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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kraftsensor und ein Verfahren zu dessen Herstellung und insbesondere auf eine additive Herstellung von Kraftsensoren mit im Fertigungsprozess einstellbaren Sensorparametern.
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HINTERGRUND
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In zahlreichen neuen Technologiefeldern (u.a. Leichtbau, Medizintechnik) ist es wünschenswert, Kraftsensoren direkt in die zu belastende Struktur zu integrieren, um während eines Betriebes fortlaufend die wirkende Kraft oder eine Verdrehung messen zu können. Bei konventionell-integrierten Kraftsensoren wird häufig eine spanende Fertigung eines Verformungskörpers angewendet. Diese ist aufwendig und erlaubt nur eine geringe Anpassbarkeit. Das ist bei der additiven Fertigung jedoch nicht der Fall. Daher kommen heutzutage auch additive Fertigungsverfahren zum Einsatz, die eine Realisierung von komplexen Geometrievarianten bei einer sehr hohen Zuverlässigkeit und einem deutlichen Schutz vor Umwelteinflüssen erlauben.
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Das selektive Laserschmelzen (engl.: selective laser melting, kurz: SLM) ist ein additives Fertigungsverfahren, welches für strukturintegrierte Kraftsensoren zum Einsatz kommen kann. Allerdings führt das Laserschmelzen zu einer hohen Temperaturbelastung, die Sensoren häufig nicht tolerieren. Abhilfe schafft hierbei beispielsweise eine Vorabfertigung der einzelnen Komponenten, die dann anschließend zusammengesetzt werden. Diese Vorgehensweise ist in der
WO 2019/211779 A1 offenbart. Ein Nachteil dabei ist aber wiederrum der erhöhte Aufwand durch die Fertigung der Einzelkomponenten.
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Daher besteht ein Bedarf nach weiteren Herstellungsverfahren, die eine breitere Anwendung von additiven Fertigungsverfahren erlauben, gleichzeitig jedoch die die Integration von Sensoren bei geringen Aufwand ermöglichen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Zumindest ein Teil der obengenannten Probleme wird durch ein Verfahren zum Integrieren eines Sensorelementes, insbesondere eines Kraftsensors, nach Anspruch 1 und eine additiv-gefertigte Komponente nach Anspruch 6 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere vorteilhafte Ausführungsformen für die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Integration eines Sensorelementes, insbesondere eines Kraftsensors, bei der additiven Fertigung. Das Verfahren umfasst:
- - Bereitstellen eines additiv-gefertigten ersten Bauteils mit einem ersten Hohlraumbereich, der seitlich von Wandbereichen des ersten Bauteils begrenzt wird;
- - Platzieren einer Sensorbrücke mit dem Sensorelement (insbesondere Kraftsensor) auf den seitlichen Wandbereichen, sodass die Sensorbrücke den ersten Hohlraumbereich überbrückt;
- - Additives Fertigen eines zweiten Bauteils auf den ersten Bauteil und der Sensorbrücke unter einem zumindest teilweisen Verschmelzen des ersten Bauteils mit dem zweiten Bauteil, sodass ein Teil der Sensorbrücke zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil fixiert ist.
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Das additive Fertigen des zweiten Bauteils kann ein Ausbilden eines zweiten Hohlraumbereiches als Vertiefung in dem zweiten Bauteil umfassen, sodass der erste Hohlraumbereich und der zweite Hohlraumbereich auf gegenüberliegenden Seiten der Sensorbrücke ausgebildet werden. Die Sensorbrücke kann beim additiven Fertigen fest mit dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil verbunden werden, um eine Krafteinwirkung erfassen zu können.
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Optional umfasst der Schritt des Additiven Fertigens oder des Bereitstellens ein Einstellen einer gewünschten Sensitivität des Kraftsensors durch ein Ausbilden einer vorbestimmten Materialstärke in zumindest einer Richtung (z.B. Dicke, Länge, Dimension) des ersten Bauteils oder des zweiten Bauteils. Die zu messende Kraft kann eine Biegekraft, Torsionskraft, Zugkraft, Stauchung etc. sein.
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Optional umfasst der Schritt des Additiven Fertigens oder des Bereitstellens ein Anwenden eines Selektiven Laserschmelzen unter Verwendung eines Pulvermaterials. Das erste Bauteil und/oder das zweite Bauteil kann eine Öffnung aufweisen, um das Pulvermaterial nach dem Additiven Fertigen des zweiten Bauteils zu entfernen.
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Optional umfasst die Sensorbrücke eine Platte (z.B. ein Sensorträger), auf die direkt der Kraftsensor befestigt ist. Die Platte kann in einem Randbereich Haltestrukturen umfassen. Der Schritt des Additiven Fertigens oder des Bereitstellens kann dann ein Ausbilden einer formschlüssigen oder kraftschlüssigen Verbindung zwischen der Platte und dem ersten oder dem zweiten Bauteil durch ein Eingreifen von additivem Material in die Haltestrukturen umfassen. Die Haltestruktur kann zumindest eines aus dem Folgenden umfassen: Unebenheiten, eine oder mehrere Öffnungen, Auskerbungen, Verzahnung etc.
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Optional wird der Schritt des additiven Fertigens des zweiten Bauteils derart ausgeführt, dass eine Temperatureinwirkung auf den Kraftsensor begrenzt wird. Hierzu kann zumindest eine der folgenden Maßnahmen ergriffen werden:
- - das additive Fertigen wird mit einer Geschwindigkeit in Abhängigkeit der Temperatureinwirkung ausgeführt (d.h. entsprechend langsam oder mit vorbestimmten Pausenzeiten zwischen den Schichten),
- - der zweite Hohlraumbereich wird entsprechend groß gewählt,
- - eine Dämmmaterial wird verwendet.
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Ausführungsbeispiele beziehen sich auch auf eine additiv-gefertigte Komponente mit integriertem Kraftsensor. Die Komponente umfasst ein additiv-gefertigtes erstes Bauteil mit einem ersten Hohlraumbereich, der seitlich von Wandbereichen des ersten Bauteils begrenzt wird, und eine Sensorbrücke mit dem Kraftsensor. Die Sensorbrücke ist auf den seitlichen Wandbereichen fixiert und überbrückt den ersten Hohlraumbereich. Die Komponente umfasst weiter ein additiv gefertigtes zweites Bauteil, das auf den ersten Bauteil und teilweise auf der Sensorbrücke angeordnet und zumindest teilweise mit dem ersten Bauteil verschmolzen ist, um den Teil der Sensorbrücke zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil zu fixieren (z.B. in allen Raumrichtungen). Das zweite Bauteil bildet einen zweiten Hohlraumbereich als Vertiefung, wobei der erste Hohlraumbereich und der zweite Hohlraumbereich auf gegenüberliegenden Seiten der Sensorbrücke ausgebildet sind.
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Ausführungsbeispiele beziehen sich auch auf eine Aktuator-Komponente zum Ausüben einer Kraft oder eines Drehmomentes mit einer additiv-gefertigten Komponente, wie sie zuvor beschrieben wurde.
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Ausführungsbeispiele lösen zumindest ein Teil der obengenannten Probleme dadurch, dass der Kraftsensor als eine Brücke über einen Hohlraumbereich zwischen zwei Bauteilen ausgebildet ist, wobei (nur) die Bauteile additiv gefertigt und mit der Brücke fest verbunden sind. Die einwirkende Kraft wirkt somit direkt auf die Brücke und kann somit durch zumindest ein Sensorelement gemessen werden. Über eine entsprechende Anpassung der geometrischen Abmaße der Bauteile kann die Sensitivität des Kraftsensors direkt im Fertigungsprozess eingestellt und an die konkreten Gegebenheiten angepasst werden.
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Ausführungsbeispiele bieten viele Vorteile. So ist eine kostengünstige Fertigung möglich, wobei gleichzeitig individualisierte Kraftsensoren integriert werden können. Im Gegensatz zu konventionellen Kraftsensoren ist eine Miniaturisierung mit keinem erhöhtem Kostenaufwand verbunden. Bei der additiven Fertigung kommt insbesondere das selektive Laserschmelzverfahren zum Einsatz, welches eine Vielzahl von Sensorgeometrien erlaubt und eine hohe Stabilität liefert. Auch die Gehäusegeometrie kann flexibel angepasst werden. Insbesondere kann aber über eine entsprechend gewählte Schichtdicke des oberen oder unteren Bauteiles (je nachdem welches sich stärker verformen soll) direkt die Sensorsensitivität eingestellt werden.
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Figurenliste
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Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, die jedoch nicht so verstanden werden sollten, dass sie die Offenbarung auf die spezifischen Ausführungsformen einschränken, sondern lediglich der Erklärung und dem Verständnis dienen.
- 1 zeigt ein schematisches Flussdiagramm für ein Verfahren zum Integrieren eines Kraftsensors in eine additiv-gefertigte Komponente gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt die additiv-gefertigte Komponente gemäß Ausführungsbeispielen.
- 3 zeigt weitere Details bei der additiven Fertigung gemäß Ausführungsbeispielen.
- 4 veranschaulicht die additive Fertigung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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1 zeigt ein schematisches Flussdiagramm für ein Verfahren zum Integrieren eines Kraftsensors in eine additiv-gefertigte Komponente gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren umfasst:
- - Bereitstellen S10 eines additiv-gefertigten ersten Bauteils mit einem ersten Hohlraumbereich, der seitlich von Wandbereichen des ersten Bauteils begrenzt wird;
- - Platzieren S15 einer Sensorbrücke mit einem Kraftsensor auf den seitlichen Wandbereichen, sodass die Sensorbrücke den ersten Hohlraumbereich überbrückt;
- - Additives Fertigen S20 eines zweiten Bauteils auf dem ersten Bauteil und der Sensorbrücke unter einem zumindest teilweisen Verschmelzen des ersten Bauteils mit dem zweiten Bauteil.
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Gemäß Ausführungsbeispielen wird ein Teil der Sensorbrücke zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil fixiert. Das additive Fertigen S20 des zweiten Bauteils 20 umfasst ein Ausbilden eines zweiten Hohlraumbereiches als Vertiefung in dem zweiten Bauteil, sodass der erste Hohlraumbereich und der zweite Hohlraumbereich auf gegenüberliegenden Seiten der Sensorbrücke ausgebildet werden.
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2 zeigt die additiv-gefertigte Komponente gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Komponente umfasst das additiv gefertigte erste Bauteil 10 mit einem ersten Hohlraumbereich 110, der seitlich von Wandbereichen 115 begrenzt wird. Außerdem umfasst die Komponente die Sensorbrücke 15 mit einer Platte 155 und dem Sensorelement 150, die den ersten Hohlraumbereich 110 überbrückt und seitlich auf den Wandbereichen 115 aufliegt. Auf dem ersten Bauteil 10 ist ein zweites Bauteil 20 additiv gefertigt, welches nach dem Aufbringen der Sensorbrücke 15 schichtweise unter Bildung des zweiten Hohlraumreiches 120 gebildet wird. Der erste und der zweite Hohlraumbereich 110, 120 können sich nach der Fertigung zu einem gemeinsamen Hohlraum verbinden. Die Platte 155 kann aber auch eine Trennmembrane bilden, die die beiden Hohlräume voneinander trennt.
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Gemäß Ausführungsbeispielen wird das additive Fertigen derart ausgeführt, dass das erste und/oder das zweite Bauteil 10, 20 eine vorbestimmte Materialdicke oder -stärke D11, D12, D21, D22 aufweist, um eine gewünschte Sensitivität des Kraftsensors 155 einzustellen. Hierbei können in zumindest einer Richtung eine Dimension des ersten Bauteils 10 und/oder des zweiten Bauteils 20 angepasst werden, um bestimmte Kräfte (z.B. Biegekraft, Torsionskraft, Zugkraft, Stauchung etc.) mit hoher Sensitivität zu messen.
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So kann beispielsweise eine erste Wandstärke D11, senkrecht zur Ebene der Platte 155, des ersten Bauteils 10 vom ersten Hohlraumbereich 110 aus gezielt über eine Anzahl von Druckschichten eingestellt werden. Ebenso kann eine zweite Wandstärke D22, senkrecht zur Ebene der Platte 155, des zweiten Bauteils 20 vom zweiten Hohlraumbereich 110 aus gezielt über eine Anzahl von Druckschichten eingestellt werden. Außerdem ist es möglich, dass eine erste Länge D12 des ersten Bauteils 10 (mit der ersten Wandstärke D11) einen vorbestimmten Wert aufweisen. Schließlich kann eine zweite Länge D21 des zweiten Bauteils 20 mit der zweiten Wandstärke D22 einen vorbestimmten Wert aufweisen.
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Über die gewählte(n) Materialstärke(n) D11, D12, D21, D22 ist es möglich, die Sensitivität des Sensorelementes einzustellen, da eine Variation diese Materialstärken eine leichtere Deformierbarkeit bewirkt, wenn eine Krafteinwirkung vorliegt. Die Deformation führt dazu, dass die Platte 155 sich verbiegt, was durch den Kraftsensor 150 erfasst werden kann. Dazu kann der Kraftsensor 150 beispielsweise direkt auf die Platte 155 fixiert werden und optional zumindest einen Dehnungsmessstreifen aufweisen, um z.B. eine Biegekraft oder Streckkraft oder auch ein Verdrehungskraft zu messen.
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Um eine zuverlässige Kraftübertragung auf die Platte 155 sicherzustellen, kann die Platte 155 in einem Randbereich Haltestrukturen umfassen. Das additive Fertigen kann dann derart erfolgen, dass es zu einer formschlüssigen oder kraftschlüssigen Verbindung zwischen der Platte 155 und dem ersten oder dem zweiten Bauteil 10, 20 durch ein Eingreifen von additiven Fertigungsmaterial in die Haltestrukturen kommt. Die Haltestruktur kann dazu zumindest eines aus dem Folgenden umfassen: Unebenheiten, eine oder mehr Öffnungen, Auskerbungen, Verzahnung etc.
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3 zeigt weitere Details bei der Prozessführung. Beispielhaft kann das erste Bauteil 10 auf einer Bauplattform 100 zunächst additiv gefertigt werden, wobei die additive Fertigung beispielsweise über ein Laserschmelzverfahren (SLM) erfolgen kann, bei dem das zweite Bauteil 20 Schicht für Schicht gefertigt wird.
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Allgemein beginnt der SLM Fertigungsprozess mit dem Auftragen einer dünnen Metallpulverschicht auf einer Bauplattform 100 durch einen Pulverauftragsmechanismus. Ein Laserstrahl, der in der Regel durch zwei galvanometrisch betriebene Ablenkspiegel (Scanner) und eine Fokussieroptik (F-Theta-Linse) über die Bauebene 100 geführt wird, belichtet das Pulverbett 210, 220 entsprechend Schichtinformationen und führt zu einem Verschmelzen des Pulvers. Nach der Belichtung einer Pulverschicht wird die Bauplattform 100 um eine Schichtdicke herabgesenkt und die Fertigungsschritte wiederholen sich. Der letzte Prozessschritt beinhaltet das Entfernen des losen Pulvers 210, 220 von der Bauplattform, die Entnahme der Bauplattform 100 mit dem sich darauf befindenden Bauteil 10, 20 sowie das Trennen von Bauteil und Bauplattform 100.
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Gemäß Ausführungsbeispielen erfolgt die Fertigung in zwei Stufen. Nachdem das erste Bauteil 10 mit dem erster Hohlraum 110 in der ersten Stufe additiv gefertigt wurde, kann das Pulvers aus dem ersten Hohlraum 110 entfernet und die Sensorbrücke 15 mit dem Sensorbauteil 150 aufgesetzt werden. In der zweiten Stufe wird anschließend das zweite Bauteil 20 additiv Schicht für Schicht gefertigt. Dabei kann wiederum der zweite Hohlraumbereich 120 sich Schicht für Schicht verengen. Beispielsweise ist es über ein additives Laserschmelzverfahren möglich, Überhänge mit einem Winkel von 45° zu erzeugen.
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4 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Integration von Kraftsensoren in verschiedenen Komponenten.
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Im oberen Abschnitt (a) ist zunächst das Bereitstellen des ersten Bauteils 10 gezeigt, in welchem der sich zunächst verbreiternde erste Hohlraumbereich 110 gebildet wird. Nach einer Maximalausdehnung verringert sich die Längsausdehnung des ersten Hohlraumbereiches 110 soweit, bis die verbleibende Öffnung noch das Sensorelement 150 (der beispielhafte Kraftsensor) aufnehmen kann, wobei ein Sicherheitsabstand gewahrt bleiben kann. Im mittleren Abschnitt (b) ist das Aufsetzen der Sensorbrücke 15 auf das erste Bauteil 10 dargestellt. Im abschließenden Verfahrensschritt (siehe Abschnitt (c)) wird die Sensorbrücke 15 über die additive Fertigung schichtweise in das fertige Bauteil integriert. Auch in diesem Ausführungsbeispiel kann über die Schichtdicke D22 (Anzahl der additive gefertigten Schichten) des zweiten Bauteils 20 die gewünschte Sensitivität eingestellt werden.
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Um die Temperaturbelastung in dem beispielhaften Kraftsensor 150 zu begrenzen, kann einerseits eine zeitliche Planung derart geschehen, dass die additive Fertigung entsprechend verlangsamt wird und somit der Temperatureintrag in das Sensorelement 150 begrenzt wird. Außerdem ist es möglich, dass nicht direkt über dem Sensorelement 150 eine additive Fertigung (Laserschmelzen) durchgeführt wird, sondern dass dort zunächst das Pulver verbleibt, welches später über eine vorhandene Öffnung oder einen seitlich offenen Bereich entfernt werden kann. Die Temperatureinwirkung auf den Kraftsensor 150 kann auch dadurch begrenzt werden, dass optional der in 2 und 3 gezeigte zweiten Hohlraumbereich 120 entsprechend groß gewählt wird oder gezielt ein Dämmmaterial als thermische Isolierung eingebracht wird.
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Nach Abschluss der additiven Fertigung kann das Pulvermaterial 210, 220 entfernt und das fertiggestellte Bauteil aus dem Herstellungswerkzeug entnommen werden. Pulvermaterial, das noch in den ersten oder zweiten Hohlraumbereich 110,120 vorhanden ist, kann beispielsweise über eine Öffnung entnommen werden. Eine solche optionale Öffnung kann später verschlossen werden oder als Ventilationsöffnung verbleiben.
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Die Platte 155 (Sensorträger) der Sensorbrücke 15 ist beispielsweise nicht über das SLM-Verfahren hergestellt, sondern kann eine monolithische Metallplatte oder ein anderer deformierbarer Träger sein. Das bietet den Vorteil, dass damit eine ausreichenden Oberflächengüte sichergestellt werden kann, um den Kraftsensor 150 (Primärsensorelemente) direkt zu applizieren. Dieser kann kopfüber in den teilweise gefertigten Verformungskörper integriert werden. Durch die Über-Kopf-Montage wird dabei zugleich das Problem von spritzendem Material auf das Sensorelement 150 minimiert.
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Ausführungsbeispiele bieten eine Vielzahl von Vorteilen. So können Gestaltungsrichtlinien für komplexere Sensoren (mehrdimensionale Krafteinleitung, Überlastsicherheiten) ohne Probleme umgesetzt werden. Außerdem kann ein hohes Maß an Individualisierbarkeit sowie eine erhöhte Zuverlässigkeit durch einen deutlich besseren Schutz vor Umwelteinflüssen (bspw. Feuchtigkeit) erreicht werden. Dies ist insbesondere in Bereichen wie der Medizintechnik sowie Struktur- und Systemüberwachung von Vorteil. Durch die Funktionsintegration von Kapselung und Verformungskörper können Sensoren zudem stärker als bisher miniaturisiert werden.
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Ausführungsbeispiele können beispielsweise für die folgenden Anwendungsbereiche vorteilhaft genutzt werden:
- - Medizintechnik: Minimalinvasive Chirurgie und Implantate, insbesondere die Integration von Sensorik in Instrumente zur Bereitstellung von haptischem Feedback an den Arzt bei Sicherstellung von Sterilisationsanforderungen.
- - Prozess- und Anlagenbau: Sensoren für raue (bspw. mechanischabrasive) Umgebungen
- - Hybride Fertigung: Anbauteile an bestehende Systeme zur Erweiterung des Funktionsumfangs, z.B. Kraftsensorik in Crimpzangen zur Überwachung der Verbindungsgüte.
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Die Vorteile für die Kraftsensorentwicklung in diesen Bereichen (Miniaturisierung, neue Konzepte zur Überlastsicherung, Individualisierung, Kapselung) können durch die Nutzung des SLM-Verfahrens erreichen werden und ermöglichen die Erfassung bisher nicht messbarer Größen.
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Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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