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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines monolithischen oder teilmonolithischen Grundkörpers eines Wägeaufnehmers und einen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Grundkörper.
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Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines monolithischen oder teilmonolithischen Grundkörpers für eine hochauflösende Waage mit einer Auflösung von bis zu 0,0001 mg und mehreren Millionen Wägeschritten, d. h., z.B. eine Hochpräzisionswaage.
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Solche Waagen arbeiten üblicherweise nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation, d. h., die Gewichtskraft wird in ein elektrisches Signal durch einen Kraftsensor umgesetzt. Kernstück einer solchen Hochpräzisionswaage ist ein üblicherweise monolithischer Grundkörper, der aus einem Materialblock gefräst wird und einen als Lastaufnehmer bezeichneten Abschnitt besitzt, welcher über einen oder mehrere Arme, auch Übersetzungshebel genannt, am Rest des Grundkörpers angelenkt ist. Eine Alternative zu einem solchen monolithischen Grundkörper ist ein sogenannter teilmonolithischer Grundkörper, der aus wenigen monolithischen Teilen zusammengesetzt ist.
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Die Arme bilden beispielsweise eine oder mehrere Parallelogrammführungen. Die zu messende Kraft wird über einen oder mehrere Arme übertragen und mittels elektromagnetischer Kraftkompensation (EMK) durch eine lagegeregelte Spule kompensiert. Die entsprechenden Arme der Parallelogrammführung sind bei einem monolithischen oder teilmonolithischen Grundkörper über Biegefedergelenke in Form von Dünnstellen am Rest des Metallblocks angelenkt. Weitere Teile des Grundkörpers sind ebenfalls über Biegefedergelenke angekoppelt und können dazu dienen, störende Effekte durch außermittige Belastungen durch Justage zu reduzieren, oder sie dienen zur Kraftübertragung zwischen Abschnitten des Grundkörpers (z.B. Hebel und Schalenkoppel) in Form von sogenannten Koppelelementen. Das bedeutet, aus dem Metallblockrohling werden sämtliche Teile und Biegefedergelenke am Stück herausgearbeitet, insbesondere gefräst, und alle diese Bestandteile gehen einstückig ineinander über.
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Dieses System der Fertigung möglichst vieler Komponenten des Wägesystems aus einem singulären Rohling sorgt für eine sehr komplexe dreidimensionale Geometrie.
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Neben dem Fräsen gibt es auch andere Technologien, z.B. Erodieren, Schleifen, die zur Fertigung verwendet werden können. Die später erreichbare Wägeperformance des Grundkörpers in Bezug auf sich ändernde Umwelteinflüsse (z.B. Temperatur) ist abhängig von der Genauigkeit und Maßhaltigkeit der Arme, besonders aber der Biegefedergelenke sowie der Spannungsfreiheit im Material. Diese Biegefedergelenke haben Dicken, die maximal wenige Zehntelmillimeter betragen, was für die Fertigung sehr anspruchsvoll ist, zumal die werkstückseitige Abstützkraft beim Fräsen bei solchen Dicken vernachlässigbar ist. Die Fertigung kann in diesen Bereichen des Monolithen deshalb nur dann funktionieren, wenn die Vorschubgeschwindigkeit und die Fräskräfte im Bereich der Biegefedergelenke sehr klein sind, was wiederum den Herstellungsprozess verlangsamt und die Kosten und das Risiko von Ausschuss erhöht.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen eines monolithischen oder teilmonolithischen Grundkörpers eines Wägeaufnehmers zu schaffen, das eine schnellere Fertigung mit größerer Prozesssicherheit ermöglicht, mindestens die bisherige Fertigungsgenauigkeit erreicht und vor allem das Wägeverhalten eines so hergestellten Grundkörpers verbessert.
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Die Erfindung schafft dies durch folgende Schritte:
- A) Aus einem monolithischen Metallblock wird ein Grundkörper oder ein Teil eines Grundkörpers eines Wägeaufnehmers herausgearbeitet, insbesondere gefräst, mit zumindest einem Arm, der über integrale Biegefedergelenke in Form von Dünnstellen mit dem Rest des Metallblocks verbunden ist, und
- B) der gefertigte Grundkörper wird zumindest an den Biegefedergelenken einer chemischen Lösung ausgesetzt, die einen Materialabtrag an den Biegefedergelenken hervorruft.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird kein Strom auf das Werkstück aufgebracht, während es chemisch behandelt wird, somit ist es ein rein chemisches Verfahren und kein elektrochemisches Abtragsverfahren. Konkret heißt das, dass keine elektrische Kontaktierung am Grundkörper erforderlich ist.
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Es wurde herausgefunden, dass innere Spannungen im Material störende Langzeiteffekte im Bereich der Biegefedergelenke hervorrufen, welche nicht immer gleich sind (Prozessstreuung) und damit zu einer negativen Beeinflussung des Wägeverhaltens führen. Solche Spannungen können durch die spanende Herstellung, aber auch durch die Herstellung des Rohlings beim Strangpressen oder Walzen erzeugt werden. Versuche haben ergeben, dass durch den geringen chemischen Abtrag an den äußeren Schichten des Materials diese Spannungen deutlich abgebaut werden können.
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Auch werden die Spannungen im Rest des Metallblocks abgebaut. Diese sind bedingt durch das Strangpressen oder Walzen des Ausgangsmaterials. Nachdem stark reduzierte mechanische oder, allgemeiner, äußere Kräfte auf den Grundkörper, insbesondere im Bereich der Biegefedergelenke, ausgeübt werden, hat der chemische Abtrag ausschließlich positive Effekte.
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Auch die reduzierte Rauigkeit, die sich im Bereich der Arme oder auch im Rest des Metallblocks ergibt, sorgt für ein reproduzierbareres Verhalten des Wägeaufnehmers.
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Ein weiterer Effekt, der insbesondere die Herstellungsgeschwindigkeit und die Ausschussraten positiv beeinflusst, ergibt sich dadurch, dass aufgrund des chemischen Materialabtrags die Biegefedergelenke zuvor beim Abtragen oder Fräsen nicht mehr so dünn wie bislang hergestellt werden müssen. Dies ist ein enormer Vorteil, der sich positiv auf die Arbeitsgeschwindigkeit auswirkt. So lassen sich Grundkörper mit denselben Endabmessungen herstellen, die jedoch bei der Bearbeitung durch Abtrag, insbesondere Fräsen, eine andere, d. h. größere Dicke haben, als bisher, weil diese Körper noch chemisch nachbearbeitet werden. Alternativ können durch die chemische Bearbeitung geringere Dicken als bisher erreicht werden.
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Es kann der gesamte Grundkörper mit der chemischen Lösung in Kontakt gebracht werden, z.B. in die Lösung getaucht werden, oder auch nur ein Teilbereich hiervon. Dies kommt auf die Geometrie des jeweiligen Grundkörpers an und darauf, welche Bereiche durch die chemische Lösung positiv modifiziert werden sollen.
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Alternativ hierzu wird der Grundkörper mit der Lösung besprüht, entweder komplett besprüht oder nur abschnittsweise.
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Die chemische Lösung ist vorzugsweise ein Ätzmittel, d. h., sie ätzt die Oberfläche zumindest im Bereich der Biegefedergelenke.
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Im Schritt B) sollte zumindest ein Materialabtrag an den Flachseiten der Biegefedergelenke von 2 bis 50 µm erfolgen. Das bedeutet, die dünnste Stelle wird um das Doppelte, d. h. 4 bis 100 µm dünner. Es hat sich herausgestellt, dass allein diese geringen Bearbeitungen bereits ausreichend sind, um die Spannungen im Bereich der Oberfläche signifikant zu reduzieren und auch die Bearbeitungszeit beim Fräsen zu verkürzen.
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Vorzugsweise ist der Grundkörper aus Aluminium oder einer geeigneten Legierung. Die chemische Zusammensetzung des Lösungsmittels muss auf das Material des Grundkörpers abgestimmt werden, ebenso wie die Temperatur des Lösungsmittels, die Konzentration des Lösungsmittels und die Einwirkzeit, d.h. die Abtragszeit. Aluminium hat sich für Grundkörper von Wägeaufnehmern bewährt.
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Nach dem Eintauchen in die chemische Lösung im Bereich der Biegefedergelenke wird vorzugsweise der Grundkörper nicht mehr mechanisch nachbearbeitet. Was jedoch üblich sein wird, ist ein Spülen des Grundkörpers oder ein Eintauchen in eine oder verschiedene Lösungen, um den chemischen Prozess zu steuern, abzubrechen, oder das Bauteil von nicht-löslichen Bestandteilen, die sich an der Oberfläche angelagert haben, zu befreien. Letzterer Schritt wird i.d.R. bei Aluminiumlegierungen mit Salptersäure gemacht, auch Dekapieren genannt.
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Vorzugsweise sollte der Grundkörper nach dem spanenden Bearbeiten nur noch durch das Kontaktieren mit Flüssigkeit, insbesondere das Eintauchen in Flüssigkeit, d. h. in die chemische Lösung und ggf. andere Lösungen, oder durch Besprühen nachbearbeitet werden, damit keine weiteren Spannungen mehr in das Bauteil gelangen.
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Optional kann die chemische Lösung durch eine erzeugte Strömung entlang des gefrästen Grundkörpers hinwegströmen, um sicherzustellen, dass in einem gewissen Zeitraum eine gewisse Menge an chemischer Lösung über die zu bearbeitende Oberfläche hinwegströmt. Die Strömung kann z.B. durch eine Pumpe, Luftblasen oder Schwenken des die Lösung und den Grundkörper aufnehmenden Behälters erzeugt werden.
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Wie sich herausgestellt hat, reicht üblicherweise eine Einwirkzeit bei Raumtemperatur in 20%-NaOH-Lösung (Natronlauge) von wenigstens 10 Minuten, insbesondere wenigstens 30 Minuten, in der der gefräste Grundkörper in die chemische Lösung eingetaucht ist. Eine Einwirkzeit von mehr als 60 Minuten ist hingegen gemäß den vorgenommenen Versuchen nicht nötig, um weitere erhebliche Eigenschaftsverbesserungen zu erreichen.
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Eine noch einmal deutlich verbesserte Reduzierung der Spannungen und Verkürzung der Eintauchzeit konnte in Versuchen erreicht werden, indem die chemische Lösung 20%-NaOH-Lösung (Natronlauge) auf eine Temperatur von 40°C bis 70°C erwärmt wurde, wenn der Grundkörper in sie für 1-10 Minuten eingetaucht wird. Diese leicht erhöhten Temperaturen jedoch reichen schon aus, um einen sogenannten Aging-Effekt als Nebeneffekt zu erreichen, d. h., eine Alterung oder ein Temper-Effekt ergibt sich im Bereich der Oberfläche und innenliegenden Materialbereichen.
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Positiven Anteil hat ebenfalls ein sich optional anschließender Trocknungsvorgang bei ebenfalls erhöhter Temperatur von wenigstens 50 °C, insbesondere für einen Zeitraum von 20 bis 60 Minuten. Damit werden zusätzlich innere Spannungen im Material reduziert.
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Eine weitere Option besteht darin, Bereiche des Grundkörpers unterschiedlich lange in die chemische Lösung zu tauchen, d. h. sie unterschiedlich lange von der chemischen Lösung bearbeiten zu lassen. Dies gilt insbesondere für die Bereiche der Biegefedergelenke. So können beispielsweise, bezogen auf den Einbauzustand, oben liegende Biegefedergelenke von Armen länger oder kürzer bearbeitet werden als darunter liegende Biegefedergelenke derselben Parallelogrammführung. Darüber hinaus können natürlich auch, wenn mehrere Arme oder Parallelogrammführungen an einem Grundkörper vorgesehen sind, diese unterschiedlich lange in der chemischen Lösung eingetaucht bleiben. Damit lassen sich zum einen unterschiedliche Dicken der Biegefedergelenke erreichen und zum anderen kann beispielsweise ein Bereich, der für einen Fräser schwerer zugänglich ist, nach dem Fräsen dicker bleiben, dafür aber anschließend länger in der chemischen Lösung bleiben und nachbearbeitet werden.
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Auch lassen sich Bereiche abdecken, so dass keine chemische Lösung an bestimmt Stellen kommt, die nicht oder kürzer in der chemischen Lösung behandelt werden sollen als andere Bereiche.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann vollautomatisiert ablaufen, d. h., entsprechende vollautomatische Handlingsysteme nehmen den Grundkörper auf und überführen ihn in die Lösungen und entnehmen ihn den Lösungen wieder. Beispielsweise wird der Grundkörper zuerst mit NaOH behandelt und anschließend dekapiert.
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Wenn von unterschiedlich langen Bearbeitungszeiten in der chemischen Lösung gesprochen wird, so beinhaltet dies nicht die Zeit, die für das Hineinbewegen des Grundkörpers in die Flüssigkeit und das Herausziehen aus der Flüssigkeit erforderlich ist, denn dann wäre ein oberer Abschnitt immer für eine kürzere Zeit in der Flüssigkeit als ein unterer Abschnitt des Grundkörpers. Für die unterschiedlichen Behandlungszeiten ist es folglich erforderlich, dass die ansonsten vorzugsweise kontinuierliche Geschwindigkeit zum Hineinführen in und zum Herausziehen aus der Flüssigkeit diskontinuierlich wird oder der Grundkörper in einer bestimmten Aufnahmetiefe verharrt, bevor er noch tiefer eingetaucht wird oder ggf. gedreht wird und an einer anderen Stelle wieder in die Flüssigkeit eingesetzt wird.
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Es ist nicht nur möglich, den Grundkörper allein in die chemische Lösung einzutauchen, vielmehr kann auch zumindest ein zusätzliches Bauteil an ihm bereits befestigt sein (das Teil der zu fertigenden Waage mit dem entsprechenden Grundkörper ist), wenn er in die chemische Lösung getaucht wird. Dieses zusätzliche Bauteil wird entweder abgedeckt oder nicht in die Lösung eingetaucht oder ist nicht löslich (anderes Material). Es kann jedoch die Spannung des Grundkörpers ggf. minimal ändern, sodass es vorteilhaft sein kann, eine bereits montierte Baugruppe, von der der Grundkörper ein Teil ist, bei der Bearbeitung durch die chemische Lösung am Grundkörper montiert zu haben. Bereits montierte Baugruppen sind z. B. mechanische Anschläge oder Arretierungen.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus auch einen Grundkörper eines Wägeaufnehmers, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
- - 1 eine Seitenansicht eines durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Grundkörpers einer Hochpräzisionswaage gemäß einer möglichen Ausgestaltung,
- - 2 eine Draufsicht auf den Grundkörper nach 1, und
- - 3 eine Vorrichtung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird.
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In den 1 und 2 ist ein monolithischer Grundkörper 100 eines Wägeaufnehmers einer Hochpräzisionswaage dargestellt, der aus einem Metallblock gefräst ist.
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Der Grundkörper 100 hat mehrere Abschnitte, nämlich einen Träger 1, einen Lastaufnehmer 2 sowie mehrere schwenkbar gelagerte Arme 3 und 4, wobei hinter dem oberen Arm 3 ein hierzu identischer, in 2 zu sehender weiterer oberer Arm 3' vorgesehen ist, ebenso wie verdeckt in 1 hinter dem unteren Arm 4 ein identischer, weiterer unterer Arm 4' vorgesehen ist. Diese Arme 3, 3`, 4 und 4` werden auch Lenker genannt. Beispielsweise können die oberen und die unteren Arme jeweils V-förmig verlaufen, siehe 2.
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Durch die insgesamt vier Arme 3, 3', 4 und 4' ergibt sich eine Parallelogrammführung für den Lastaufnehmer 2.
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Die vier Arme 3, 3', 4 und 4' werden jeweils durch ein Biegefedergelenk 30, 40 an den entgegengesetzten Enden gelagert, wobei sie einstückig in die angrenzenden Abschnitte des Grundkörpers 100 übergehen und z.B. durch Fräsen erzeugt werden.
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Am Lastaufnehmer 2 kann mittelbar oder unmittelbar eine nicht gezeigte Waagschale befestigt sein.
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Der Grundkörper 100 umfasst ferner einen Übersetzungshebel 5, der durch einen Graben 6 vom Träger 1 getrennt ist. Ferner ist ein oder sind weitere Biegefedergelenke 7 zur Lagerung des Übersetzungshebel 5 am Träger 1 vorgesehen.
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Die Biegefedergelenke 7 gehen nach oben in einem vorkragenden Bereich 8 des Trägers 1 über und nach unten in eine Quertraverse 9. Der Übersetzungshebel 5 erstreckt sich vom Bereich 8 aus nach unten. Die Verbindung zwischen einem vorderen Ende 11 des Übersetzungshebel 5 und dem Lastaufnehmer 2 erfolgt durch ein ebenfalls im Metallblock integriertes Koppelelement 12. Dieses Koppelelement 12 ist durch ein Biegefedergelenk 13 mit dem Ende 11 gelenkig verbunden und durch ein weiteres Biegefedergelenk 14 mit dem unteren Teil des Lastaufnehmers 2.
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In der Mitte des Koppelelements 12 befindet sich ein weiteres Biegefedergelenk 15, das senkrecht zu den beiden anderen Biegefedergelenken 13 und 14 liegt, sodass eine Entkoppelung zwischen Lastaufnehmer 2 und Übersetzungshebel 5 in beiden Richtungen erreicht wird.
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Zur Komplettierung des Wägeaufnehmers muss noch eine Spule (siehe Spulenmittelpunkt 16) von unten am Übersetzungshebel 5 befestigt werden und ein zylinderförmiger Permanentmagnet von unten her in eine dafür vorgesehene Öffnung 17 (siehe 2) eingeschoben und dort befestigt werden.
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In den Übersetzungshebel 5 ist auch ein Schlitz 37 einer optischen Lagenabtastung eingearbeitet. Für eine Leuchtdiode der optischen Lagenabtastung ist ein rundes Loch 20 in einem Vorsprung 21 am Träger 1 vorgesehen, sowie ein Loch 19 auf der gegenüberliegenden Seite des Vorsprungs 21 für eine Differenzfotodiode der optischen Lagenabtastung.
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Ein breiter Schlitz 22 am Ende des Übersetzungshebels 5 dient zur Begrenzung der Bewegung des Übersetzungshebels 5. Ein exzentrisch im Vorsprung 21 gelagerter, waagrechter und nicht dargestellter Stift greift durch diesen Schlitz 22 hindurch und begrenzt die Bewegung des Übersetzungshebel 5 auf die Differenz zwischen der Schlitzbreite und dem Durchmesser des Stiftes.
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Ebenfalls einstückig aus dem Grundkörper 100 herausgefräst ist eine Vorrichtung zum Reduzieren der Effekte bei außermittigen Belastungen . Ein Befestigungspunkt 23 des oberen Arms 3, 3' ist hierbei durch zwei waagrechte Arme 24 und 25, welche eine Parallelogrammführung bilden, mit dem restlichen Träger 1 verbunden.
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Durch einen Schlitz 38 ist der Befestigungspunkt 23 dabei vom restlichen Träger 1 getrennt. Der Bereich des Befestigungspunkts 23 stützt sich über einen senkrechten Steg 26 und einen Ecklasteistellhebel 27 auf einem fest mit dem Träger 1 verbundenen Bereich 28 ab.
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Durch den seitlichen Versatz von Biegefedergelenken 32, 33 führt eine Verkippung des Ecklasteinstellhebels 27 zu einer geringen senkrechten Bewegung des Befestigungspunktes 23 für die oberen Arme 3, 3'. Durch eine Verstellung des senkrechten Abstandes der Arme 3, 3', 4 und 4' im Bereich ihres trägerseitigen Befestigungspunktes ist eine Justierung der von ihnen gebildeten Parallelogrammführung in Bezug auf Ecklastfreiheit möglich.
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In 3 ist der Grundkörper 100 sehr stark stilisiert und vereinfacht wiedergegeben.
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Dargestellt ist auch ein Behälter 102, in welchem eine chemische Lösung, hier eine ätzende Lösung 104, enthalten ist.
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Ein Beispiel für eine ätzende Lösung ist 20%-NaOH-Lösung (wässrige Natronlauge).
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Der Grundkörper 100 wird nach dem bearbeiten, insbesondere Fräsen, i.d.R. gewaschen und entfettet, ohne dass er weiter mechanisch bearbeitet wird, anschließend kann er von einem Greifer 106 vollautomatisch in die Lösung 104 eingetaucht werden, entweder teilweise oder vollständig.
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Die chemische Lösung 104 ist auf über 20°C, vorzugsweise auf einen Bereich von 40°C bis 70°C erwärmt, während der Grundkörper 100 in sie eingetaucht ist.
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Die Zeit, in der der Grundkörper 100 in der Lösung ist und aufgrund der Lösung einen Flächenabtrag erfährt, schwankt je nachdem, welche chemische Lösung gewählt wird und wieviel Abtrag gewünscht ist.
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Insbesondere sollte an den Flachseiten 120, 122 der Biegefedergelenke 30, 40 jeweils ein Materialabtrag von 2 bis 50 µm erfolgen.
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Um die chemische Lösung in alle Bereiche des Grundkörpers 100 strömen zu lassen, kann eine Pumpe 114 vorgesehen sein, welche eine Strömung im Inneren des Behälters 102 erzeugt. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich.
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Üblicherweise, so hat sich herausgestellt, sollte der Grundkörper 100 wenigstens 1 Minute, insbesondere wenigstens 10 Minuten, in der chemischen Lösung 20%NaOH bei erhöhten Temperaturen eingetaucht sein, um eine ausreichende Oberflächenbearbeitung erfahren zu haben.
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Beim Eintauchen kann nur ein Teil des Grundkörpers 100 in die chemische Lösung 104 gelangen, sodass es auch möglich ist, ein zusätzliches Bauteil wie beispielsweise die Spule bereits am Grundkörper 100 zu montieren, wenn dieser abschnittsweise in die Lösung eingetaucht wird.
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Sind z. B. Gewinde bereits geschnitten, was der Fall sein sollte, können diese abgedeckt werden, beispielsweise über einen Stopfen, damit keine chemische Lösung in sie eindringt.
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Es kann auch von Vorteil sein, wenn z. B. die Biegefedergelenke unterschiedlich stark durch die chemische Lösung bearbeitet werden, beispielsweise die Biegefedergelenke 30 und 40. Dann wird der Grundkörper 100 zuerst nur teilweise in die Lösung 104, nämlich im Bereich der Biegefedergelenke 40 getaucht. Der Greifer 106 verharrt dann in dieser Position für eine bestimmte Zeitdauer, bevor schließlich auch die Biegefedergelenke 30 eingetaucht werden.
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Nach dem Herausziehen des Grundkörper 100 aus der chemischen Lösung muss der Grundkörper 100 dekapiert werden, z. B. entweder in eine andere Lösung eingetaucht werden, um die ätzende Lösung abzuspülen, oder abgesprüht werden, um den Ätzprozess zu stoppen.
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Eine nachfolgende mechanische Bearbeitung findet vorzugsweise nicht mehr statt.
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Jedoch wird der Grundkörper 100 nach dem Abspülen bei erhöhten Temperaturen von über 50 °C zum Beispiel über einen Zeitraum von 20-60 Minuten getrocknet, wodurch zusätzlich innere Spannungen im Material reduziert werden.
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Auch wenn vorliegend nur die Biegefedergelenke 30 und 40 bezüglich der Bearbeitung durch die chemische Lösung 104 beschrieben wurden, versteht es sich, dass natürlich auch alle anderen oder einige der anderen beschriebenen Biegegelenke und deren Arme ebenfalls so bearbeitet werden können.
