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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrochemischen Abtragen und eine Abtragvorrichtung zum elektrochemischen Abtragen.
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Stand der Technik
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Ein Standardverfahren zur Oberflächennachbearbeitung ist elektrochemisches Abtragen (englisch electrochemical machining, ECM). Besonders Bauteile, die mittels selektiven Laserschmelzens (SLM) oder Elektronenstrahlschmelzen (englisch Electron Beam Melting, EBM) hergestellt werden, haben oftmals eine raue Oberfläche und müssen nachbearbeitet werden.
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Für Vertiefungen, interne Strukturen und besonders Kanäle von Objekten gibt es derzeit wenige Methoden zur Nachbearbeitung von komplexen Geometrien. Bei dem elektrochemischen Abtragen ergeben sich Probleme, sobald die Vertiefung bzw. der Kanal entweder dünn, lang oder gebogen ist und/oder einen unregelmäßigen Querschnitt hat. Die Elektrode bzw. Kathode sollte für einen regelmäßigen Materialabtrag möglichst zu allen Oberflächen der Vertiefung den gleichen Abstand haben. Sobald die Kathode das Bauteil berührt, gibt es einen Kurzschluss und das Material wird nicht abgetragen. Deshalb wird diese Methode bisher nur für größere bzw. gut erreichbare interne Strukturen eines Objekts verwendet.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum elektrochemischen Abtragen bzw. eine Abtragvorrichtung aufzuzeigen, mittels dem bzw. der technisch einfach die Oberfläche einer Vertiefung eines Objekts elektrochemisch abgetragen werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände des unabhängigen Anspruchs 1 und des unabhängigen Anspruchs 7 gelöst.
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Insbesondere wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum elektrochemischen Abtragen, insbesondere Elektropolieren, von Oberflächen in einer Vertiefung, insbesondere in Kanälen und/oder Hohlräumen, eines Objekts gelöst, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Einführen einer Elektrode in eine Vertiefung des Objekts, wobei die Elektrode zumindest teilweise von einem elektrisch isolierenden Isolationsmaterial umgeben ist; Positionieren der Elektrode in der Vertiefung des Objekts; zumindest teilweises Entfernen des Isolationsmaterials von der Elektrode, während die Elektrode in der Vertiefung des Objekts positioniert ist; Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der Elektrode und dem Objekt; und elektrochemisches Abtragen, insbesondere Elektropolieren, von Oberflächen in der Vertiefung mittels der Elektrode.
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Ein Vorteil hiervon ist, dass die Elektrode technisch besonders einfach in der Vertiefung platziert bzw. ausgerichtet bzw. positioniert werden kann, ohne dass ein Kurzschluss zwischen dem Objekt und der Elektrode gebildet wird. Somit kann ohne Gefahr eines Kurzschlusses zwischen der Elektrode und dem Objekt das elektrochemische Abtragen, insbesondere das Elektropolieren, schnell durchgeführt werden. Es ist möglich, dass das Isolationsmaterial zusammen mit der Elektrode in die Vertiefung eingeführt wird, d.h. dass das Isolationsmaterial an der Elektrode befestigt ist. Es ist jedoch auch möglich, dass das Isolationsmaterial zeitlich gesehen vor der Elektrode in die Vertiefung eingeführt wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich auch Vertiefungen, Hohlräume, Kanäle und dergleichen bearbeiten lassen, die ansonsten nicht bearbeitet werden könnten, da die Entfernbarkeit des Isolationsmaterials auch ein Herausziehen der Elektrode aus ansonsten nicht passierbaren Engstellen nach dem Bearbeiten erlaubt.
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Insbesondere wird die Aufgabe auch durch eine Abtragvorrichtung zum elektrochemischen Abtragen, insbesondere Elektropolieren, von Oberflächen in einer Vertiefung, insbesondere in Kanälen und/oder Hohlräumen, eines Objekts gelöst, wobei die Abtragvorrichtung eine Elektrode zum Einführen in die Vertiefung umfasst, wobei die Elektrode zumindest teilweise von einem elektrisch isolierenden Isolationsmaterial umgeben ist, wobei die Elektrode derart ausgebildet ist, dass das Isolationsmaterial von der Elektrode, während die Elektrode in der Vertiefung positioniert ist, zumindest teilweise entfernbar ist.
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Vorteilhaft hieran ist, dass die Elektrode der Abtragvorrichtung technisch einfach in der Vertiefung des Objekts platziert bzw. ausgerichtet bzw. positioniert werden kann, ohne dass ein Kurzschluss zwischen dem Objekt und der Elektrode gebildet wird. Folglich kann ohne Gefahr eines Kurzschlusses zwischen der Elektrode und dem Objekt das elektrochemische Abtragen, insbesondere das Elektropolieren, schnell durchgeführt werden. Es ist möglich, dass das Isolationsmaterial zusammen mit der Elektrode in die Vertiefung eingeführt wird, d.h. dass das Isolationsmaterial an der Elektrode befestigt ist. Es ist jedoch auch möglich, dass das Isolationsmaterial zeitlich gesehen vor der Elektrode in die Vertiefung eingeführt wird.
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Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Isolationsmaterial zumindest teilweise, insbesondere vollständig, von der Elektrode entfernt, indem zumindest Teile des Isolationsmaterials, insbesondere das Isolationsmaterial vollständig, aus der Vertiefung herausbewegt, insbesondere herausgezogen, werden. Vorteilhaft hieran ist, dass das Isolationsmaterial technisch einfach und schnell von der Elektrode entfernt wird. Zudem kann das Isolationsmaterial unter Umständen wiederverwendet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Isolationsmaterial zumindest teilweise von der Elektrode entfernt, indem zumindest Teile des Isolationsmaterials, insbesondere das Isolationsmaterial vollständig, mittels Wärme geschmolzen oder verflüssigt werden und das geschmolzene oder verflüssigte Isolationsmaterial aus der Vertiefung herausfließt. Ein Vorteil hiervon ist, dass das Isolationsmaterial aus der Vertiefung herausfließen kann. Somit kann das Isolationsmaterial besonders zuverlässig, auch bei Vertiefungen mit scharfen Kanten oder (nahezu) rechtwinkligen Kanten, aus der Vertiefung technisch entfernt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Isolationsmaterial mittels der Elektrode erwärmt. Vorteilhaft hieran ist, dass das Isolationsmaterial technisch besonders einfach erwärmt werden kann. Durch Fließenlassen eines Stroms durch die Elektrode kann das Isolationsmaterial erwärmt werden. Es werden keine weiteren Hilfsmittel benötigt. Darüber hinaus kann eine Erwärmung des Objekts gering sein.
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Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Isolationsmaterial zumindest teilweise von der Elektrode entfernt, indem zumindest Teile des Isolationsmaterials, insbesondere das Isolationsmaterial vollständig, insbesondere chemisch, abgelöst und/oder aufgelöst werden. Ein Vorteil hiervon ist, dass das Isolationsmaterial zuverlässig von der Elektrode entfernt wird. Darüber hinaus kann, wenn beim Auflösen des Isolationsmaterials nur Gase entstehen, das Isolationsmaterial besonders einfach, auch bei geringen Abständen zwischen Elektrode und der Oberfläche des Objekts, aus der Vertiefung entfernt werden. Zudem ist das Verfahren besonders schnell durchführbar.
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Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Isolationsmaterial mit einem Hohlkern in eine Vertiefung des Objekts eingegossen, wobei die Elektrode in dem Hohlkern angeordnet wird. Ein Vorteil hiervon ist, dass die Elektrode besonders präzise in die Vertiefung des Objekts eingeführt werden kann. Zudem ist das Isolationsmaterial nicht an der Elektrode befestigt, so dass das Isolationsmaterial technisch besonders einfach von der Elektrode entfernt werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform der Abtragvorrichtung ist die Abtragvorrichtung derart ausgebildet, dass das Isolationsmaterial zumindest teilweise von der Elektrode entfernbar ist, indem zumindest Teile des Isolationsmaterials aus der Vertiefung herausbewegt, insbesondere herausgezogen, werden. Ein Vorteil hiervon ist, dass das Isolationsmaterial technisch einfach und schnell von der Elektrode entfernt werden kann. Zudem kann das Isolationsmaterial unter Umständen wiederverwendet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Abtragvorrichtung ist das Isolationsmaterial derart ausgebildet, dass es sich zusammenfalten lässt. Hierdurch kann das Isolationsmaterial technisch einfach in seiner Ausdehnung verringert werden und folglich technisch einfach aus der Vertiefung entfernt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Abtragvorrichtung ist die Abtragvorrichtung derart ausgebildet, dass das Isolationsmaterial zumindest teilweise von der Elektrode entfernbar ist, indem zumindest Teile des Isolationsmaterials geschmolzen oder verflüssigt werden. Vorteilhaft hieran ist, dass das Isolationsmaterial aus der Vertiefung herausfließen kann. Somit kann das Isolationsmaterial besonders zuverlässig, auch bei Vertiefungen mit scharfen Kanten oder (nahezu) rechtwinkligen Kanten, aus der Vertiefung technisch entfernt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Abtragvorrichtung ist die Abtragvorrichtung derart ausgebildet, dass das Isolationsmaterial zumindest teilweise von der Elektrode entfernbar ist, indem zumindest Teile des Isolationsmaterials, insbesondere chemisch, abgelöst und/oder aufgelöst werden. Vorteilhaft hieran ist, dass das Isolationsmaterial besonders zuverlässig von der Elektrode entfernt werden kann. Zudem kann, wenn beim Auflösen des Isolationsmaterials nur Gase entstehen, das Isolationsmaterial besonders einfach, auch bei geringen Abständen zwischen Elektrode und der Oberfläche des Objekts, aus der Vertiefung entfernt werden.
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Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen
- 1 eine Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform der Abtragvorrichtung, wobei das Isolationsmaterial zwischen Elektrode und Objekt vorhanden ist;
- 2 eine Querschnittsansicht der Abtragvorrichtung aus 1, wobei das Isolationsmaterial vollständig aus der Vertiefung entfernt wurde;
- 3 eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform der Abtragvorrichtung, wobei das Isolationsmaterial zwischen Elektrode und Objekt vorhanden ist; und
- 4 eine Querschnittsansicht der Abtragvorrichtung aus 3, wobei das Isolationsmaterial vollständig aus der Vertiefung entfernt wurde.
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Bei der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleich wirkende Elemente dieselben Bezugsziffern verwendet.
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1 zeigt eine Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform der Abtragvorrichtung 10. 2 zeigt eine Querschnittsansicht der Abtragvorrichtung 10 aus 1, wobei das Isolationsmaterial 50, 51 vollständig aus der Vertiefung 30 entfernt wurde.
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Die Abtragvorrichtung 10 bzw. Elektropoliervorrichtung ist zum elektrochemischen Abtragen (englisch electrochemical machining, ECM) bzw. Elektropolieren einer Oberfläche bzw. von Material von einer Oberfläche in einer Vertiefung 30 eines Objekts 20 ausgebildet. Hierbei wird eine Spannung zwischen einer Elektrode 15 bzw. Kathode der Abtragvorrichtung 10 und dem Objekt 20 angelegt. Ein Elektrolyt wird zwischen die Elektrode 15 und dem Objekt 20 eingebracht, wodurch Spitzen, Kanten etc. der Oberfläche abgerundet bzw. (teilweise) abgetragen werden und derart die Rauheit der Oberfläche der Vertiefung 30 des Objekts 20 vermindert wird.
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Das Objekt 20 kann beispielsweise mittels eines additiven Fertigungsverfahrens, z.B. sogenannter 3D-Druck, hergestellt worden sein. Hierdurch ist die Oberfläche in Vertiefungen 30, Kanälen oder Hohlräumen oftmals rau. Mittels der Abtragvorrichtung 10 kann die Rauheit der Oberfläche in der Vertiefung 30 des Objekts 20 verringert werden.
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Die Abtragvorrichtung 10 weist ein elektrisch isolierendes Isolationsmaterial 50, 51 bzw. einen Isolator auf, der eine mechanische bzw. elektrische Verbindung zwischen der Elektrode 15 und dem Objekt 20 zuverlässig verhindert. Bei der ersten Ausführungsform ist das Isolationsmaterial 50, 51 an der Elektrode 15 befestigt. Dies bedeutet, dass die Elektrode 15 zusammen mit dem Isolationsmaterial 50, 51 in die Vertiefung 30 des Objekts 20 eingeführt wird.
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Das Isolationsmaterial 50, 51 umschließt die Elektrode 15 zumindest teilweise bzw. abschnittweise. In 1 umgibt das Isolationsmaterial 50, 51 die Elektrode 15 in zwei voneinander getrennten Bereichen. Die Elektrode 15 kann rotationssymmetrisch zu einer Achse bzw. Längsrichtung der Elektrode 15 ausgebildet sein, die in 1 in der Zeichenebene und von oben nach unten verläuft. Das Isolationsmaterial 50, 51 kann die Elektrode 15 über einen Vollkreis bzw. 360° umgeben.
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Das Isolationsmaterial 50, 51 dient zum Abstandhalten zwischen der Elektrode 15 und dem Objekt 20. Hierdurch werden Kurzschüsse zwischen der Elektrode 15 und dem Objekt 20 sicher verhindert.
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Die Vertiefung 30 weist in 1 bzw. 2 zunächst von der Außenoberfläche ausgehend einen geraden Abschnitt mit nachfolgender erster Einschnürung bzw. Verjüngung 32 auf. In dem Bereich der ersten Einschnürung bzw. Verjüngung 32 weist die Elektrode 15 ein Isolationsmaterial 50, 51 auf bzw. Isolationsmaterial 50, 51 umgibt bzw. umschließt die Elektrode 15 teilweise, insbesondere vollständig. Das Isolationsmaterial 50, 51 weist eine Dicke auf (die Dicke verläuft in 1 von links nach rechts), die dem Abstand zwischen der Elektrode 15 und der Oberfläche der Vertiefung 30 an dieser Stelle entspricht.
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Weiter von der Außenoberfläche des Objekts 20 entfernt, d.h. weiter unten in 1, erweitert sich die Vertiefung 30 nach der ersten Einschnürung bzw. Verjüngung 32 nochmals, bevor eine zweite Einschnürung bzw. Verjüngung 34 der Vertiefung 30 des Objekts 20 vorhanden ist. Auf Höhe der zweiten Einschnürung weist die Elektrode 15 Isolationsmaterial 50, 51 auf bzw. ist von Isolationsmaterial 50, 51, insbesondere vollständig, umschlossen. Auch dieses Isolationsmaterial 50, 51 weist eine Dicke auf, die dem Abstand zwischen der Elektrode 15 und der Oberfläche der Vertiefung 30 an dieser Stelle entspricht. Ganz unten in 1 weist die Vertiefung 30 nochmals eine Erweiterung bzw. Verbreitung auf. Außerhalb der ersten Einschnürung und der zweiten Einschnürung ist kein Isolationsmaterial 50, 51 um die Elektrode 15 angeordnet. Es ist jedoch möglich, dass auch diese Teile der Elektrode 15 von Isolationsmaterial 50, 51 teilweise oder vollständig von Isolationsmaterial 50, 51 umgeben sind.
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Die Elektrode 15 ist derart ausgebildet, dass der Abstand zwischen der Oberfläche der Vertiefung 30 und der Elektrode 15 bzw. der Oberfläche der Elektrode 15 im Wesentlichen stets gleichgroß ist, nachdem die Elektrode 15 an ihrer endgültigen Position (die in 1 bzw. 2 gezeigt ist) positioniert bzw. platziert ist. Die dargestellte Elektrode ist derart ausgebildet, dass sich ihr Querschnitt abschnittsweise verändern lässt, um ein passieren der Einschnürungen 34 zu ermöglichen.
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Nachdem die Elektrode 15 in die Vertiefung 30 eingeführt wurde und an ihrer finalen Position platziert ist, werden zumindest Teile des Isolationsmaterials 50, 51 oder das gesamte Isolationsmaterial 50, 51 aus der Vertiefung 30 und von der Elektrode 15 entfernt. Dieses Entfernen des Isolationsmaterials 50, 51 kann auf verschiedene Arten durchgeführt werden, die nachfolgend erläutert werden. In 2 wurde das Isolationsmaterial 50, 51 vollständig von der Elektrode 15 gelöst bzw. entfernt und aus der Vertiefung 30 entfernt.
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Eine erste Möglichkeit ist, dass das Isolationsmaterial 50, 51 aus der Vertiefung 30 herausgezogen wird. Das Isolationsmaterial 50, 51 kann z.B. ein flexibler Körper (beispielsweise eine Art Ballon) oder eine flexible Mechanik umfassen, der bzw. die sich auf- und zufalten lässt. Möglich ist, dass das Isolationsmaterial 50, 51 ähnlich wie ein Stent seinen Durchmesser vergrößern und verkleinern kann. Das Isolationsmaterial 50, 51 kann zum Entfernen somit in seinem Durchmesser vergrößert werden und auf diese Weise von der Elektrode 15 entfernt bzw. gelöst werden und anschließend aus der Vertiefung 30 herausgezogen werden. Anschließend kann das elektrochemische Abtragen bzw. Elektropolieren durchgeführt werden.
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Eine zweite Möglichkeit ist, dass das Isolationsmaterial 50, 51 durch Wärmebehandlung bzw. Erwärmung aufgeschmolzen oder verflüssigt oder verdampft wird. Nach dem Positionieren der Elektrode 15 in der Vertiefung 30 wird das Isolationsmaterial 50, 51 erwärmt. Dies kann mittels der Elektrode 15 durchgeführt werden, wenn ein Strom durch die Elektrode 15 fließt. Das Isolationsmaterial 50, 51 wird flüssig oder verdampft. Das dampfförmige Isolationsmaterial 50, 51 kann aus der Vertiefung 30 entweichen. Das verflüssigte Isolationsmaterial 50, 51 kann bei entsprechender Positionierung bzw. Ausrichtung des Objekts 20 rein gravitativ aus der Vertiefung 30 herausfließen. Anschließend kann das elektrochemische Abtragen bzw. Elektropolieren durchgeführt werden. Vorstellbar ist, dass das Isolationsmaterial 50, 51 Bienenwachs umfasst oder ist.
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Eine dritte Möglichkeit ist, das Isolationsmaterial 50, 51 aufzulösen, insbesondere chemisch aufzulösen. Hierbei wird ein chemisches Material in die Vertiefung 30 eingebracht, die das Isolationsmaterial 50, 51 chemisch verändert bzw. eine chemische Reaktion bewirkt. Das Isolationsmaterial 50, 51 kann hierbei sich verflüssigen oder gasförmig werden. Das chemische Material ist derart ausgewählt, dass das Isolationsmaterial 50, 51 chemisch verändert wird, jedoch die Elektrode 15 bzw. das Material der Elektrode 15 im Wesentlichen nicht verändert wird. Auch die Oberfläche der Vertiefung 30 sollte durch das chemische Material nicht verändert werden. Ein verflüssigtes Isolationsmaterial 50, 51 kann bei entsprechender Ausrichtung des Objekts 20 bzw. der Vertiefung 30 aus der Vertiefung 30 fließen. In ein Gas umgewandeltes Isolationsmaterial 50, 51 kann aus der Vertiefung 30 ausströmen bzw. austreten. Möglich ist auch, dass das Isolationsmaterial 50, 51 teilweise in ein Gas und teilweise in eine Flüssigkeit umgewandelt wird. Das Gas strömt aus der Vertiefung 30 heraus und die Flüssigkeit kann aus der Vertiefung 30 ausfließen.
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3 zeigt eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform der Abtragvorrichtung 10, wobei das Isolationsmaterial 50, 51 zwischen Elektrode 15 und Objekt 20 vorhanden ist.
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Bei der zweiten Ausführungsform wird das Isolationsmaterial 50, 51 in den halbkreisförmigen Kanal bzw. die halbkreisförmige Vertiefung 30 des Objekts 20 gegossen. Dabei hält ein hohler Kern bzw. Hohlkern in dem gegossenen Isolationsmaterial 50, 51 einen durchgehenden Bereich für die Elektrode 15 frei. Anschließend kann das Isolationsmaterial 50, 51 aushärten oder ausgehärtet werden, z.B. durch Wärme.
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In den hohlen Kern bzw. Hohlkern kann anschließend die Elektrode 15 in die Vertiefung 30 eingeführt werden, ohne dass die Elektrode 15 das Objekt 20 mechanisch berührt bzw. kontaktiert. Somit kann hierbei die Elektrode 15 nach dem Isolationsmaterial 50, 51 in die Vertiefung 30 eingeführt werden. Es ist auch möglich, dass die Elektrode 15 bereits in dem hohlen Kern bzw. Hohlkern angeordnet ist, wenn das Isolationsmaterial 50, 51 mit dem Hohlkern in die Vertiefung 30 eingegossen wird.
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Nach der Positionierung der Elektrode 15 kann mit einer der oben beschriebenen Maßnahmen das Isolationsmaterial 50, 51 aus der Vertiefung 30 entfernt werden. 4 zeigt eine Querschnittsansicht der Abtragvorrichtung 10 aus 3, wobei das Isolationsmaterial 50, 51 vollständig aus der Vertiefung 30 entfernt wurde.
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Das Isolationsmaterial 50, 51 kann, vor dem Entfernen von der Elektrode 15, im Wesentlichen den gesamten Raum zwischen der Elektrode 15 und der Oberfläche der Vertiefung 30 ausfüllen.
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Die Vertiefung 30 des Objekts 20 kann beispielsweise ein durch das Objekt 20 hindurchgehenden Kanal, eine Einbuchtung des Objekts 20 und/oder einen Hohlraum im Innern des Objekts 20 umfassen oder sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Abtragvorrichtung
- 15
- Elektrode
- 20
- Objekt
- 30
- Vertiefung
- 32
- erste Verjüngung
- 34
- zweite Verjüngung
- 50, 51
- Isolationsmaterial
