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Die Erfindung betrifft einen Metall-Balg gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Metall-Bälge sind bekannt. Sie werden beispielsweise als flexible Dichtelemente und in Zusammenhang mit Stellelementen verwendet, die dazu dienen, axiale, laterale oder angulare Bewegungen aufzunehmen. Beispiele für Anwendungen finden sich unter anderem in der Mess- und Regeltechnik, beispielsweise zur Realisierung von Thermostaten und Druckschaltern, oder in der Automobilindustrie, wo sie beispielsweise als Entkopplungselemente in Abgasanlagen eingesetzt werden und in vielen Anwendungsfällen besonders hohen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Bei deren Herstellung werden mechanische Roll- oder Aufweitverfahren eingesetzt, wobei als Ausgangsmaterial Blech verwendet wird. Auch ist es möglich, derartige Bälge im Wege der hydraulischen Umformung herzustellen, wobei als Ausgangsmaterial längsnahtgeschweißte Bandmaterialien oder gezogene Rohre herangezogen werden. Es hat sich gezeigt, dass derartige mechanische Verfahren bei der Herstellung von Metall-Bälgen mit kleinen Durchmessern unter circa 6 mm aufgrund der eingesetzten Werkzeuggeometrien nicht wirtschaftlich sind. Nachteile ergeben sich auch bei dem zweiten Verfahren, der hydraulischen Umformung, weil bei kleinen Bälgen aufgrund der geringen Durchmesser-/Wanddicken-Verhältnisse sehr hohe Drücke von bis zu über 1000 bar aufgebracht werden müssen, was eine sehr aufwändige Maschinentechnik erfordert sowie hohe Fertigungskosten verursacht. Außerdem sind im Wege der hydraulischen Umformung hergestellte Bälge aufgrund der hohen Drücke und insbesondere die Schweißnähte der längsnahtgeschweißten Bandmaterialien anfällig für Risse und Platzer. In einigen Fällen ist es wünschenswert, Bälge mit einem Durchmesser von weniger als 5 mm zu verwenden, um diese auch unter beengten Raumverhältnissen einsetzen zu können. Es hat sich gezeigt, dass es im Bereich dieser Anwendungsfälle sehr aufwändig oder gar praktisch unmöglich ist, derartige Bälge unter Einsatz mechanischer oder hydraulischer Verfahren herzustellen.
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Es hat sich herausgestellt, dass es für die Herstellung von Metall-Bälgen, die eine hohe Flexibilität und Lebensdauer aufweisen sollen, wesentlich ist, eine möglichst hohe Ausformung der Außen- beziehungsweise Innenkrempen, die auch als Balgwellen bezeichnet werden, bei einem sehr geringen Wellenabstand zu erreichen.
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Das Umformvermögen der bei der Herstellung verwendeten Werkstoffe, beispielsweise der austenitischen Edelstahllegierungen oder Nickel-Basislegierungen, ist allerdings begrenzt, sodass Umformverhältnisse von mehr als 40 % nur in Ausnahmefällen realisiert werden können, wobei mit dem Begriff „Umformverhältnis“ das Verhältnis von dem Rohrdurchmesser zu dem Balgaußendurchmesser gemeint ist. Bei der hydraulischen Umformung hat es sich auch gezeigt, dass bei kleineren Durchmessern der Metall-Bälge das mögliche Umformverhältnis aufgrund der oben beschriebenen hohen Umformdrücke und damit verbundenen Limitierungen der Fertigungstechnologie weiter abnimmt, da bei der Herstellung der Außen- beziehungsweise Innenkrempen Wellscheiben eingesetzt werden, deren Abstand zwischen den Krempen durch die Mindestdicke dieser Wellscheiben begrenzt ist. Bei höheren Umformkräften besteht außerdem die Gefahr, dass Wellscheiben brechen, die umso größer ist, je kleiner und dünner die Scheiben sind.
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Bei der Herstellung von Metall-Bälgen verwendete Werkstoffe mit geringerem Umformvermögen, beispielsweise härtbare Stähle und ferritische Werkstoffe, können mit den bekannten Wellverfahren nur vergleichsweise geringe Umformverhältnisse realisiert werden.
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Es ist auch bekannt, sehr kleine Metall-Bälge im Wege der Galvanoformung herzustellen. Hier wird eine dünne Nickelschicht galvanisch auf einem verlorenen Kern abgeschieden, der beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung besteht und anschließend, beispielsweise durch ein chemisches Verfahren, entfernt oder aufgelöst wird. Allerdings zeigt sich, dass die Herstellung von Metall-Bälgen auf diese Weise sehr lange dauert und mit hohen Kosten verbunden ist. Darüber hinaus können nur sehr dünne Wandstärken realisiert werden. Schließlich sind nur wenige, galvanisch abscheidbare Ausgangsmaterialien in diesem Herstellungsverfahren verwendbar.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Metall-Balg zu schaffen, der einfach und insbesondere kostengünstig herstellbar ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Metall-Balg geschaffen, der die in Anspruch 1 genannten Merkmale aufweist. Er zeichnet sich dadurch aus, dass sein Grundkörper mittels eines generativen Fertigungsverfahrens herstellbar ist.
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Als generatives oder auch additives Fertigungsverfahren wird eine Vielzahl von Herstellungsverfahren angesprochen, mittels derer Erzeugnisse aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen, beispielsweise aus Kunststoff, Kunstharz, Keramik oder Metall hergestellt werden. Dabei wird das Erzeugnis mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse hergestellt. Im vorliegenden Fall werden generative Verfahren angesprochen, bei denen das Erzeugnis durch Sinter- oder Schmelzprozesse hergestellt wird, wobei die Konturen des Erzeugnisses durch selektives Sintern oder Schmelzen realisiert werden. Die Energie für den Sinter- oder Schmelzprozess kann durch Laser- oder Elektronenstrahlen in den zur Herstellung des Erzeugnisses verwendeten Werkstoff eingeleitet werden.
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Konkret werden bei der Herstellung eines hier angesprochenen Metall-Balgs vorzugsweise metallische Werkstoffe verwendet, die insbesondere pulverförmig vorliegen. In den pulverförmigen Werkstoff, der vorzugsweise in einem sogenannten Bett angeordnet ist, wird in bestimmte Bereiche, also selektiv, Energie eingeleitet, um einen Sinter- oder Schmelzvorgang durchzuführen und damit den Metall-Balg quasi schichtweise zu realisieren.
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Häufig wird das selektive Laserschmelzen oder -sintern auch als 3D-Drucken bezeichnet.
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Mithilfe dieses Verfahrens ist es möglich, praktisch beliebige Umformfaktoren und Wellenabstände zu realisieren, insbesondere solche Umformverhältnisse und Wellenabstände, die mit üblichen Wellenscheiben nicht realisierbar sind. Vorteilhaft ist es über dies dem mit diesem Verfahren auch Metallbälge realisierbar sind, die einen kleinen Durchmesser, insbesondere von ≤ 5 mm, aufweisen können.
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Bevorzugt wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das sich dadurch auszeichnet, dass die Wandstärke des Grundkörpers in Richtung seiner Längsrichtung gesehen variiert. Insbesondere ist es bevorzugt, die Wandstärke des Grundkörpers so auszulegen, dass im Bereich mindestens einer Außenkrempe eine höhere Wandstärke gegeben ist als im Bereich mindestens einer Innenkrempe. Durch die dickere Außenkrempe wird eine hohe Innendruckfestigkeit erreicht, wobei durch die dünnere Innenkrempe eine hohe Beweglichkeit des Metall-Balgs gegeben ist.
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Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Metall-Balgs,
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2 einen vergrößerten Anschlussbereich eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Metall-Balgs, und
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3 einen vergrößerten Wandabschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels eines Metall-Balgs.
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Aus 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Metall-Balgs 1 ersichtlich, der einen Grundkörper 3 mit einem ersten, hier linken Endbereich 5 und einem zweiten, hier rechten Endbereich 7 umfasst. Der Grundkörper 3 weist mindestens eine Außenkrempe 9 sowie eine Innenkrempe 11 auf. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind vier Außen- und drei Innenkrempen vorgesehen. Die Anzahl der auch als Balgwellen bezeichnenden Krempen sowie deren Höhe und Breite richtet sich nach der Verwendung des Metall-Balgs 1 und ist nicht auf die in 1 dargestellte Anzahl bzw. Geometrie begrenzt. Metall-Bälge der hier angesprochenen Art können beispielsweise im Automobilbau verwendet werden, insbesondere in Zusammenhang mit Einspritzanlagen, wo besonders kleine Metall-Bälge 1 verwendet werden. Auch für Kraftstoffpumpen, Dichtungen für Kupplungen, für die Mess- und Regelungstechnik und dergleichen sind derartige Metall-Bälge im Einsatz. Metall-Bälge der hier angesprochenen Art weisen in der Regel eine im Wesentlichen zylindrische Form auf. Es sind auch andere, beispielsweise ovale Ausgestaltungen denkbar.
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Das hier dargestellte Ausführungsbeispiel des Metall-Balgs 1 zeichnet sich dadurch aus, dass dessen Wandstärke über dessen Gesamtlänge, also in Richtung der Mittelachse 13 des Metall-Balgs 1 gesehen, konstant ist.
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Die beiden Endbereiche 5 und 7 des Grundkörpers 3 sind bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel mit einer einen konstanten Durchmesser aufweisende Außenwandung versehen, die also keine Krempen umfasst. Über die Endbereiche 5 und 7 kann der Metall-Balg 1 an gewünschten Montageorten so fixiert werden, dass die bei Verwendung des Metall-Balgs 1 auftretenden Kräfte sicher abgefangen werden.
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Bei herkömmlichen Metall-Bälgen ist vorgesehen, an den Endbereichen 5 und 7 Anschlussteile, beispielsweise Flansche oder Gewinde, anzubringen, wobei zur Anbringung dieser Anschlussteile ein Fügeverfahren eingesetzt wird. Dies bedingt relativ hohe Fertigungskosten. Überdies ergeben Fügestellen zwischen Anschlussteilen und Endbereichen des Metall-Balgs mechanische Schwachstellen, die zu einem Bruch oder zu Undichtigkeiten führen können.
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2 zeigt in vergrößerter Darstellung einen Endbereich, beispielsweise den linken Endbereich 5 eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Metall-Balgs 1, der, wie anhand von 1 erläutert, einen Grundkörper aufweist, der mit mindestens einer Außenkrempe 9 und wenigstens einer Innenkrempe 11 ausgestattet ist. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es wird insofern auf die vorangegangen Beschreibung verwiesen.
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Bei dem hier dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel eines Metall-Balgs 1 ist vorgesehen, dass an den mindestens einen Endbereich 5 ein Anschlussbereich 15 angeformt ist. Der Grundkörper 3 beziehungsweise dessen Endbereich 5 ist also einstückig ausgebildet mit dem Anschlussbereich 15. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel entfällt also die oben angesprochene Fügestelle, sodass also ein sehr zuverlässiger Metall-Balg 1 geschaffen ist, der auch eine hohe Widerstandskraft gegen Vibrationen aufweist und im Übergang zwischen dem Endbereich 5 und dem Anschlussbereich 15 nicht zu Undichtigkeiten neigt.
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Beispielhaft ist der Anschlussbereich 15 als Flansch ausgebildet, der insbesondere einen scheibenförmigen Grundkörper 17 aufweist, dessen freier Innenraum sich in den des Metall-Balgs 1 fortsetzt und der konzentrisch zur Mittelachse 13 angeordnet ist. In den Grundkörper 17 des als Flansch ausgebildeten Anschlussbereichs 15 ist mindestens ein Durchgangsloch 19 eingebracht, durch welches ein Befestigungselement, insbesondere eine Befestigungsschraube, hindurchführbar ist, um den Metall-Balg 1 an einem zugehörigen Funktionsteil anzubringen. Die Befestigung von Metall-Bälgen der hier angesprochenen Art über einen Flansch ist bekannt, sodass hier nicht näher darauf eingegangen wird.
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Grundsätzlich ist es möglich, den Anschlussbereich 15 mit einem Innen- und/oder Außengewinde zu versehen, über welches der Metall-Balg 1 an einem zugehörigen Funktionsteil anbringbar ist. Dabei ist es auch möglich, den Anschlussbereich 15 als verdickten Wandbereich des Endbereichs 5 auszubilden.
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Schließlich ist es auch möglich, den Anschlussbereich 15 als umlaufenden Befestigungsabschnitt auszulegen, beispielsweise einen Wandbereich zu realisieren, der senkrecht zur Mittelachse 13 verläuft und der bei der Befestigung des Metall-Balgs 1 an einem Funktionsteil zwischen zwei Klemmelementen fixiert wird.
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Es zeigt sich also, dass die hier in 2 wiedergegebene Ausgestaltung des Anschlussbereichs 15 lediglich beispielhaft gewählt wurde, und dass es erfindungsgemäß möglich ist, an dem Endbereich 5 des Grundkörpers 3 des Metall-Balgs 1 einen beliebigen Befestigungsabschnitt zu realisieren, der einstückig mit dem Endbereich 3 ausgebildet ist.
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3 zeigt einen vergrößerten Wandbereich eines dritten Ausführungsbeispiels eines Metall-Balgs 1 im Längsschnitt. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
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Der hier dargestellte Wandbereich eines Grundkörpers 3 eines Metall-Balgs 1 zeichnet sich dadurch aus, dass die Wandstärke von rechts nach links, also in Richtung der hier angeordneten Mittelachse 13 des Metall-Balgs 1 gesehen, variiert: Die Wandstärke der Außenkrempe 9 ist im Übergangsbereich zum Endbereich 5 relativ dünn ausgelegt, sie nimmt jedoch in einem zunehmenden Abstand zur hier lediglich angedeuteten Mittelachse 13 radial nach außen derart zu, dass sich im äußeren Scheitelbereich 21 der Außenkrempe 9 eine größere Wandstärke ergibt. Beispielhaft ist hier vorgesehen, dass die Wandstärke hier etwa dreimal so groß ist wie im Ausgangsbereich der Außenkrempe 9. Diese Dimensionierung ist hier beispielhaft gewählt. Das Dickenverhältnis zwischen dem dünnsten Bereich der Wandung der Außenkrempe 9 und dem dicksten Bereich der Wandung im Scheitel 21 ist an das Ausgangsmaterial des Metall-Balgs 1 und an dessen Einsatzbereich anpassbar.
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Auf jeden Fall wird deutlich, dass im Bereich des Scheitels 21 die Wandung auch wesentlich dicker ist als im Bereich der Basis 23 der Innenkrempe 11. Die Dicke ist über den inneren Bogen der Basis der der Innenkrempe 3 praktisch konstant. Demgegenüber nimmt die Wandstärke des äußeren Bogens der Außenkrempe 9 im Bereich des Scheitels 21 zunächst zu, bis direkt im Scheitel die größte Wandstärke erreicht ist. Quasi symmetrisch dazu nimmt die Wandstärke dann wieder ab, um schließlich im Bereich der Basis 23 der Innenkrempe 11 wieder am geringsten zu sein.
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Es zeigt sich also, dass es möglich ist, eine über die Längsrichtung des Grundkörpers 3, also in Richtung der Mittelachse 13, eine variable Wandstärke des Grundkörpers 3 zu wählen, um den Metall-Balg 1 optimal an verschiedene Einsatzfälle anpassen zu können. Es wird deutlich, dass die Wandstärke dabei auch senkrecht zur Mittelachse 13 gesehen, variiert.
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Durch die größere Dicke im Bereich des Scheitels 21 des Außenbalgs wird eine hohe Innendruckfestigkeit erreicht. Gleichzeitig ergibt sich durch die relativ dünne Wandung im Bereich der Basis 23 der Innenkrempe 11 eine hohe Beweglichkeit des Metall-Balgs 1, sodass dieser besonders widerstandsfähig ist gegen Vibrationen in Längsrichtung, also in Richtung der Mittelachse 13, aber auch in senkrechter Richtung dazu, also in angularer Richtung.
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Im Folgenden wird auf die Herstellung des Metall-Balgs 1, wie er aus den 1 bis 3 ersichtlich ist, näher eingegangen.
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Der anhand der Figuren erläuterte Metall-Balg 1 zeichnet sich dadurch aus, dass er mittels eines generativen Fertigungsverfahrenshergestellt ist. Bei einem derartigen Herstellungsverfahren können sämtliche Nachteile überwunden werden, die in Zusammenhang mit den oben beschriebenen bekannten Verfahren erläutert wurden, also mit dem mechanischen Roll- oder Aufweitverfahren sowie mit dem hydraulischen Umformungsverfahren. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Metall-Balg auf einfache und kostengünstige Weise herstellbar ist.
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Bei der Herstellung im generativen Fertigungsverfahren können also gewünschte Konturen des Metall-Balgs 1 bereits bei der Herstellung realisiert werden, sodass eine mechanische Umformung des Materials entfällt. Bei dem auf diese Weise hergestellten Metall-Balg 1 sind theoretisch jedwelche Umformfaktoren und Wellenabstände realisierbar, außerdem sich in Richtung der Mittelachse 13 und senkrecht dazu verändernde Wellengeometrien. Dabei ist es möglich, die Wandstärke der Außen- und Innenkrempen 9, 11 des Grundkörpers 3 bezüglich des Querschnitts der Wandung gesehen, zu variieren. Es ist also möglich, wie oben beschrieben, eine relativ dicke Außenkrempe 9 und eine vergleichsweise dünne Innenkrempe 11 zu realisieren, sodass sich eine hohe Innendruckfestigkeit bei einer hohen Beweglichkeit ergibt. Dabei können die Bereiche der Verdickungen beziehungsweise Verjüngungen der Wandstärke über die Erstreckung des Grundkörpers 3 praktisch frei gewählt werden, ebenso die Auswahl der Krempen
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Dies gilt selbstverständlich auch für die Endbereiche 5 und 7 des Grundkörpers 3, außerdem für den mindestens einen Anschlussbereich 15, der sich an den linken Endbereich 5 anschließt. Selbstverständlich ist es möglich, bei Einsatz dieses Fertigungsverfahrens an beiden Endbereichen 5 und 7 Anschlussbereiche vorzusehen, die entweder gleich oder verschieden ausgelegt sind. Dabei ist es möglich, die Anschlussbereiche unmittelbar an den Endbereichen des Grundkörpers vorzusehen, ohne dass es dabei irgendwelcher Fügeverfahren bedürfte, wie sie bei herkömmlichen Herstellungsverfahren erforderlich sind. Schwachstellen bezüglich Vibrationen und Überdruck werden damit mit sehr hoher Sicherheit vermieden.
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Bei der Herstellung mittels eines generativen Fertigungsverfahrens ist es im Übrigen möglich, den Metall-Balg 1 einer definierten, bereichsweisen Härtung zu unterziehen. Beispielsweise kann eine partielle Härtung nur an den Innenkrempen 9 durchgeführt werden, um die Betriebseigenschaften des Metall-Balgs 1 an verschiedene Einsatzfälle anpassen zu können.
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Bei der Herstellung des hier beschriebenen Metall-Balgs 1 können sämtliche in generativen Fertigungsverfahren bislang eingesetzte metallische Werkstoffe verwendet werden, insbesondere auch aushärtbare Legierungen und überdies Titan, welches im Wege der Fügetechnik schwer zu bearbeiten ist. Dadurch ergeben sich vielfältige Möglichkeiten, Metall-Bälge 1 der hier angesprochenen Art zu realisieren.
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Besonders vorteilhaft ist es, dass, wie anhand insbesondere von 2 erläutert, im Wege des generativen Fertigungsverfahrens Anschlussteile, beispielsweise Flansche oder Gewinde, unmittelbar gemeinsam mit den Endbereichen 5, 7 des Grundkörpers 3 des Metall-Balgs 1 hergestellt werden können, sodass sich ein einstückiger Metall-Balg ergibt. Dies führt zu einer Reduzierung der Fertigungskosten, weil auf Fügetechniken zur Verbindung von Anschlussbereichen und Endbereichen verzichtet werden kann. Überdies werden mechanische Schwachstellen vermieden.
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Schließlich ist es noch als besonders vorteilhaft herauszustellen, dass im Wege des generativen Fertigungsverfahrens Metall-Bälge mit sehr geringen Abmessungen herstellbar sind. Es können auch Metall-Bälge hergestellt werden, deren Durchmesser deutlich kleiner sind als 5 mm. Dabei ist es insbesondere auch möglich, wie oben beschrieben, die Dimensionierung der Wandung des Metall-Balgs 1 an verschiedene Einsatzbereiche, aber auch an die Verwendung verschiedener Ausgangsmaterialien anzupassen. Dieser letztere Vorteil ergibt sich auch dann, wenn Metall-Bälge 1 hergestellt werden, die größer sind als hier beschrieben.
