die Schallgeschwindigkeit höher ist und dadurch auch die Partikelgeschwindigkeit vergleichsweise größer wird.
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Das Kaltgasverfahren besitzt gegenüber herkömmlichen Verfahren des thermischen Spritzens eine Reihe von Vorteilen. Die thermische Einwirkung und Kraftwirkung auf die Oberfläche des Substratwerkstoffes ist verringert, wodurch ungewollte Veränderungen der Materialeigenschaften des Substratwerkstoffes verhindert oder zumindest merklich verringert werden können. Ebenso können weitgehend Änderungen in der Struktur des Substratwerkstoffs unterbunden werden. Die mit dem Kaltgasspritzverfahren erzeugten Schichten besitzen keine oder zumindest keine ausgeprägte Textur, d. h. es gibt keine Vorzugsorientierung der einzelnen Körner oder Kristalle. Das Substrat wird ferner nicht durch eine Flamme oder ein Plasma erwärmt, so daß keine oder nur extrem geringe Veränderungen am Grundkörper und auch kein Verzug von Werkstücken durch Wärmespannungen infolge des thermischen Spritzens auftreten.
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B Nach dem Stand der technik können Bauteile mittels einer flächendeckenden Schicht verstärkt werden und erhalten dadurch eine höhere mechanische Belastbarkeit. Beispielsweise kann ein dünnes Bauteil, das aus einem teuren Werkstoff besteht und/oder materialspezifische physikalische Eigenschaften aufweist, mit einem kostengünstigen Zusatzwerkstoff, beispielsweise mit einem Metall, mit einer Metall-Legierung und/oder mit einer Keramik, beschichtet werden.
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Hierbei kann ein relativ dünner Grundkörper als Ausgangsmaterial verwendet werden. Dieser Grundkörper wird anschließend durch Aufspritzen von zum Werkstoff des Grundkörpers unterschiedlichem Material auf der Innenseite und/oder auf der Außenseite auf die notwendige Dicke verstärkt.
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Es ist auch möglich, dass der Grundkörper eine geringere Dicke aufweist als die durch thermisches oder kinetisches Spritzen aufgespritzte Schicht. Ein Grundkörper kann insbesondere durch Aufspritzen einer Schicht oder eines Überzugs mittels des Kaltgasspritzverfahrens verstärkt werden.
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In der Druckschrift
EP 0 911 424 A1 offenbart einen mittels einer durch Kaltgasspritzen aufgetragenen Spritzschicht verstärkten Verbundkörper, der eine gewünschte mechanische Belastbarkeit dadurch aufweist, dass über eine flächig geschlossen aufgebrachte Spritzschicht mindestens zwei Körper miteinander verbunden werden. Sowohl das Verbinden von zwei Körpern, als auch die aus der
EP 0 911 424 A1 bekannte flächige Beschichtung, ist unter dem Aspekt der Einsparung von Werkstoff und Zusatzwerkstoff und damit auch unter dem eingangs diskutierten Aspekt der Masse-Reduktion des Werkstücks oder Bauteils unvorteilhaft.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften eines Werkstücks oder Bauteils, wie zum Beispiel der Steifigkeit eines solchen, zur Verfügung zu stellen.
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Verfahrensseitig wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass der Zusatzwerkstoff in Form von Erhebungen eines Musters im Sinne eines Ornaments stoffschlüssig auf das Werkstück aufgebracht wird.
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Hierbei sollen die Begriffe „Muster” und „Ornament” wie folgt verstanden werden: Ein Ornamnet ist ein meist sich wiederholendes, abstrahiertes Muster (vgl. auch z. B. für die Begriffe „Muster” und „Ornament” www.wikipedia.org). Ein Ornament im hier beabsichtigten Sinn weicht deutlich vom Hintergrund ab, und zwar durch Erhebung gegenüber dem Hintergrund.
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Als Beispiele können Muster dienen, die parallele oder annähernd parallele Linien (z. B. gerade oder wellenförmige Linien) oder sich kreuzende Linien (Muster in Form eines Gitters) oder Bogenlinien oder Muster mit Kreislinien oder Kreisflächen oder eine Vielzahl weiterer Formen aufweisen, die sich auch als Formen der Linienführung oder Flächenaufteilung für herkömmlichen Sicken bewährt haben. Insbesondere können auch Teilflächen als Erhebungen im Sinne der vorliegenden Erfindung dienen, nie jedoch eine komplette Beschichtung (auch als flächig oder geschlossen bezeichnete Beschichtung) eines Werkstücks, da dies dem Sinn der vorliegenden Erfindung zuwiderlaufen würde.
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Das Werkstück, das auch als Bauteil bezeichnet werden kann, wird gemäß der vorliegenden Erfindung vorteilhaft verstärkt, insbesondere versteift und dadurch seine mechanische Belastbarkeit vergrößert.
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Bevorzugt wird ein Mittel, aus dem der mit Zusatzwerkstoff angereicherte Gasstrahl austritt, so auf das Werkstück gerichtet und gegenüber dem Werkstück bewegt, dass das Muster als Erhebungen aus Zusatzwerkstoff, die stoffschlüssig mit dem Werkstück verbunden sind, aufgebracht wird.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Werkstück relativ zu dem Mittel, aus dem der mit Zusatzwerkstoff angereicherte Gasstrahl austritt, bewegt und dabei das Muster als Erhebungen aus Zusatzwerkstoff, die stoffschlüssig mit dem Werkstück verbunden sind, aufgebracht wird.
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Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird sowohl das Mittel als auch das Werkstück während des Aufbringens des Musters bewegt.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass das Muster aus Zusatzwerkstoff ein- oder mehrschichtig auf die Oberfläche des Werkstücks aufgetragen wird. Dies kann in einem oder in mehreren Arbeitsgängen geschehen. Bei einem Arbeitsgang können dazu mehr als ein Mittel, aus dem der mit Zusatzwerkstoff angereicherte Gasstrahl austritt, eingesetzt werden. Es kann in bestimmten Fällen besonders vorteilhaft sein, eine zweite oder dritte Schicht nur in bestimmten Bereichen des Musters aufzutragen. Darüberhinaus kann der Einsatz von mehr als einem Mittel, aus dem der mit Zusatzwerkstoff angereicherte Gasstrahl austritt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sinnvoll sein.
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Zweckmäßigerweise enthält der Gasstrahl Stickstoff, Helium, Argon, Neon, Krypton, Xenon, ein Wasserstoff enthaltendes Gas, ein kohlenstoffhaltiges Gas, insbesondere Kohlendioxid, Sauerstoff, ein Sauerstoff enthaltendes Gas, Wasserdampf, Luft, Wasserstoff oder Mischungen der vorgenannten Gase.
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Die Erfindung eignet sich insbesondere für Spritzpulver aus Metallen, Metalllegierungen, Hartstoffen, Keramiken und/oder Kunststoffen.
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In Weiterbildung der Erfindung wird ein Gasstrahl mit einem Druck von 5 bis 50 bar eingesetzt. Vor allem das Arbeiten mit höheren Gasdrücken bringt zusätzliche Vorteile, da die Energieübertragung in Form von kinetischer Energie erhöht wird. Es eignen sich insbesondere Gasdrücke im Bereich von 21 bis 50 bar. Hervorragende Spritzergebnisse wurden beispielsweise mit Gasdrücken von etwa 35 bar erzielt. Die Hochdruckgasversorgung kann beispielsweise durch das in der deutschen Patentanmeldung
DE 197 16 414.5 beschriebene Verfahren bzw. die dort beschriebene Gasversorgungsanlage sichergestellt werden.
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Im erfindungsgemäßen Verfahren können die Pulverpartikel auf eine Geschwindigkeit von 300 bis 1600 m/s beschleunigt werden. Im erfindungsgemäßen Verfahren eignen sich dabei insbesondere Geschwindigkeiten der Pulverpartikel zwischen 1000 und 1600 m/s, besonders bevorzugt zwischen 1250 und 1600 m/s, da in diesem Fall die Energieübertragung in Form von kinetischer Energie besonders hoch ausfällt.
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Die in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Partikel des als Pulver vorliegenden Zusatzwerkstoffs weisen bevorzugt einen Durchmesser von etwa einem Mikrometer bis etwa 250 Mikrometer, besonders bevorzugt von etwa einem Mikrometer bis etwa 100 Mikrometer, auf.
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Vorrichtungsseitig wird die gestellte Aufgabe durch eine Kaltgasspritzanlage mit einer Gasversorgungseinrichtung gelöst, die über eine Druckleitung mit einem Gasreservoir und einer Heizeinrichtung zur Anwärmung des Gases in Verbindung steht, und eine Düse zur Beschleunigung des Gases, eine Zuführeinrichtung für einen pulverförmigen Zusatzwerkstoff und ein Mittel zur Abgabe eines mit Zusatzwerkstoff angereicherten, beschleunigten Gasstrahls aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel, aus dem der mit Zusatzwerkstoff angereicherte Gasstrahl austritt, manuell bewegbar ausgebildet ist und/oder eine Einrichtung zur automatisierten Bewegung vorgesehen ist, die bevorzugt eine Steuereinrichtung umfasst. Bevorzugt ist als Düse eine Lavaldüse vorgesehen.
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Desweiteren ist ein Werkstück Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auf welches mittels des Verfahrens gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder mittels mindestens einer Kaltgasspritzanlage gemäß Anspruch 8 der Zusatzwerkstoff aufgebracht ist.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass das Werkstück und der Zusatzwerkstoff aus demselben Material oder aus unterschiedlichen Materialien mit zumindest ähnlichen Materialeigenschaften sind. In diesem Falle einer Materialgleichheit oder zumindest einer Materialnähe von Werkstück(oberfläche) und Zusatzwerkstoff wird beim erfindungsgemäß nicht vollflächigen, sondern erfindungsgemäß lediglich partiellen, nämlich strukturierten, zum Beispiel gitter-, linien- und/oder wellenförmigen, Aufbringen des Zusatzwerkstoffs als Muster auf die Werkstück(oberfläche) eine besonders gute Haftung zwischen Werkstück und aufgespritztem Zusatzwerkstoff erzielt.
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Demgegenüber können jedoch auch sehr häufig Ausführungsformen mit unterschiedlichen Materialien für Werkstück und Zusatzwerkstoff besondere Vorteile bergen, wie z. B. eine interessante Kostenersparnis bei einem Werkstück, das ganz oder z. T. aus einem kostenintensiven Material gefertigt ist und mit einem kostengünstigeren Zusatzwerkstoff für das Muster versehen wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der Zusatzwerkstoff elektrisch und/oder magnetisch leitfähiges Material enthalten. Auf diese Weise können beispielsweise Bauteile aus Glas, aus Keramik, aus Kunststoff oder aus Verbundwerkstoff, wie etwa aus CFK (= carbonfaserverstärkter Kunststoff oder kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff), über das aufgespritzte Muster mit leitfähigen Strukturen, die zugleich das Bauteil mechanisch verstärken, versehen werden.
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Die Erfindung bietet eine Reihe von weiteren Vorteilen, von denen im Folgenden nur einige wenige aufgeführt werden:
Es hat sich gezeigt, dass die Flexibilität und Wirksamkeit des Verfahrens durch den optionalen Einsatz unterschiedlicher Gase zum Beschleunigen und Tragen des Spritzmaterials (= des pulverförmigen Zusatzwerkstoffs) wesentlich vergrößert werden kann. Die so hergestellten Muster haften sehr gut auf den verschiedensten Substratwerkstoffen, beispielsweise auf Metall, auf Metall-Legierungen, auf Keramik einschließlich Glas, Kunststoffen und Verbundwerkstoffen.
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Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Muster, insbesondere Linien-Muster sind von hoher Güte und weisen eine außerordentlich geringe Porosität sowie eine extrem glatte Spritzoberfläche z. B. der das Muster bildenden Linien und ggf. zum Muster gehörige mit Zusatzwerkstoff versehene Teilflächen auf, so dass sich in der Regel eine Nachbearbeitung erübrigt.
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Die eingesetzten Gase weisen eine ausreichende Dichte und Schallgeschwindigkeit auf, um die erforderlichen hohen Geschwindigkeiten der Pulverpartikel insbesondere für das Kaltgasspritzen gewährleisten zu können. Das Gas kann dabei inerte und/oder reaktive Gase enthalten. Mit den vorstehend genannten Gasen ist z. B. die Herstellung von sehr dichten und besonders gleichmäßig strukturierten, das Muster bildende Linien möglich, die sich außerdem durch Festigkeit und Härte auszeichnen. Die Linien können extrem geringe Oxidgehalte aufweisen.
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Besonders vorteilhafte Verwendungen eines Verfahrens gemäß der vorstehend dargelegten Art und/oder mindestens einer Kaltgasspritzanlage gemäß der vorstehend dargelegten Art konnten für folgende Anwendungen ermittelt werden:
- – im Maschinenbau,
- – beim Karosseriebau,
- – bei der Versteifung von Resonanzkörpern in der Akustik,
- – bei der Versteifung von Aluminiumbauteilen in der Luft- und Raumfahrttechnik.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0911424 [0007]
- EP 0484533 B1 [0007, 0007]
- EP 0911424 A1 [0014, 0014]
- DE 19716414 [0026]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- www.wikipedia.org [0005]
- ”Thermische Spritzen”, Peter Heinrich, Linde-Berichte aus Technik und Wissenschaft, 52/1982, Seiten 29 bis 37 [0007]
- Thermisches Spritzen – Fakten und Stand der Technik, Peter Heinrich, Jahrbuch Oberflächentechnik 1992, Band 48, 1991, Seiten 304 bis 327, Metall-Verlag GmbH, [0007]
- Dr. Tobias Schmidt, ”Kaltgasspritzen – Eine Analyse des Materialverhaltens beim Partikelaufprall und die daraus abgeleitete Prozessoptimierung”, Dissertation vom 8. Mai 2007 an der Helmut-Schmidt-Universität/Universität der Bundeswehr Hamburg, Shaker-Verlag Aachen, ISBN 978-3-8322-6399-7, ISSN 0945-1056 [0010]
- www.wikipedia.org [0017]