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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffleiteinheit für eine Verbrennungskraftmaschine, etwa für einen Ottomotor oder für einen Dieselmotor, oder alternativ einer Hydraulikmittelleiteinheit für eine Bremse.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits unterschiedliche Herstellverfahren für Brennstoffleiteinheiten, bspw. für Einspritzdüsen oder Hydraulikdrosseln, zur Anwendung in einer Verbrennungskraftmaschine oder einer Hydraulikbremse bekannt. Häufig werden so genannte Metal Injection Molding-Verfahren eingesetzt, um „MIM“-Teile zu erhalten. Ziel ist es dabei nämlich bessere Abgaswerte für Verbrennungskraftmaschinen zu erhalten und ein besseres Leistungsverhalten von Hydraulikbremsen zu bewirken. Es wird ferner üblicherweise auf Drahterodieren, Stanzen und Lasern gesetzt, wobei meistens so genannte „Nano“-Laser eingesetzt werden.
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Die Präzision, die von Brennstoffleiteinheiten seit neuestem gefordert wird, ist sehr groß, insbesondere viel größer als bisher. So werden insbesondere im Bereich von Dieseleinspritzdüsen Durchgangsdurchmesser für den Diesel von ca. 0,03 mm gefordert. Auch bei Drosseln wurde bisher auf das so genannte „EDM“-Verfahren gesetzt, das als Electronical Discharge Machining bezeichnet wird, hier in der Form des funkenerosiven Bohrens. Allerdings hat sich dort herausgestellt, dass die Oberflächen nach der Bearbeitung nicht ausreichend gut beschaffen sind und insbesondere durch Mikrorisse und Recast Layer geschädigt sind.
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Zur Beseitigung der Mikrorisse und des Recast Layers, aber auch zum Kalibrieren der Brennstoffleiteinheiten, wurde meistens ein niederviskoses Medium eingesetzt, das abrasive Partikel beinhaltet. Dieses abrasive Partikel beinhaltende Medium wurde dann durch den Flüssigkeitsleitkanal, insbesondere den Fluidleitkanal hindurchgeschwemmt, insbesondere gepumpt, um eine Abrasion zu bewirken, mittels derer dann das Durchflussverhalten exakt eingestellt wurde. Dabei werden üblicherweise so genannte „HE“-Medien , also hydroerosive Medien oder Poliermedien mit Polier- oder Schleifpartikeln, eingesetzt. Allerdings verkeilen sich diese „HE“-Partikel innerhalb des Fluidleitkanals bei ungünstigen Bedingungen und führen zum sogenannten Kornstau. Unter Kornstau wird verstanden, dass abrasive Polierkörner in einen verengenden Querschnitt gezwungen werden und zwei oder mehr von ihnen gleichzeitig durch den durch den Querschnitt definierte Öffnung hindurchtreten müssen/sollen/wollen. Es kommt dann vor, dass sich die Polierkörner ineinander vor der Verengung verkeilen und den Fluss des Poliermediums blockieren. Der Poliereffekt kommt dann leider zum Stillstand. Speziell in parallelen Fluidkanälen führt dies zu unkontrollierbarem und unterschiedlichem Materialabtrag an den Oberflächen. Mit HE- und Poliermedien bearbeitete Werkstücke,, müssen nach der Behandlung gewaschen werden, um insbesondere die abrasiven Partikel aus dem Fluidleitkanal herauszuwaschen.
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Hier gilt es nun eine Verbesserung zu erreichen, und die Nachteile aus dem Stand der Technik abzustellen oder wenigstens zu mindern. Insbesondere soll die Gefahr der abrasiven Partikel vermieden werden, ohne die auch kein spezieller Waschprozess notwendig ist. Auch soll der Fluidleitkanal genau genug und ohne Recast Layer und Mikrorisse hergestellt werden, sodass auf das Kalibrieren nachträglich verzichtet werden kann. Dies ist schon beim Einsatz eines geeigneten Lasers besser, doch zeigt sich beim Lasern ein großer Nachteil insbesondere am Bohrungsein- und Bohrungsausgang. Dort bilden sich Grate und Ausrisse. Dies ist beim Laserprozess bedingt durch das direkte Übergehen des Metalls aus einem festen Zustand in einen gasförmigen Zustand, ohne in den Schmelzzustand zu gelangen. Je energiereicher der Laser ist, desto schwieriger wird dieses Problem zu handhaben sein.
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Diese Aufgabe, insbesondere die Beseitigung oder Vermeidung der Grate und Ausrisse, wird dadurch gelöst, dass ein Eingang und/oder ein Ausgang eines Fluidleitkanals, etwa eines Brennstoffleitkanals oder eines Luftkanals, mittels eines geeigneten elektrochemischen Abtrag Verfahrens (ECM-Verfahren), etwa einem Precise Electromechanical Machining Verfahren (PECM-Verfahren), einem ECM-Senkverfahren oder einem statischen ECM-Abtragungsverfahren in Kombination mit einem Laserbearbeitungsverfahren vorzugsweise unmittelbar nacheinander in die Endform gebracht wird oder werden.
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Es ist völlig überraschend, dass die erfindungsgemäße Aufgabe bei dem gattungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst wird, dass sowohl ein Electromachining-Verfahren, also auch ein Laserbearbeitungsverfahren vorzugsweise unmittelbar nacheinander eingesetzt wird, um die Brennstoffleiteinheit oder die Hydraulikmittelleiteinheit in die Endform zu bringen. Die Endform muss dabei nicht zwangsläufig die Form sein, in der das Bauteil vorliegt, wenn es in ein Fahrzeug verbaut wird, wie ein Kraftfahrzeug, etwa einen Pkw, einen Lkw oder ein anderes Nutzfahrzeug, sondern kann eine dieser vorgelagerte Form sein.
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Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
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So ist es von Vorteil, wenn zuerst ein ECM-Kessel eingebracht wird und dann in den ECM-Kessel mit einem Laserstrahl der restliche Fluidleitkanal, etwa nach Art eines Durchgangs- oder Sackloches, bspw. als Counter-Bohrung, in das metallische Material eines Grundkörpers eingebracht wird und erst danach der Eingang und/oder der Ausgang des Fluidleitkanals als ECM-Kessel mittels eines ECM-Bearbeitungsschrittes formverändert wird. Auf diese Weise kann eine besonders effiziente und qualitativ hochwertige Bearbeitung zur Minderung der Kosten bewirkt werden.
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Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel ist auch dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidleitkanal mittels eines Femto-Lasers oder eines Nano-Lasers gebohrt wird. Gerade der Einsatz eines Femto-Lasers hat den vorteilhaften Effekt, dass eine höhere Leistung pro Zeit zur Verfügung steht, und das Werkstück infolge der Bearbeitung nicht einmal warm wird. Thermische Spannungsverzüge werden dadurch verhindert.
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Um während des Betriebs Ausrisse zu vermeiden, ist es auch von Vorteil, wenn eine vom Fluidleitkanal abgehende Kante auf einen Wert α von größer 90° eingestellt wird, vorzugsweise auf einen Wert α zwischen 90° und 180°, vorzugsweise 120° +/- 0° oder +/- 10°. Dabei wird dieser Wert α über ein ECM-Verfahren eingestellt.
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Wenn der Fluidleitkanal als ein Teil einer Drosselleitung oder als Teil einer Düsenleitung ausgebildet wird, so ist ein mannigfaltiger Einsatz der Brennstoffleiteinheit möglich.
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Die Präzision der Brennstoffleiteinheit lässt sich theoretisch noch weiter steigern, wenn ein zusätzlicher Vorbearbeitungs-Verfahrensschritt eingesetzt ist, vorzugsweise nach dem ECM-Bearbeitungsschritt und/oder dem Laserbohrschritt.
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Wenn dem ECM-Bearbeiten und/oder dem Laserbohren ein mechanischer Vorbohrschritt zum Grobanlegen des Fluidleitkanals vorgeschaltet ist, so lässt sich der Fluidleitkanal schneller und präziser in einen Zustand bringen, der einen besonders lang andauernden und dabei ausfallsicheren Betrieb sicherstellt.
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Um auch die Oberfläche adäquat bearbeiten zu können, ist es von Vorteil, wenn wenigstens ein Wärmebehandlungsschritt, wie ein Härteschritt oder ein Anlassschritt oder vorzugsweise beide Schritte, und/oder ein Waschvorgang nachgeschaltet ist. Die Qualität wird dadurch erhöht und das Handling erleichtert.
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Gerade zum Realisieren einer Drossel ist es von Vorteil, wenn der (erste) Fluidleitkanal schräg, vorzugsweise senkrecht / orthogonal, in einen weiteren (zweiten) Fluidleitkanal mündet.
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Es hat sich auch als vorteilhaft herausgestellt, wenn das ECM- und Laserbohrverfahren in einer einzigen Maschine / Werkzeugmaschine durchgeführt wird, vorzugsweise umspannfrei.
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Um ungewollte Beschädigungen im Werkstoff der Brennstoffleiteinheit zu verhindern, ist es von Vorteil, wenn während des Laserbohrens ein Fluid mit mäßig hohem Lichtbrechverhalten, insbesondere im Vergleich zu Süßwasser, durch einen den Laserstrahl kreuzenden zweiten Fluidleitkanal geleitet wird oder dort statisch angeordnet wird, insbesondere im Bereich des Laserstrahlaustritts aus dem ersten Fluidleitkanal.
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Wenn Salzwasser mit einer Geschwindigkeit von 0,1 bis 5 I/min vorzugsweise 0,2 I/min, und einem Druck von (1 bis 16 bar) 0,1 MPa bis 1,6 MPa, vorzugsweise (10 bar) 1,0 MPa, hindurch gepumpt wird, so wird eine besonders schnelle Bearbeitung bei Ausschluss von Beschädigungen möglich.
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Es ist auch von Vorteil, wenn der erste und/oder der zweite Fluidleitkanal einen kreisrunden, oder elliptischen oder polygonalen Querschnitt oder eine Mischung daraus besitzt. Ebenso ist ein Querschnitt mit rundem Grundquerschnitt, der mit radialen Erweiterungen versehen ist, denkbar, um höheren Drücken standzuhalten.
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Wenn der Fluidleitkanal im Längsschnitt parallel oder konisch oder doppelkonisch verlaufende Flanken / Seiten besitzt, oder sogar Kombinationen aus diesen drei Varianten oder auch nur zwei dieser Varianten, so wird ein besonders gutes Fluidleitverhalten gezeitigt.
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Wenn der mit dem ECM-Verfahren eingebrachte ECM-Kessel eine konkave oder eingebauchte oder trompetenförmige Ausprägung / Form besitzt, so wird die Bearbeitung erleichtert und im späteren Betrieb auch etwaige Erosionen / Kavitäten ausgeschlossen oder zumindest gemindert.
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Ferner ist es von Vorteil, wenn die Brennstoffleiteinheit als Einspritzdüse oder als Hydraulik-Drossel ausgeformt wird.
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Die Erfindung betrifft auch eine solche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Brennstoffleiteinheit.
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Gerade durch die Kombination von ECM, also einem anodischen Auflösen, und dem Laserbearbeitungsverfahren wird ein solches Produkt geschaffen, das weit über das zu Erwartende hinaus geht. Die Effekte sind besser, als wenn jedes Verfahren nur für sich einzeln hergenommen würde und die Kombination hat Effekte, die besser als erwartbar sind. Dabei bietet sich eigentlich ein getaktetes Bearbeiten mittels ECM und Laser an. Eine Counter-Bohrung, nach Art eines Sackloches, mit lasereingebrachter Bohrung bei einer Düse ist dabei besonders vorteilhaft. Dabei kann ein Voreinstellen des künftigen Winkels der Oberflächen, d.h. der ECM-geschaffenen Oberflächen zur lasergeschaffenen Oberfläche, vorbestimmt erreicht werden, was eine Kavitationsverhinderung im mit Druckfluid durchflossenen Zustand nach sich zieht.
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Dabei sind grundsätzlich Winkel von mehr als 90° kavitationsvermeidend. Zuerst sollte ein mechanisches Bohren stattfinden, dann eine ECM-Bearbeitung, dann ein Laserbohren mit nachfolgender Wärmebehandlung (Härten / Anlassen) und/oder ein Waschen. Die Geometrie der Löcher sollte zylindrisch, gerade / schräg, im Querschnitt rund / elliptisch oder beliebig ähnlich sein. Ein Längsschnitt sollte parallele Flanken, konische oder doppelkonische Flanken erkennbar lassen. Neben der Kosteneinsparung, insbesondere durch Vermeidung einer somit notwendigen Kalibrierung / präzisen Voreinstellung einer Eingangsrundung in das Loch, wird dadurch die Wiederholgenauigkeit verbessert, was sich gerade auch beim Einsatz einer Hydraulikdrossel vorteilhaft auswirkt. Beim Kalibrieren betragen die Bearbeitungsdrücke des Elektrolyts das 4- bis 8-fache, vorzugsweise das 6-fache des Elektrolytdrucks beim ECM-Bohren, um eine größtmögliche Präzision zu ermöglichen.
In eine kleine ECM-geschaffene Trompete / Kessel kann möglichst längsachsenparallel dazu eine Laserlocheinbringung stattfinden.
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Der Erosionskanal an sich weist im Wesentlichen einen ovalen Querschnitt auf, dessen Breite in einer Ausführungsform etwa 5 mm und dessen Höhe in jener Ausführungsform etwa 2 mm beträgt. In weiteren Ausführungsformen sind andere Dimensionen möglich. So erfasst der erfinderische Gedanken sämtliche Dimensionen, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erfasst werden können. Vorzugsweise beträgt die Breite zwischen 2 mm und 8 mm und die Höhe zwischen 1 mm und 2 mm.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe einer Zeichnung näher erläutert, wobei dort unterschiedliche Ausführungsbeispiel dargestellt sind. Es zeigen:
- 1 einen Längsschnitt durch eine Brennstoffleiteinheit mit einem ersten Fluidleitkanal und einem zweiten Fluidleitkanal,
- 2 eine Vergrößerung des Bereiches II aus 1, nach Nutzung des kombinatorischen ECM- und Laserbearbeitungsverfahrens,
- 3 der Mündungsbereich der zwei Fluidleitkanäle aus 1 während der kombinatorischen Bearbeitung mit dem Ergebnis aus 2,
- 4 eine Draufsicht auf eine Brennstoffleiteinheit nach Art einer Einspritzdüse, bspw. für einen Dieselmotor mit wärmebehandelter Oberfläche in einer Darstellung von oben,
- 5 einen Längsschnitt entlang der Linie V aus 4,
- 6 einen Längsschnitt durch die Einspritzdüse aus 4 entlang der Linie VI,
- 7 einen Längsschnitt durch die Einspritzdüse aus 4 entlang der Linie VII,
- 8 eine Draufsicht auf einen Grundkörper in einer weiteren Ausführungsform,
- 9 eine Draufsicht auf den Grundkörper von der der 8 entgegengesetzten Richtung,
- 10 den Grundkörper aus 8 in einer perspektivischen Ansicht, und
- 11 einen Querschnitt durch den Grundkörper aus 8.
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Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele können auch untereinander ausgetauscht werden.
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In 1 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffleiteinheit 1 dargestellt. Die Brennstoffleiteinheit 1 ist nur im Ausschnitt dargestellt, und zwar in einem längsgeschnittenen Ausschnitt. Die Brennstoffleiteinheit 1 ist als Drossel 2 ausgebildet. Sie kann aber genauso gut auch als Einspritzdüse ausgebildet werden, insbesondere für einen Ottomotor oder einen Dieselmotor. Im vorliegenden Fall des Ausführungsbeispiels gibt es zwei Fluidleitkanäle 3. Dabei münden die beiden Fluidleitkanäle 3 in einen Winkel β zusammen. Der Winkel β wird durch das Zusammentreffen der jeweiligen Längsachsen 4 definiert. Jeder Fluidleitkanal 3 besitzt einen Eingang 5 und einen Ausgang 6. Üblicherweise ist der Fluidleitkanal 3 zum Leiten eines Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit, insbesondere Brennstoff oder einem Hydraulikmedium, wie Öl vorbereitet. Es kann aber auch Luft hindurchgeleitet werden. Durchaus bedeutsam ist, dass hier noch die Präzision des jeweiligen Durchmessers des Fluidleitkanals 3 absolut, insbesondere aber auch über die Länge gesehen exakt vorbestimmt ist.
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In einem Mündungsbereich 7 mündet der Ausgang 6 des schräg zum größeren Fluidleitkanal 3 ausgerichteten kleineren Fluidleitkanals, in den größeren Fluidleitkanal 3 ein. In dem Mündungsbereich 7 ist mittels eines ECM-Verfahrens, insbesondere eines ECM-Senkverfahrens, PECM-Verfahrens oder statischem ECM-Verfahrens eine Vertiefung 8 nach Art eines ECM-Kessels 9 eingebracht. Dabei wird eine so genannte ECM-Freiformfläche 10 geschaffen. Im vorliegenden Fall wurde erst die ECM-Freiformfläche 10 mittels des ECM-Verfahrens eingebracht und dann mittels eines Laserbohrverfahrens vom Eingang 5 aus der Fluidleitkanal 3 in Gänze, also bis in den Mündungsbereich 7 hinein, insbesondere durch die ECM-Freiformfläche 10 hindurch, eingebracht.
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Es ist dabei wünschenswert, dass ein durchmesserkleinerer, selbst zu dem schräg angeordneten Fluidleitkanal 3, ausgestalteter Fluidleitkanal, insbesondere nach Art einer Vorbohrung 11 eingebracht ist. Danach wird das Schaffen des ECM-Kessels 9 durchgeführt, gefolgt von der Herstellung einer Laserbohrung 11, die dann zusammen mit dem ECM-Kessel 9 den gesamten Fluidleitkanal 3 definiert.
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Während sonst, wie in 2 zu sehen, auch im Mündungsbereich 7 ein Winkel β von ca. 30° zu erwarten wäre, liegt nun tatsächlich in dem Material eines die Brennstoffleiteinheit 1 ausbildenden Grundkörpers 12 ein Winkel α von ca. 90° oder mehr vor, im vorliegenden Fall ca. 135°. Auch Werte von 160°, 150°, 140°, 130°, 120°, 110° und 100° haben sich bewährt. Besonders bevorzugt ist der Wert von 122,7°.
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In 3 ist die Reihenfolge des Herstellens genau vice versa gewählt, so wurde erstens mittels einer Laserbohrung 11 der Fluidleitkanal 3 vorgefertigt und dann im Mündungsbereich 7 ein ECM-Kessel 9 eingebracht, um die ECM-Freiformfläche 10 auszuformen. Das dann abgetragene Material ist mit dem Bezugszeichen 13 und einer Kreuzschraffur gekennzeichnet.
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In den in den 4 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Brennstoffleiteinheit 1 sind zwei Fluidleitkanäle 3 vorhanden, wobei jeder der Fluidleitkanäle 3 jeweils einen Eingang 5 und einen Ausgang 6 besitzen. Ferner gibt es Befestigungslöcher 14, nach Art von Sacklöchern. Allerdings können die Befestigungslöcher 14 auch anders ausgebildet werden, bspw. auch als Durchgangslöcher. Wie in 5 gut zu erkennen ist, gibt es zwei Mündungsbereiche 7 von jeweils zwei Fluidkanälen 3, wobei der kleinste auch als Stichkanal 15 bezeichnet werden kann. Immer in den jeweiligen Mündungsbereichen 7 besteht die Möglichkeit der Bearbeitung mit dem kombinierten ECM-Laserverfahren nacheinander, wobei es wünschenswert ist, erst die Laserbohrung 11 einzubringen und dann die ECM-Freiformfläche 10 auszugestalten oder vice versa.
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In den 6 und 7 wird die Möglichkeit der Bearbeitung in den jeweiligen Mündungsbereichen 7 ebenfalls angedeutet.
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In 8 ist der Grundkörper 12 in einer weiteren Ausführungsform in einer Draufsicht dargestellt. Der Grundkörper 12 weist drei Mündungsbereiche 7 auf, die jeweils einen ECM-Kessel 9 mit einem Fluidleitkanal 3 verbinden. Die drei Fluidleitkanäle 3 weisen jeweils unterschiedliche Durchmesser auf, wie es bereits aus den vorstehend vorgestellten Figuren bekannt ist. Die Mündungsbereiche 7 sowie die Fluidleitkanäle 3 sind über das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt.
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In 9 ist der Grundkörper von der anderen Seite dargestellt. Wie etwa auch der Schnittzeichnung aus 7 zu entnehmen ist, ist auf jener Seite des Grundkörpers 12 nur ein Mündungsbereich 7 ausgebildet. In einem Stadium, in dem der Grundkörper vollständig bearbeitet ist, ist jener Mündungsbereich etwa über einen Stichkanal 15 mit einem Fluidleitkanal 3 verbunden.
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Der Grundkörper aus 8 ist in 10 perspektivisch dargestellt. Die ECM-Kessel 9 sind sphärisch ausgestaltet und zeichnen sich durch ein hohes Maß an Oberflächenglätte aus. Die Fluidleitkanäle 3 sind derart mit dem Kessel 9 verbunden, dass der Übergang scharfe Kanten vermeidet. Die drei Kessel 9 liegen vorzugsweise auf einer Linie.
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11 zeigt den Grundkörper 12 aus 10 in einem Querschnitt. Jeder Kessel 9 ist hierbei für die jeweiligen Anforderungen angepasst. So weisen sie etwa eine unterschiedliche Tiefe auf und unterscheiden sich auch in der Position, an der der jeweilige Fluidleitkanal 3 angreift. Der in 11 rechts dargestellte Fluidleitkanal 3 ist mittels eines Stichkanals 15 mit dem Mündungsbereich 7 verbunden.
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Der zentral angeordnete Fluidleitkanal 7 weist einen innerhalb des Grundkörpers angeordneten Mündungsbereich 7 auf. Dieser wird mittels des Verfahrens, wie es ausführlich in Zusammenhang mit den 1 bis 3 beschrieben worden ist, gefertigt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffleiteinheit / Hydraulikmittelleiteinheit / Hydraulikbremseneinheit
- 2
- Drossel
- 3
- Fluidleitkanal
- 4
- Längsachse
- 5
- Eingang
- 6
- Ausgang
- 7
- Mündungsbereich
- 8
- Vertiefung
- 9
- ECM-Kessel
- 10
- ECM-Freiformfläche
- 11
- Laserbohrung
- 12
- Grundkörper
- 13
- vernichtetes Material
- 14
- Befestigungsloch
- 15
- Stichkanal
