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GEBIET
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen und Verfahren zum Bearbeiten metallischer Objekte. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Vorrichtung und Verfahren zum Bearbeiten metallischer Werkstücke zur Erzeugung metallischer Dichtungen.
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HINTERGRUND
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Aus dem Stand der Technik sind metallische Dichtungen unterschiedlichsten Aufbaus bekannt.
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So ist bspw. aus der
DE 10 2005 041 826 A1 eine metallische Flachdichtung zur Abdichtung von Verbindungen zwischen fluidführenden Leitungen bekannt. Die Dichtung weist eine Trägerlage, eine Funktionslage (die auf der Trägerlage angebracht ist) und eine Sicke auf, welche um eine innere Durchgangsöffnung herum verläuft. Die Trägerlage und die Funktionslage bestehen aus verschiedenen Materialien, und die Trägerlage ragt von der Durchgangsöffnung nach außen über die Funktionslage hinaus.
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Aus der
DE 20 2008 014927 U1 ist eine metallische Flachdichtung mit einer Dichtungslage bekannt. In die Dichtungslage ist ein elastisch verformbares Dichtelement eingeformt, wobei der das Dichtelement aufweisende Bereich der Dichtungslage aus einem hochlegierten Chrom-Nickel-Stahl mit einem Chromgehalt von mindestens 18,5 Gew.-% besteht.
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Aus der
EP 1 998 086 A1 ist eine metallische Flachdichtung mit einer Dichtungslage bekannt, in der ein elastisch verformbares Abdichtelement in Form einer wellenförmigen Profilierung ausgebildet ist. Dabei sind auf jeder der Oberflächen der Dichtungslage wenigstens zwei Wellenberge und zwei Wellentäler vorhanden, wobei die Dicke der Dichtungslage im Bereich des Abdichtelements im unbelasteten Zustand größer ist, als die originäre Dicke der Dichtungslage
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die Erfindung bereichert den Stand der Technik dadurch, dass erfindungsgemäße Verfahren und Vorrichtungen es ermöglichen, Funktionsflächen durch Laserstrahlabtragen hochgenau zu strukturieren. Bei der Verwendung erfindungsgemäßer Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von Dichtungen können dadurch ineinandergreifende Dichtflächen erzeugt werden, die den Leckageweg (d. h. die Wegstrecke entlang derer sich der Leckmassenstrom ausbreitet) substantiell verlängern. Bspw. können in den Funktionsflächen der Dichtelemente parallel oder orthogonal angeordnete Mikrorillen aufweisen, die im rechten Winkel zur Leckstromrichtung verlaufen, oder ineinandergreifende Labyrinth-Strukturen oder bionische, (d. h. an natürliche Vorbilder angelehnte) Strukturen erzeugt werden, die den Strömungswiderstand erhöhen.
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Zudem ermöglichen es die in der Beschreibung gezeigten Verfahren und Vorrichtungen, den Grundkörper und die Funktionsflächen eines Werkstücks (insbesondere einer Dichtung) aus denselben Materialien (mit lokal unterschiedlichen Materialkonzentrationen) aufzubauen. Bspw. kann eine Mischung aus Metall- und Keramikpulver verwendet werden, aus der in einem ersten Schritt mittels Laserauftragsschweißen ein Rohling mit elastischen Funktionsflächen hergestellt wird. Das Laserauftragsschweißen kann dabei so gesteuert werden, dass gradierte Materialeigenschaften erzielt werden. Bspw. können durch lokale Variation des Verhältnisses von Keramik zu Metall die Materialeigenschaften räumlich variiert und dadurch unterschiedliche Elastizitäten des Grundkörpers (Dichtungskerns) und der Funktionsflächen (Dichtflächen) eingestellt werden.
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Die zur Erzeugung und Strukturierung eingesetzten Prozesse können zudem durch einen geeigneten Sensor zur Erfassung der Oberflächenstruktur unterstützt werden, womit eine aktive Fertigungssteuerung ermöglicht wird und sonst aufeinanderfolge Schritte des Fertigens und Kontrollierens gleichzeitig erfolgen können. Dies erhöht die Fertigungsgeschwindigkeit und reduziert die Herstellungskosten.
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Ein Beispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bearbeitung einer metallischen Dichtung ist ein Verfahren, welches ein Erfassen einer Struktur einer Oberfläche der metallischen Dichtung und ein Strukturieren der Oberfläche der metallischen Dichtung mittels Laserstrahlabtragen unter Berücksichtigung der erfassten Oberflächenstruktur umfasst.
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Dabei ist unter dem Begriff „metallische Dichtung“, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere ein erstes Dichtelement zu verstehen, welches aus einem Material besteht, das ein Metall (bspw. Eisen) aufweist, und eine erste Funktionsfläche aufweist, die eingerichtet und vorgesehen ist, bei Verwendung der Dichtung auf eine zweite Funktionsfläche eines zweiten Dichtelements gedrückt zu werden. Ferner ist unter dem Begriff „Strukturieren“, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere ein planmäßiges Verändern der Oberfläche zur Erzeugung einer vorgegebenen Oberflächentopographie zu verstehen.
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Zudem ist unter dem Begriff „Erfassen einer Struktur einer Oberfläche“, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere ein während des Strukturierens erfolgendes Überwachen der Oberflächentopographie zu verstehen, welche sich durch das Strukturieren fortlaufend ändert. Des Weiteren ist unter dem Begriff „Laserstrahlabtragen“, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere das lokale Verdampfen von Material an der Oberfläche eines Werkstücks (bspw. an der Oberfläche der metallischen Dichtung) zu verstehen. Dabei können z. B. ultrakurzgepulste Strahlungsquellen eingesetzt werden, die eingerichtet sind, elektromagnetische Strahlungspulse mit Pulslängen im Nano-, Piko- bzw. Femtosekundenbereich zu erzeugen.
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Vorzugsweise basiert das Erfassen der Struktur der Oberfläche des Werkstücks (bspw. einer metallischen Dichtung) auf einem beim Laserstrahlabtragen an der Oberfläche des Werkstücks reflektierten Laserstrahl.
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Bspw. kann die Struktur der Oberfläche des Werkstücks mittels optischer Kohärenztomografie fortlaufend erfasst und das Laserstrahlabtragen auf Basis der erfassten Struktur gesteuert werden. Dies ermöglicht eine Reduktion von auf Grund von Fehllokalisationen, Materialinhomogenitäten oder optisch bedingten Abweichungen (z.B. Fokusshift) auftretenden Bearbeitungsdefekten und erlaubt somit die Erzeugung von ineinandergreifenden Strukturen im Mikrometer- bzw. Mikrometer- und Submikrometerbereich (bezogen auf die Barrierendicke in Richtung des Leckmassenstroms). Dadurch kann der Strömungsweg verlängert und eine maßgebliche Erhöhung des Strömungswiderstands erzielt werden.
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Das Verlängern des Strömungswegs zur Erhöhung des Strömungswiderstands kann bspw. darauf abzielen, dass Betriebsdrücke in (Rohr-) Leitungen, die mittels Dichtungen verbunden sind, welche durch erfindungsgemäße Verfahren und/oder Vorrichtungen hergestellt wurden, erhöht werden können. Bspw. können gemäß den erfindungsgemäßen Verfahren und/oder Vorrichtungen hergestellte Dichtungen in Gas- und Dampfkraftwerken zum Einsatz kommen und eine Erhöhung der Temperatur und des Betriebsdrucks und damit der Effizienz bzw. des Wirkungsgrads ermöglichen.
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Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner ein Erzeugen der Struktur der Oberfläche des Werkstücks (bspw. einer metallischen Dichtung) mittels Laserauftragsschweißen.
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Bspw. kann der Rohling beim Laserauftragsschweißen aus aufeinanderfolgenden (bzw. nacheinander aufgetragenen) Metall-KeramikSchichten erzeugt werden, wobei die aufeinanderfolgenden Metall-KeramikSchichten unterschiedliche prozentuale Anteile an Metall und/oder Keramik aufweisen. Dadurch kann bspw. eine Oberfläche des Rohlings (aus der bspw. eine Funktionsfläche erzeugt wird) mit einer höheren Elastizität versehen werden, als der Kern des Rohlings.
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Vorzugsweise basiert das Erfassen der Struktur der Oberfläche des Werkstücks (bspw. einer metallischen Dichtung) auf einem beim Laserauftragsschweißen an der Oberfläche des Werkstücks reflektierten Laserstrahl.
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Bspw. kann die Struktur der Oberfläche des Werkstücks mittels des reflektierten Laserstrahls fortlaufend erfasst und das Laserauftragsschweißen auf Basis der erfassten Struktur gesteuert werden. Dadurch kann bspw. erreicht werden, dass die Oberfläche des Rohlings eine Topographie aufweist, die die weitere Bearbeitung der Oberfläche mittels Laserstrahlabtragen (bspw. zur Erzeugung einer metallischen Dichtung) vereinfacht.
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Vorzugsweise erfolgt das Erfassen der Struktur der Oberfläche des Werkstücks (bspw. einer metallischen Dichtung) mittels optischer Kohärenztomographie.
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Vorzugsweise wird durch das Verfahren eine metallische Dichtung mit zwei, eine formschlüssige Dichtpaarung ergebende Bauteilen erzeugt und umfasst das Strukturieren der Oberfläche der metallischen Dichtung ein Erzeugen einer positiven Oberflächentopographie des ersten Bauteils und einer auf die positive Oberflächentopographie abgestimmten negativen Oberflächentopographie des zweiten Bauteils.
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Vorzugsweise sind die positive/negative Oberflächentopographie so aufeinander abgestimmt, dass bei Verwendung der metallischen Dichtung die Erhebungen auf der Oberfläche des ersten Bauteils in die Vertiefungen in der Oberfläche des zweiten Bauteils eingreifen und umgekehrt.
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Vorzugsweise weist die Oberflächentopographie des ersten Bauteils Barrieren auf, die orthogonal zu einem Leckstromweg verlaufen oder zur Erhöhung des Leckstromweges eine Vielzahl an Windungen aufweisen.
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Die Barrieren können bspw. durch die ineinandergreifenden Erhebungen und Vertiefungen auf/in den Oberflächen der Bauteile gebildet werden.
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Vorzugsweise sind die Barrieren elastisch und eingerichtet, formschlüssig in Vertiefungen des zweiten Bauteils einzugreifen.
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Durch die Elastizität der Barrieren können bspw. unvermeidliche Herstellungstoleranzen ausgeglichen werden.
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Vorzugsweise besteht die metallische Dichtung aus einem Metall-Keramik-Verbundsystem, wobei eine Elastizität der metallischen Dichtung vorzugsweise im Wesentlichen aus einem lokal unterschiedlichen Mischungsverhältnis zwischen dem Metall und der Keramik resultiert.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bearbeitung eines metallischen Werkstücks, weist eine Laserstrahlquelle und einen Sensor auf, wobei der Sensor zum Erfassen einer Struktur einer Oberfläche des Werkstücks auf Basis eines an der Oberfläche des Werkstücks reflektierten Laserstrahls der Laserstrahlquelle eingerichtet ist und die Laserstrahlquelle zum Strukturieren einer Oberfläche des metallischen Werkstücks mittels Laserstrahlabtragen unter Berücksichtigung der erfassten Oberflächenstruktur eingerichtet ist.
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Dabei versteht es sich, dass alle Merkmale (bevorzugter Ausführungsformen) des erfindungsgemäßen Verfahrens auch Merkmale (bevorzugter Ausführungsformen) der erfindungsgemäßen Vorrichtung sein können, welche sich auf die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bezieht, und umgekehrt.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird nachfolgend in der detaillierten Beschreibung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, wobei auf Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen:
- 1 schematisch die Herstellung eines Rohlings mit gradierten Materialeigenschaften mittels Laserauftragsschweißen;
- 2 schematisch das Strukturieren der Oberfläche eines Werkstücks mittels Laserstrahlabtragen; und
- 3 ein Anlaufdiagramm eines Verfahrens zur Bearbeitung einer metallischen Dichtung umfasst, zeigt.
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Dabei sind in den Zeichnungen gleiche und funktional ähnliche Elemente durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet. Jedoch versteht es sich, dass nicht notwendigerweise alle Elemente in allen Zeichnungen gezeigt sind und dass die gezeigten Elemente nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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1 illustriert schematisch die Herstellung eines Rohlings 10 mit gradierten Materialeigenschaften mittels einer Vorrichtung 12, die zum Laserauftragsschweißen eingerichtet ist. Wie in 1 dargestellt, besteht der Rohling 10 aus einer Folge von übereinanderliegenden Materialschichten 10a, 10b, 10c. Die Erzeugung der Materialschichten 10a, 10b, 10c basiert auf dem Auftragen einer Pulverlage und dem Erhitzen der Pulverlage mittels eines durch die Vorrichtung 12 erzeugten Laserstrahls 14 und soll im Folgenden in Bezug auf die Materiallage 10c beispielhaft erläutert werden.
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Nach dem Auftragen der Pulverlage auf die Materialschicht 10b wird die Pulverlage mittels des Laserstrahls 14 erhitzt, wodurch das aufgetragene Pulver schmilzt und das geschmolzene Material mit dem aufgeschmolzenen Oberflächenmaterial der darunterliegenden Materialschicht 10b eine stoffschlüssige Verbindung eingeht. Nach dem Erkalten der geschmolzenen Pulverlage weist der Rohling 10 somit eine weitere Materialschicht 10c auf, auf die weitere Materiallagen aufgetragen werden können.
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Dabei können durch eine Veränderung der Pulvermischung zwischen den Lagen Materialeigenschaften erzielt werden, die sich von Materiallage zu Materiallage unterscheiden. Bspw. können die Materialschichten 10a, 10b, 10c aus Metall-Keramik-Pulverlagen (gebildet aus einer Mischung aus Metallpulver und Keramikpulver) erzeugt werden, welche sich voneinander bezüglich ihres (prozentualen) Metallanteils unterscheiden. Dadurch können unterschiedlich elastische Materialschichten 10a, 10b, 10c erzielt werden. Bspw. kann die Elastizität der Materialschichten 10a, 10b, 10c von Lage zu Lage ab- oder zunehmen und insbesondere eine relativ elastische Oberfläche auf einem relativ steifen Kern erzeugt werden.
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Zur gezielten Strukturierung der Oberfläche des Rohlings 10 während des Laserauftragsschweißens kann die Vorrichtung 12 eingereicht sein, die Struktur der Oberfläche des Rohlings 10 mittels eines optischen Sensors (bspw. auf Basis optischer Kohärenztomographie) in Intervallen oder fortlaufend zu erfassen. Bspw. kann neben dem Laserstrahl 14 zum Aufschmelzen des aufgetragenen Pulvers ein Laserstrahl 16 erzeugt werden, der an der Oberfläche des Rohlings 10 reflektiert wird. Alternativ kann der Laserstrahl 14 sowohl zum Aufschmelzen der Pulverlage als auch zum Erfassen der Struktur der Oberfläche mittels optischer Kohärenztomographie verwendet werden. Auf Basis der erfassten Oberfläche bzw. der optischen Kohärenztomographie kann dann in Oberflächenbereichen, in denen Bedarf an zusätzlichem Materialauftrag besteht, zusätzliches Material aufgetragen werden.
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2 illustriert schematisch das Strukturieren der Oberfläche eines Werkstücks 18 (welches wie in 2 angedeutet, dem fertigen Rohling 10 entsprechen kann) mittels einer Vorrichtung 20, die zum Laserstrahlabtragen eingerichtet ist. Dabei ist zu beachten, dass die Vorrichtung 20 zum Laserstrahlabtragen sich von der Vorrichtung 12 zum Laserauftragsschweißen hinsichtlich Aufbau und Verwendungsortort unterscheiden kann, aber ebenso beide Vorrichtungen 12, 20 eine Einheit bilden können. Bspw. können beide Vorrichtungen 12, 20 in einem gemeinsamen Gehäuse oder in derselben Werkzeugmaschine angeordnet sein und zudem Bauteile oder Baugruppen umfassen, die sowohl beim Laserauftragsschweißen als auch beim Laserstrahlabtragen eingesetzt werden (z. B. den optischen Sensor zur Erfassung der Struktur der Oberfläche).
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Bspw. kann die Vorrichtung 20 zur gezielten Strukturierung der Oberfläche des Werkstücks 18 während des Laserstrahlabtragens eingerichtet sein, die Struktur der Oberfläche des Werkstücks 18 in Intervallen oder fortlaufend mittels optischer Kohärenztomographie zu erfassen. Die Baugruppe, welche das Erfassen der Struktur der Oberfläche des Werkstücks 18 beim Laserstrahlabtragen ermöglicht, kann dabei mit der Baugruppe identisch sein, die beim Laserauftragsschweißen das Erfassen der Struktur der Oberfläche des Rohlings 10 ermöglicht. Das Erfassen der Oberfläche des Werkstücks 18 kann z. B. dadurch erfolgen, dass der Laserstrahl 16 auf die Oberfläche des Werkstücks 18 gerichtet und dort reflektiert wird. Auf Basis der erfassten Oberfläche bzw. der optischen Kohärenztomographie kann dann in Oberflächenbereichen, von denen Material abzutragen ist, Material mittels Verdampfen abgetragen werden.
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Wie in 2 gezeigt, kann die Vorrichtung 20 mit einer Baugruppe versehen sein, die eingerichtet ist, gepulste elektromagnetische Strahlung 22 wie bspw. elektromagnetische Strahlungspulse mit Pulslängen im Nano-, Piko- bzw. Femtosekundenbereich zu erzeugen. Die gepulste elektromagnetische Strahlung 22 kann dabei insbesondere auf die erfassten Oberflächenbereiche gerichtet werden, deren Oberflächentopographie von einer gewünschten Oberflächentopographie abweicht. Analog zu dem in Zusammenhang mit 1 Beschriebenen, kann das Bearbeiten und Erfassen von Oberflächen bei der Vorrichtung 20 der 2 ebenfalls mittels einer einzigen Lasereinrichtung erfolgen, deren Laserstrahl sowohl dem Erwärmen von Material als auch der optischen Kohärenztomographie dient. Dies ermöglicht eine zerstörungsfreie, prozessbegleitende Bestimmung der Einschweißtiefe.
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Die Vorrichtung 20 kann ferner mit einer Recheneinheit versehen sein, die einen Speicher aufweist, in dem Daten hinsichtlich der gewünschten Oberflächentopographie gespeichert sind. Die Recheneinheit kann zudem dazu eingerichtet sein, Daten, welche die erfassten Oberflächenbereiche beschreiben, mit Daten hinsichtlich der gewünschten Oberflächentopographie zu vergleichen und zu veranlassen, dass von Oberflächenbereichen, die im Vergleich zur gewünschten Oberflächentopographie einen Materialüberschuss aufweisen, Material abgetragen wird. Nach dem Abtragen des Materialüberschusses bzw. während des Abtragens des Materialüberschusses kann der bearbeitete Oberflächenbereich erneut/fortlaufend erfasst werden, um zu überprüfen, ob bereits genug überschüssiges Material abgetragen wurde bzw. wie viel Material noch abzutragen ist. Wenn die Überprüfung zu dem Ergebnis kommt, dass noch nicht genug überschüssiges Material abgetragen wurde, kann die Recheneinheit ein Abtragen des verbliebenen Materialüberschusses veranlassen.
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3 zeigt dazu beispielhaft ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Bearbeitung eines Werkstücks 18, welches zur Verwendung als metallische Dichtung vorgesehen ist. Wie in 3 gezeigt, wird in Schritt 24 die aktuelle Struktur der Oberfläche der metallischen Dichtung erfasst. Diese kann dann mit einer gewünschten Oberflächentopographie verglichen werden. Basierend auf dem Vergleich können dann Oberflächenbereiche ermittelt werden, die zu bearbeiten sind. Die zu bearbeitenden Oberflächenbereiche können in Schritt 26 gemäß der gewünschten Oberflächentopographie strukturiert werden, indem von den zu bearbeitenden Oberflächenbereichen Material überschüssiges abgenommen wird.
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Das Erfassen und Bearbeiten der Oberfläche kann ferner solange fortgeführt werden, bis die Oberflächenstruktur (innerhalb bestimmter Toleranzen) der gewünschten Oberflächentopographie entspricht.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Rohling
- 10a
- Materialschicht
- 10b
- Materialschicht
- 10c
- Materialschicht
- 12
- Vorrichtung
- 14
- Laserstrahl
- 16
- Laserstrahl
- 18
- Werkstück
- 20
- Vorrichtung
- 22
- gepulste elektromagnetische Strahlung
- 24
- Prozessschritt
- 26
- Prozessschritt
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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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- DE 102005041826 A1 [0003, 0006]
- DE 202008014927 U1 [0004, 0006]
- EP 1998086 A1 [0005]
- DE 1953038 U [0006]
- US 20060191603 A1 [0006]