DE102017201872A1

DE102017201872A1 - Verfahren zum thermischen Fügen eines Bauteilverbundes und Bauteilverbund

Info

Publication number: DE102017201872A1
Application number: DE102017201872.0A
Authority: DE
Inventors: Alexander Grimm; Johann van Niekerk
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-02-07
Filing date: 2017-02-07
Publication date: 2018-08-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Fügen eines Bauteilverbundes von wenigstens zwei Bauteilen mit den Schritten:- Erzeugen einer Fügenaht (4), welche die wenigstens zwei Bauteile (2, 3) stoffschlüssig miteinander verbindet, durch Schweißen oder Löten und Glätten zumindest eines Teilbereichs der Oberfläche der Fügenaht (4), Erfindungsgemäß erfolgt das Glätten mittels einer Vielzahl von Laserimpulsen, wobei zur Erzeugung der Vielzahl von Laserimpulsen wenigstens ein Laserstrahl (L) mehrfach ein- und wieder ausgeschaltet wird und durch jeden Laserimpuls ein örtlich begrenztes Areal (10 - 15) der Fügenaht (4) im Bereich der Oberfläche aufgeschmolzen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Fügen nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 und einen mit dem Verfahren hergestellten Bauteilverbund.
Die thermischen Fügeverfahren Schweißen und Löten sind in der Industrie zum Verbinden von Bauteilen etabliert. Beim Schweißen wird das Material der zu verbindenden Bauteile an der Fügestelle bis über die Liquidustemperatur erhitzt. Die schmelzflüssigen Phasen beider Bauteile vermischen sich und erstarren nach Abkühlung zu einer stoffschlüssigen Verbindung. Dem Schmelzbad kann wahlweise ein Zusatzwerkstoff zugegeben werden. Dagegen wird beim Löten eine schmelzflüssige Phase durch Aufschmelzen eines Lotwerkstoffs, z.B. einer Lotpaste oder eines Lotdrahtes, erzeugt. Die Bauteile selbst werden nicht über die Liquidustemperatur des Grundwerkstoffs erhitzt oder nur oberflächlich angeschmolzen. Nach dem Erstarren ist wie beim Schweißen eine stoffschlüssige Verbindung der Bauteile hergestellt. Die Energieeinbringung an der Fügestelle kann durch unterschiedlichste im Stand der Technik bekannte Vorrichtungen erfolgen. In der großindustriellen Fertigung setzt sich aufgrund der hohen erreichbaren Arbeitsgeschwindigkeiten zunehmend das Laserstrahlschweißen und Laserstrahllöten durch, wobei bei diesen Verfahren der erforderliche Energieeintrag durch einen hochenergetischen Laserstrahl erfolgt.
Zwar sind mit diesen Fügeverfahren hochfeste Verbindungen erzielbar, jedoch sind die Oberflächen der Fügenähte häufig stark aufgeworfen und geschuppt. Dies ist insbesondere der Fall, wenn es sich bei den Bauteilen um Aluminiumbauteile handelt. Gerade im Fahrzeugbau bestehen jedoch hohe Anforderungen an die Oberflächenqualität der Fügenähte, insbesondere wenn die Bauteile im Sichtbereich des Kunden verbaut werden. Da eine Nacharbeit der Fügenähte aufwendig und teuer ist, wird für Fügeaufgaben im Sichtbereich bisher häufig auf andere Fügeverfahren ausgewichen.
Zur Verbesserung der Oberflächengüte einer Laserschweißnaht ist es aus der Druckschrift DE 10 2009 057 997A1 bekannt, die erzeugte Laserschweißnaht durch eine Überfahrt mit einem defokussierten Laserstrahl teilweise wieder aufzuschmelzen. Hierdurch sollen Erhebungen, Nahtüberhöhungen und der Endkrater geglättet werden können. Für Werkstoffe, die eine hohe Reflektivität für die eingesetzte Laserstrahlung aufweisen, ist dieses Verfahren nur bedingt geeignet und erfordert zusätzliche Maßnahmen, wie z.B. das Neigen des Laserstrahls gegenüber der Bauteiloberfläche zur Vermeidung der Beschädigung der Optik.
Daher ist es die Aufgabe der Erfindung ein hinsichtlich der erzielbaren Oberflächengüte verbessertes Fügeverfahren anzugeben, mit dem die Anwendungsfelder thermischer Fügeverfahren und insbesondere die Anwendungsfelder von Lasernähten vergrößert werden können.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 und einen Bauteilverbund nach Patentanspruch 13. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Zur Herstellung eines Bauteilverbundes werden zumindest zwei Bauteile stoffschlüssig durch eine Fügenaht miteinander verbunden. Die Fügenaht kann dabei mittels herkömmlicher Schweiß- oder Lötverfahren ausgebildet werden. Erfindungsgemäß erfolgt das Glätten der Fügenaht mittels gepulster Laserstrahlung, wobei zur Erzeugung einer Vielzahl von Laserimpulsen wenigstens ein Laserstrahl mehrfach ein- und wieder ausgeschaltet wird und durch jeden Laserimpuls ein örtlich begrenztes Areal der Lasernaht im Bereich der Oberfläche aufgeschmolzen wird.
Im gepulsten Betrieb wird der Laserstrahl wiederholt an- und wieder ausgeschaltet, wobei er jeweils nur für eine kurze Zeitspanne eingeschaltet ist. So werden kurze Laserimpulse erzeugt, die das Material extrem fokussiert und lokal und zeitlich begrenzt aufschmelzen. Nach jedem Laserimpuls folgt ein Pausenintervall, in dem der Laserstrahl ausgeschaltet bleibt. Mit jedem Laserimpuls können hohe Pulsspitzenleistungen verwendet werden, was die Einkopplung der Laserenergie selbst in stark reflektierende Bauteile, wie z.B. Aluminium- oder Kupferwerkstoffe, ermöglicht. Die eingekoppelte Gesamtleistung kann dennoch gering gehalten werden, so dass die Aufschmelzung der Naht lediglich im gewünschten, z.B. oberflächennahen, Bereich erfolgt.
Die durch einen Laserimpuls aufgeschmolzenen Areale sind relativ klein. So liegen die lateralen Abmessungen, d.h. Breite und Länge bzw. Durchmesser, des aufgeschmolzenen Areals in einer ähnlichen Größenordnung wie die lateralen Abmessungen des verwendeten Laserstrahlspots und betragen z.B. maximal 130% oder 120% oder 110% der lateralen Abmessungen des Laserstrahlspots. Hat der Laserstrahl z.B. einen Strahldurchmesser von 100 µm (Mikrometer), so ist der Durchmesser des aufgeschmolzenen Bereichs nur geringfügig größer, und beträgt z.B. maximal 130 µm oder maximal 120 µm oder maximal 110 µm.
Die zum Glätten verwendete Laserstrahlung kann durch einen einzigen Laserstrahl bereitgestellt werden. Ebenso ist es möglich, mehrere Laserstrahlen zu verwenden, z.B. eine Multispot-Laservorrichtung, und diese mehreren Laserstrahlen gleichzeitig oder zeitlich versetzt zur Erzeugung der Laserimpulse einzusetzen.
Mit jedem Laserimpulse wird ein kleines Areal oberflächlich aufgeschmolzen und geglättet. Zur Glättung eines größeren Nahtabschnitts werden vorzugsweise mehrere Laserimpulse räumlich so zueinander versetzt, dass die resultierenden Areale einander teilweise überlappen oder aneinander angrenzen. So können beliebige Abschnitte der Fügenaht geglättet werden oder es kann die gesamte Fügenahtoberfläche mit Laserimpulsen überzogen und die gesamte Lasernaht oberflächlich aufgeschmolzenen und geglättet werden. Mit dem Verfahren kann wahlweise die Oberfläche der Nahtoberraupe oder, soweit vorhanden, die Oberfläche der Nahtunterraupe geglättet werden oder sowohl die Oberfläche der Nahtober- wie auch der Nahtunterraupe.
Vorzugsweise erfolgt das Glätten der Fügenaht, nachdem zumindest die Oberfläche der Fügenaht erstarrt ist. Ab diesem Zeitpunkt ist die Oberflächenqualität der Naht optisch beurteilbar und es kann eine gezielte Glättung in den Bereichen der Naht vorgenommen werden, in denen die Nahtoberfläche den gestellten Anforderungen nicht genügt.
Das Glätten kann zeitlich weitgehend unabhängig vom Erzeugen der zu glättenden Fügenaht realisiert werden. So kann in einer Ausgestaltung das Glätten der Fügenaht erst erfolgen, nachdem die Fügenaht vollständig erstarrt ist.
Um die thermische Belastung der Bauteile gering zu halten, erfolgt nach jedem Laserpuls zum Glätten ein Pausenintervall, in dem der Laserstrahl ausgeschaltet ist.
Durch Umpositionierung oder Bewegung des oder der Laserstrahlen relativ zur Bauteiloberfläche kann vorzugsweise die gesamte Fügenaht geglättet werden. Ebenso ist es denkbar, nur einzelne Teilabschnitte der Fügenaht zu glätten. Einzelne Laserimpulse können auch ganz oder teilweise auf Bauteilabschnitte neben der Fügenaht gerichtet werde.
In einer Ausgestaltung bleibt der Laserstrahl während des abgegebenen Laseriimpulses relativ zu den Bauteilen unbewegt, so dass von Beginn bis Ende des Laserimpulses derselbe Bauteilbereich mit Laserstrahlung bestrahlt wird.
Die Strahlparameter zum Glätten können in Abhängigkeit der Rauigkeit der Naht gewählt und ggf. während des Glättens variiert werden.
Die Impulsdauer der Vielzahl von Laserimpulsen kann in einem Bereich von 0,1 ms (Millisekunden) bis 100 ms, in einem Bereich von 0,1 ms bis 50 ms, in einem Bereich von 0,1 ms bis 20 ms, in einem Bereich von 1 ms bis 20 ms oder in einem Bereich von 1 ms bis 10 ms liegen.
Die Impulsdauer kann für alle zum Glätten verwendeten Laserimpulse identisch sein. Es ist ebenso möglich, Laserimpulse mit unterschiedlicher Impulsdauer zu verwenden, z.B. um unterschiedliche Aufschmelztiefen im Nahtbereich zu erzeugen.
Die Leistungsdichte des zum Glätten verwendeten Laserstrahls liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 10⁴ Watt/cm² und 10¹⁰ Watt/cm². Die Leistungsdichte kann für alle Laserimpulse gleich groß gewählt werden oder sie kann für unterschiedliche Laserimpulse unterschiedlich groß gewählt werden, z.B. wenn aufgrund größerer Nahtunregelmäßigkeiten in einem Nahtabschnitt eine größere Leistungsdichte wünschenswert ist.
Der zum Glätten verwendete Laserstrahl kann vorzugsweise einen Strahldurchmesser oder eine Strahlbreite aufweist, die in einem Bereich von 40 µm bis 4 mm liegt. Die Form des Strahlquerschnitts kann beliebig gewählt werden, z.B. rund oder eckig.
In einer Ausgestaltung wird der Laserstrahl zum Glätten mit einer Repetitionsrate betrieben, die in einem Bereich zwischen 1 Hz und 10 kHz liegt. Die Repetitionsrate gibt dabei an, wie viele Laserimpulse pro Minute gegeben werden, wobei sich die Zeit zwischen zwei Laserimpulsen durch die Impulsdauer des Laserimpulses plus ein nachfolgendes Pausenintervall ergibt. Während des Pausenintervalls ist der Laserstrahl ausgeschaltet.
Bei den Bauteilen kann es sich z.B. um Metallbauteile und vorzugsweise um Blechformteile handeln, wobei es sich auch um ein Gußteil oder ein Profilteil handeln kann. Das Verfahren ist auch besonders geeignet, um Bauteile miteinander zu verschweißen, deren Dicke im Fügebereich in einem Bereich von 0,3 mm bis 3 mm liegt.
Das Verfahren eignet sich insbesondere für Karosseriebauteile. Stahlbauteile mit oder ohne Korrosionsschicht lassen sich ebenso mit dem Verfahren fügen wie Bauteile aus. Nichteisenmetallen, wie z.B. aus Aluminium oder Magnesium, wobei hierunter auch Aluminium- und Magnesiumlegierungen zu verstehen sind. Hierbei stellt sich das Verfahren als besonders geeignet für das Verschweißen von Stahl- oder Aluminiumbauteilen dar und in einer bevorzugten Ausgestaltung ist zumindest ein Bauteil ein Stahlbauteil oder ein Aluminiumbauteil und insbesondere ein Stahlblechbauteil oder Aluminiumblechbauteil.
Mit dem beschriebenen Verfahren lassen sich auch hybride Bauteilverbunde mit hoher optischer Oberflächengüte herstellen, wie z.B. Bauteilverbunde aus einem Stahl- und einem Aluminiumbauteil oder einem Stahl- und einem Magnesiumbauteil.
Die zu glättende Fügenaht kann als Schweißnaht oder Lötnaht ausgebildet sein. Besondere Vorteile erzielt das Verfahren, wenn die Fügenaht mittels eines Laserverfahrens, z.B. durch Laserstrahlschweißen oder Laserlöten ausgebildet ist, da der anschließende Glättprozess mit derselben Anlagentechnik realisierbar ist, mit der das Fügeverfahren durchgeführt wurde. Das Verfahren ist weder auf eine bestimmte Nahtform noch eine bestimmte Stoßgeometrie beschränkt. Die Ausbildung der Schweißnaht kann mit oder ohne Zusatzwerkstoff erfolgen. Das Ausbilden der Fügenaht kann mit oder ohne Schutzgas erfolgen.
Das Verfahren ist auch besonders geeignet um eine Lötnaht zu glätten, die unter Verwendung eines kupferhaltigen Lötwerkstoffs ausgebildet wird. Diese hochfesten Lötwerkstoffe sind in ihren Anwendungsfeldern bislang beschränkt, da sie zu Fügenähten mit rauer Oberfläche neigen. Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht nun den Einsatz von kupferhaltigen Lötwerkstoffen auch an Fügestellen, die im Sichtbereich eines Fahrzeugs liegen.
Vorteilhafter Weise kann mit dem beschriebenen Verfahren die Oberflächenbeschaffenheit der Fügenaht so geglättet werden, dass sie auch bei Aluminiumbauteilen oder kupferhaltigem Lotwerkstoff eine Beschaffenheit aufweist, die den Anforderungen im Sichtbereich für Karosseriebauteile genügt.
Weiterhin betrifft die Erfindung einen Bauteilverbund von wenigstens zwei Bauteilen, der mit dem voranstehend beschriebenen Verfahren ausgebildet wurde. Der Bauteilverbund erzielt dabei dieselben Vorteile und technischen Wirkungen wie sie zum Verfahren beschrieben wurden.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich anhand der Zeichnung und im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff „kann“ verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:

1 und 2 einen beispielhaften Bauteilverbund mit Schweißnaht,
3 ein mögliches Glätten der Unterraupe und
4 einen beispielhaften Bauteilverbund mit Lötnaht zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

1 zeigt einen Bauteilverbund 1 aus einem ersten Bauteil 2 und einem zweiten Bauteil 3 in Form je eines Aluminiumblechbauteils, die durch eine Schweißnaht 4 miteinander verbunden sind. Die Schweißnaht 4 wurde durch cw (continuous-wave)-Laserstrahlschweißen als I-Naht am Überlappstoß ausgebildet und verbindet die beiden Bauteile 2 und 3 stoffschlüssig.
Um die Nahtoberfläche der Schweißnaht 4 zu glätten, wird diese nun oberflächlich erneut aufgeschmolzen. Hierzu werden mittels eines Laserstrahls L eine Vielzahl von einzelnen kurzen Laserimpulsen auf die Nahtoberfläche gerichtet. Jeder Laserimpuls hat eine hohe Leistungsdichte, die ein Einkoppeln der Laserleistung in das Nahtmaterial trotz des stark reflektierenden Materials Aluminium ermöglicht. Mit jedem Laserimpuls wird ein Areal 10 bis 15 aufgeschmolzen. Die Aufschmelzung erfolgt in einem oberflächlichen Bereich, so dass vorhandene Nahtunregelmäßigkeiten, wie z.B. Aufwürfe oder Fehlstellen, entfernt werden.
Durch eine Relativbewegung zwischen Laserstrahl L und Bauteilen 2, 3 werden die Areale zueinander versetzt und ggf. teilweise überlappend angeordnet. Hierbei bleibt der Laserstrahl L aufgrund der Kürze der Impulsdauer während des Laserimpulses im Wesentlichen unbewegt zu den Bauteilen. Durch die Aneinanderreihung einer Vielzahl von Arealen 10 bis 15 kann - sofern erforderlich - der komplette Nahtverlauf oder nur einzelne Abschnitte der Naht geglättet werden. Die Areale können in der Art einer Perlenschnur aufgereiht werden. Zusätzlich können auch zwei oder mehr Areale nebeneinander, d.h. quer zur Nahtrichtung angeordnet werden, um z.B. die Naht in ihrer kompletten Breite zu glätten. Der Laserstrahl L, der zum Glätten der Naht verwendet wird, kann vorzugsweise von einer Remote-Schweißvorrichtung 5 bereitgestellt werden. Diese kann z.B. bereits zum Erzeugen der Schweißnaht 4 verwendet worden sein.
2 zeigt die Bauteilverbindung aus 1 zur Verdeutlichung einer alternativen Verfahrensführung. Sofern gleiche Bezugszeichen verwendet sind, gilt das zu 1 beschriebene entsprechend. Zur Glättung der Laserschweißnaht 4 werden im Gegensatz zu 1 mehrere Laserstrahlen, hier beispielhaft vier Laserstrahlen L1 bis L4, eingesetzt, die z.B. von einer Multi-Spot-Schweißvorrichtung 6 bereitgestellt werden. Die Laserstrahlen L1 bis L4 werden gepulst betrieben, wobei durch jeden Laserimpuls jeweils ein Areal aufgeschmolzen und oberflächlich geglättet wird. Die vier Laserstrahlen können gleichzeitig oder zeitlich versetzt betrieben werden. Die Glättung von Teilabschnitten der Lasernaht 4 oder der gesamten Lasernaht 4 ist auch bei dieser Verfahrensführung möglich, indem eine Vielzahl von Laserimpulsen abgegeben werden und die Laserstrahlen L1 bis L4 relativ zu den Bauteilen bewegt werden, so dass eine Vielzahl von Arealen 20 bis 31 aufgeschmolzen werden, die aneinander gereiht werden bzw. teilweise überlappend ausgebildet werden. Vorzugsweise bleiben die Laserstrahlen während des jeweiligen Laserimpulses im Wesentlichen unbewegt zu den Bauteilen 2, 3.
Während in den 1 und 2 jeweils das Glätten der Oberraupe der Lasernaht 4 gezeigt ist, kann das Verfahren ebenso verwendet werden, um die Unterraupe zu glätten, wie dies schematisch in 3 dargestellt ist. Auch ist ein beidseitiges Glätten der Naht möglich.
Das Verfahren kann ebenso verwendet werden, um eine Lötverbindung zu glätten. 4 zeigt beispielhaft einen Bauteilverbund 1A zwei Bauteile in Form von Stahlblechen 7 und 8, die durch eine Lötverbindung 9 stoffschlüssig verbunden sind. Das Glätten erfolgt wiederum durch eine Vielzahl von Laserimpulsen, die jeweils ein Areal 40 bis 51 aufschmelzen und glätten. Auch zum Glätten einer Lötnaht kann, wie gezeigt, ein einziger Laserstrahl L verwendet werden oder es können mehrere Laserstrahlen, wie in Figur 2 für das Glätten der Schweißnaht 4 gezeigt, verwendet werden.
Das Verfahren ist nicht auf die dargestellten Stoßformen und Nahtarten beschränkt.
Die Ausführungsbeispiele sind nicht maßstabsgetreu und nicht beschränkend. Abwandlungen im Rahmen des fachmännischen Handelns sind möglich.
Bezugszeichenliste

1: Bauteilverbund
2, 3: Bauteil
4: Schweißnaht
5: Remote-Schweißvorrichtung
6: Multi-Spot-Schweißvorrichtung
7, 8: Bauteil
9: Lötnaht
10 - 15: Areale
20 - 31: Areale
40 -51: Areale
L, L1 - L4: Laserstrahl

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009057997 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum thermischen Fügen eines Bauteilverbundes von wenigstens zwei Bauteilen mit den Schritten: - Erzeugen einer Fügenaht (4), welche die wenigstens zwei Bauteile (2, 3) stoffschlüssig miteinander verbindet, durch Schweißen oder Löten und -Glätten zumindest eines Teilbereichs der Oberfläche der Fügenaht (4), dadurch gekennzeichnet, dass das Glätten mittels einer Vielzahl von Laserimpulsen erfolgt, wobei zur Erzeugung der Vielzahl von Laserimpulsen wenigstens ein Laserstrahl (L) mehrfach ein- und wieder ausgeschaltet wird und durch jeden Laserimpuls ein örtlich begrenztes Areal (10 - 15) der Fügenaht (4) im Bereich der Oberfläche aufgeschmolzen wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1, wobei das Glätten der Fügenaht (4) erfolgt, nachdem zumindest die Oberfläche der Fügenaht erstarrt ist.
Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei das Glätten der Fügenaht (4) erfolgt, nachdem die Fügenaht vollständig erstarrt ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem nach jedem Laserimpuls zum Glätten ein Pausenintervall folgt, in dem der wenigstens eine Laserstrahl (L) ausgeschaltet ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem der Laserstrahl (L) während des Laserpulses zum Glätten relativ zu den Bauteilen unbewegt bleibt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem die Impulsdauern der mehreren Laserimpulse zwischen - 0,1 ms bis 100 ms oder - 0,1 ms bis 50 ms oder - 0,1 ms bis 20 ms oder - 1 ms bis 20 ms oder - 1 ms bis 10 ms liegen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem die Leistungsdichte des Laserstrahls (L) für das Glätten im Bereich zwischen 10⁴ Watt/cm² und 10¹⁰ Watt/cm² liegt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem der Laserstrahl (L) für das Glätten einen Strahldurchmesser oder eine Strahlbreite aufweist, die im Bereich von 40 µm bis 4 mm liegt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem mit einer Repetitionsrate in einem Bereich zwischen 1 Hz und 10 kHz geglättet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem die Bauteile (2, 3) Aluminiumbauteile und insbesondere Aluminiumblechbauteile sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem die zu glättende Fügenaht eine Laserschweißnaht oder eine Laserlötnaht ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem die zu glättende Fügenaht eine Lötnaht (9) ist, die unter Verwendung eines kupferhaltigen Lötwerkstoffs ausgebildet wird.
Bauteilverbund aus wenigstens zwei Bauteilen (2, 3), der durch ein Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche ausgebildet ist.