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Die Erfindung betrifft einen Werkstoffverbund aus
einem faserverstärkten
Werkstoff und einem weiteren Werkstoff, wobei die Größe des thermischen Ausdehnungskoeffizienten αC/C des
faserverstärkten Werkstoffs
(1) richtungsabhängig
ist und von der bevorzugten Orientierung (5) der Fasern
(3) abhängt. Die
Erfindung betrifft außerdem
eine Anode für
eine Röntgenröhre, in
der ein solcher Werkstoffverbund eingesetzt wird.
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Werkstoffverbunde werden eingesetzt,
um vorteilhafte mechanische oder physikalische Eigenschaften einzelner
Werkstoffe in einem gemeinsamen Werkstück vereinen zu können. Die
einzelnen Werkstoffe können
dabei verschiedenster Art sein, es kann sich z.B. um Naturwerkstoffe
wie Holz, um Baustoffe wie Zement oder um Materialien wie Kunststoffe
handeln. Außerdem
können
auch Verbundwerkstoffe verwendet werden, z.B. mit Stahlgittern verstärkter Beton,
sogenannter Stahlbeton, mit Geweben verstärkte Folien oder faserverstärkte Werkstoffe,
z.B. glasfaser-verstärkter
Kunststoff oder kohlefaserverstärktes
Graphit. Auch faserverstärkte
Werkstoffe machen sich eine Kombination der verschiedenen Vorzüge der Materialien,
aus denen sie bestehen, zunutze. Z.B. wird durch eine hohe Reißdehnung
der Fasern die Reißdehnung
des faserverstärkten
Werkstoffs in Richtung der Faserorientierung erhöht. Analog kann z.B. eine hohe
Elastizität
erzielt werden. Faserverstärkte
Werkstoffe verbinden derartige Vorteile der Fasern mit den Vorteilen
des sonstigen Werkstoffes, z.B. dessen geringem Gewicht. Die physikalischen
und mechanischen Eigenschaften faserverstärkter Werkstoffe, wie Bruchdehnung,
Reißdehnung,
Wärmeleitfähigkeit,
Ausdehnungskoeffizient oder elektrische Leitfähigkeit, variieren richtungsabhängig und
hängen
von der Faserorientierung ab.
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Werkstoffverbunde werden z.B. in
der Luft- und Raumfahrt eingesetzt, wo außerordentlich widerstandsfähige und
elastische Strukturen bei gleichzeitig möglichst geringem Gewicht benötigt werden.
Sie werden auch beim Bau von Gebäuden
und Brücken eingesetzt,
wo mit möglichst
kostensparenden Materialien statisch hoch belastbare und außerdem langzeitstabile
Konstruktionen erforderlich sind. Zur Kombination verschiedener
elektrischer Eigenschaften werden Werkstoffverbunde bei der Fertigung
elektrischer Leiterplatten aus Isolatoren und Leitern eingesetzt.
Ein weiteres Beispiel ist die Verwendung von Werkstoffverbunden
in Anoden für
Röntgenröhren, um
eine Kombination günstiger
mechanischer Eigenschaften, z.B. geringes Gewicht und hohe Stabilität, und physikalischer
Eigenschaften, z.B. hohe Wärmeleitfähigkeit
und geeigneter thermischer Ausdehnungskoeffizient, zu erzielen.
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Je nach Einsatzgebiet werden Werkstoffverbunde
außerordentlich
starken thermischen Belastungen unterworfen. Dabei tritt das besondere
Problem auf, dass die im Verbund zusammengeschlossenen Werkstoffe
unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen können, die
vor allem bei wechselnden Temperaturen zu großen mechanischen Spannungen
zwischen den verbundenen Werkstoffen führen. Die Spannungen können zum Verziehen
des Werkstücks,
zu Rissen, Abplatzungen oder zur Ablösung verbundener Werkstoffe
führen. Derartige
thermische Probleme können
auch bereits im Herstellungsprozess auftreten, wenn dieser mit wechselnden,
möglicherweise
sehr hohen Temperaturen einhergeht. So kann es z.B. passieren, dass
bei thermisch unterstützten
Beschichtungsprozessen erst gar keine Schichthaftung zwischen den
Werkstoffen erzielbar ist und damit kein Werkstoffverbund zustande
kommt.
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Die beschriebene Problematik kommt
in besonders ausgeprägter
Weise bei Anoden für
Röntgenröhren zum
Tragen. Diese werden mit Elektronen aus der Kathode der Röntgenröhre beschossen
und erzeugen aus der kinetischen Energie der auftreffenden Elektronen
Röntgenstrahlung.
Dabei wird die Anode durch den Elektronenbeschuss stark erhitzt.
Um die thermische Belastung auf der Oberfläche der Anode zu verteilen,
werden üblicherweise
rotierende Anoden eingesetzt, bei denen durch die Rotation anstelle
eines Brennflecks eine kreisrunde Brennbahn auf der Oberfläche der
Anode zur Erzeugung der Röntgenstrahlung
genutzt wird. Die Anode wird durch eine Welle rotiert, die normalerweise
aus einem wärmefesten
Material, z.B. Molybdän.
Auf der Welle sitzt ein Anodenteller, der z.B. ebenfalls aus Molybdän oder aus
Graphit bestehen kann, und der einen zur Erzeugung von Röntgenstrahlung
geeigneten Brennbahnbelag trägt.
Dieser kann z.B. aus Wolfram oder aus einer Wolfram-Rhenium-Legierung
bestehen. Alternativ kann auch der Anodenteller aus demselben Material
wie der Brennbahnbelag bestehen und diesen als integralen Bestandteil
enthalten. Die Verwendung von Anodentellern aus Graphit bringt den
Vorteil mit sich, dass die am Brennbahnbelag entstehende Wärme durch
die große
Wärmekapazität und -leitfähigkeit
von Graphit gut verteilt und abtransportiert und durch dessen Wärmeabstrahleigenschaften
gut abgestrahlt werden kann.
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Neben der thermischen Beanspruchung
sind Röntgenröhren-Anoden
einer starken mechanischen Belastung ausgesetzt. Die Anode, also
Brennbahn, Anode und Welle, rotiert üblicherweise mit einer Drehzahl
von knapp 3000 U/min, was eine ausgesprochen präzise und stabile Lagerung der
Welle erforderlich macht. Um den Verschleiß in der Lagerung der Welle
gering zu halten, sind leichte Anodenteller von Vorteil. Hier weist
Graphit wegen seines geringeren spezifischen Gewichts Vorteile gegenüber Metallen
wie Molybdän
oder Wolfram auf. Die mechanische Belastung der Drehlagerung vervielfacht
sich noch beim Einsatz der Röntgenröhre in Computer-Tomographen
(CT), in denen die Röntgenröhre mit
Drehzahlen von mehr als 100/min. um den Patienten herum rotiert.
Je nach Anordnung der Anode bzw. der Welle treten hier zusätzlich mechanische hoch
belastende Fliehkräfte
und Coriolis-Kräfte
auf.
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Bei der erhöhten mechanischen Belastungen
infolge der Rotation der Anode selbst sowie der gesamten Röntgenröhre im CT
und der erhöhten thermischen
Belastung bei kurzzeitigen, extremen Steigerungen der Röntgenleistung
vor allem in CT-Anwendungen wird die Stabilität von Anodenteller aus Graphit
zunehmend kritisch. Zudem geht die vorherrschende Tendenz noch hin
zu einer weiteren Erhöhung
der CT-Rotations-Geschwindigkeiten. Die infolge dessen erforderliche
Verkürzung
der Einzelbildzeiten wiederum bedingt eine weitere Steigerung der
kurzzeitige Leistung und damit eine weitere Erhöhung der thermischen Belastung.
Es werden also zukünftig
noch belastungsfähigere
Materialien benötigt als
heute bereits der Fall ist.
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Ein Material, das eine hohe thermische
Belastbarkeit, ein geringes Gewicht und hervorragende mechanische
Eigenschaften aufweist, ist kohlefaser-verstärkter Graphit. Dieses Material
wäre daher ein
idealer Werkstoff für
einen Werkstoffverbund mit je nach Anwendung zu auszuwählenden
weiteren Werkstoffen. Insbesondere wäre Graphit auch ein idealer
Werkstoff für
einen Werkstoffverbund zur Anwendung in Röntgen-Anoden. Aufgrund unterschiedlicher
thermischer Ausdehnungskoeffizienten gelang es bisher jedoch nicht,
einen stabilen Werkstoffverbund zwischen kohlefaserverstärktem Graphit
und dem Brennbahnbelag, der aus einem Übergangsmetall wie Wolfram
besteht, auch nur herzustellen geschweige denn zum Einsatz zu bringen.
Sinngemäß das gleiche
gilt für
viele andere faserverstärkte
Werkstoffe, die mit weiteren Werkstoffen verbunden werden sollen,
und die sich entweder bereits in der Herstellung oder aber in der
späteren
Anwendung als nicht ausreichend stabil erweisen. Damit können die Vorteile,
die sich aus einem Verbund von faserverstärkten Werkstoffen mit weiteren
Werkstoffen ergeben würden,
bislang häufig
nicht genutzt werden.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht
darin, einen Werkstoffverbund aus einem faserverstärkten Werkstoff
und einem weiteren Werkstoff anzugeben, der unter thermischer Belastung
mechanisch stabil bleibt. Insbesondere ist es die Aufgabe der Er findung,
eine Anode für
eine Röntgenröhre anzugeben, bei
der ein Werkstoffverbund zwischen einem Anodenteller aus kohlefaserverstärktem Graphit
sowie einem Brennbahnbelag aus einem Refraktärmetall eingesetzt wird, die
ihre mechanische Stabilität
bei thermischen Belastungen nicht verliert.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Werkstoffverbund
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Ein Grundgedanke der Erfindung besteht
darin, sich den Einfluss der Fasern in faserverstärkten Werkstoffen
auf den thermischen Ausdehnungskoeffizienten solcher Werkstoff zunutze
zu machen. Der Einfluss der Fasern, die in solchen Werkstoffen eine bevorzugte
Orientierung aufweisen, auf den thermischen Ausdehnungskoeffizienten überwiegt
in Richtung parallel zu der bevorzugten Orientierung, während in
Richtungen senkrecht dazu der Einfluss des Materials überwiegt,
in das die Fasern eingebettet sind. Je nach verwendeten Fasern und
Materialien stellt sich also ein thermischer Ausdehnungskoeffizient
des Verbundwerkstoffs ein, der in Richtung parallel oder in Richtung
senkrecht zur Faserorientierung Extremwerte annimmt .
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass
der thermische Ausdehnungskoeffizient in Richtungen, die zwischen
dem parallelen oder senkrechten Winkel zur Faserorientierung liegen,
Zwischenwerte zwischen den zugehörigen
Extremwerten des Ausdehnungskoeffizienten annimmt. Die Erfindung macht
sich dies zunutze, indem die Orientierung der Fasern des faserverstärkten Werkstoffs
so eingestellt wird, dass sich entlang der Verbindung zu dem weiteren
Werkstoff ein thermischer Ausdehnungskoeffizient ergibt, der demjenigen
des weiteren Werkstoffs entspricht. Dadurch wird der Vorteil erreicht,
dass ein auch bei thermischen Belastungen stabiler Werkstoffverbund
zwischen den beiden Werkstoffen geschaffen wird, ohne ungewünschte Veränderungen der
Werkstoffe vornehmen oder Haftvermittlungsstoffe einsetzen zu müssen. Dadurch
ergibt sich der weitere Vorteil, dass die Werkstoffe ohne zusätzliche Prozessschritte,
wie z.B. das Aufbringen von Haftvermittlungsschichten, unaufwändig miteinander
verbunden werden können.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der
Erfindung beruht auf der weiteren Erkenntnis, dass auch die Wärmeleitfähigkeit
faserverstärkter
Werkstoffe richtungsabhängig
ist und von der Orientierung der Fasern abhängt. Die Erfindung macht sich
dies zunutze, indem die bevorzugte Orientierung der Fasern so eingestellt
wird, dass Wärme
gezielt in bestimmte Richtungen abgeleitet werden kann, z.B. von
einem zu kühlenden
Bauteil weg. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass neben den hervorragenden
mechanischen Eigenschaften bei thermischen Belastungen gleichzeitig
auch die Wärmeleitungs-Eigenschaften positiv
beeinflusst und gesteuert werden können. Durch die gezielte Steuerung
des Wärmeabtransports
können
zusätzliche
Maßnahmen
zur Kühlung überflüssig gemacht
werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
werden nachfolgend anhand von Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
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1 herkömmlicher
Werkstoffverbund am Beispiel einer Röntgenröhren-Anode,
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2 Werkstoffverbund
gemäß der Erfindung
am Beispiel einer Röntgenröhren-Anode,
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3 Werkstoffverbund
gemäß einer
Variante der Erfindung am Beispiel einer Röntgenröhren-Anode.
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1 zeigt
einen Werkstoffverbund gemäß Stand
der Technik am Beispiel einer Anode für eine Röntgenröhre. Die Anode basiert auf
einem Anodenteller 15, auf den ein Brennbahnbelag
13 aufgebracht ist.
Der Brennbahnbelag 13 besteht aus einer zur Erzeugung von
Röntgenstrahlen
geeigneten Refraktärmetall-Legierung 2,
die einen thermischen Ausdehnungskoeffizient αA aufweist.
Der Anodenteller 15 besteht aus einem faserverstärkten Werkstoff 1,
dessen Fasern 3 eine bevorzugte Orientierung 5 aufweisen. Der
thermische Ausdehnungskoeffizient des faserverstärkten Werkstoffs 1 ist
richtungsabhängig
und hängt
von der bevorzugten Orientierung 5 der Fasern 3 ab.
Die bevorzugte Orientierung der Fasern 3 weist in Längsrichtung
des Anodentellers 15, wie es z.B. bei einem Abschnitt von
Rohrmaterial aus dem faserverstärkten
Werkstoff 1 der Fall wäre.
Die bevorzugte Orientierung der Fasern 3 bewirkt, dass
der thermische Ausdehnungskoeffizient des faserverstärkten Werkstoffs 1 in
Richtung dieser bevorzugten Orientierung 5 sich von dem
thermischen Ausdehnungskoeffizienten senkrecht dazu αC/C unterscheidet.
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Anodenteller 15 und Brennbahnbelag 13 sind
auf einer Welle 11 befestigt, durch die sie in Rotation
versetzt werden. Die Verbindung zwischen Anodenteller 15 und
Brennbahnbelag 13 ist senkrecht zur Welle 11 orientiert
und auch die thermischen Ausdehnungskoeffizienten αA, αC/C sind
in dieser Richtung eingezeichnet. Die unterschiedliche Länge der Pfeile
soll dabei die unterschiedliche Größe der Ausdehnungskoeffizienten
wiedergeben. Diese hat zur Folge, dass sich der Anodenteller 15 bei
thermischer Belastung stärker
ausdehnt als der Brennbahnbelag 13. Dieser Ausdehnungs-Unterschied
ist bei herkömmlichen
Werkstoffverbunden so groß,
dass der Brennbahnbelag 13 bei thermischer Belastung vom Anodenteller 15 abplatzen,
abreißen
oder sich lösen würde, was
in der 1 am rechten
Rand des Anodentellers 15 durch den Spalt 4 angedeutet
ist. Daher erweist sich für
eine solche Anode bislang bereits ein Herstellungsprozess, bei dem
thermische Belastungen auftreten, als nicht realisierbar, geschweige
denn ein Einsatz in einer Röntgenröhre.
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2 zeigt
eine Anode gemäß Erfindung. Die
Anode weist grundsätzlich
den gleichen Aufbau wie die in 1 beschriebene
Anode mit Welle 11, Anodenteller 15 und Brennbahnbelag 13 auf.
Die Fasern 3 des faserverstärkten Werkstoffs 1 sind
jedoch anders orientiert. Für
die Darstellung in 2 wurde vorausgesetzt,
dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Werkstoffs 1 in
Richtung der bevorzugten Orientierung 5 der Fasern 3 nahezu
verschwindend gering ist. Dies muss nicht zwingend der Fall sein,
trifft jedoch für
kohlefaserverstärktes
Graphit zu. Unter dieser Annahme bedeutet eine Änderung der bevorzugten Orientierung 5,
dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Anodentellers 15 entlang
der Verbindung zum Brennbahnbelag 13 kleiner wird. Gemäß der Erfindung
wird die bevorzugte Orientierung 5 der Fasern 3 so
gedreht, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient des Anodentellers 15 in
der fraglichen Richtung demjenigen des Brennbahnbelags 13 gleicht.
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Dies ist in 2 dadurch angedeutet, dass die bevorzugte
Orientierung 5 um den Winkel γ gedreht wurde. Der Winkel γ ist so gewählt, dass
die Projektion des thermischen Ausdehnungskoeffizienten αC/C des
Anodentellers auf die Richtung der Verbindung zwischen Anodenteller 15 und
Brennbahnbelag 13 gerade dem thermischen Ausdehnungskoeffizient αA des
Brennbahnbelags entspricht. Mathematisch lässt sich dieses Verhältnis mit
dem Kathetensatz so ausdrücken,
dass für
den Drehwinkel γ gilt: cos γ = αa : αc/c.
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Diese mathematische Gleichung muss
den geeigneten Drehwinkel γ nicht
für alle
faserverstärkten
Werkstoffe 1 korrekt wiedergeben, vermittelt jedoch den
Grundgedanken der Erfindung in anschaulicher Weise.
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Die dargestellte Anode soll zum einen
ein möglichst
geringes Gewicht, zum anderen eine hohe thermische Belastbarkeit
auf weisen, um für
CT-Anwendungen geeignet zu sein. Ein leichter faserverstärkter Werkstoff 1 mit
hervorragenden mechanischen Eigenschaften zur Verwendung als Anodenteller 15 ist
kohlefaserverstärktes
Graphit. Als Werkstoff 2 für den Brennbahnbelag 13 müssen Materialien verwendet
werden, die zur Erzeugung von Röntgenstrahlen
geeignet sind, z.B. Wolfram oder Wolfram-Rhenium-Legierungen. Eine thermisch
belastbare Verbindung zwischen diesen beiden Werkstoffen ist nur
bei Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten in der geschilderten
Art und Weise herstellbar.
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Bei der Herstellung des Verbundes
zwischen Brennbahnbelag 13 und Anodenteller 15 werden
Beschichtungsprozesse zum Aufbringen des Belags, z.B. Vakuum-Plasmaspritzen,
oder Lötprozesse
zum Verbinden der Verbund-Partner eingesetzt. Bei diesen Prozessen
wird die Verbindung zwischen den beiden Werkstoffen auch durch thermische
Aktivierung erzeugt. Sind die thermischen Ausdehnungskoeffizienten
nicht angepasst, so erweist sich schon das Herstellen der Verbindung
als unmöglich.
Unter Ausnutzung der Erfindung gelingt es, die thermischen Ausdehnungskoeffizienten
so anzupassen, dass nicht nur der Beschichtungsprozess oder Verbindungsprozess,
sondern auch der spätere
Einsatz des Verbundes als thermisch belastbare Röntgen-Anode möglich werden.
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Die Fasern 3 müssen nicht
unbedingt in der in 2 dargestellten
Richtung 5 orientiert sein. Statt einer Drehung um den
Winkel γ gegen
den Uhrzeigersinn können
sie auch um denselben Winkel γ mit dem
Gegenuhrzeigersinn gedreht werden. Welche der beiden möglichen
Orientierungen gewählt
wird, beeinflusst die thermischen Eigenschaften des faserverstärkten Werkstoffs 1.
Ebenso wie der thermische Ausdehnungskoeffizient ist nämlich normalerweise auch
die thermische Leitfähigkeit
von der bevorzugten Orientierung 5 der Fasern 3 abhängig. Normalerweise
ist sie in Richtung der bevorzugten Orientierung 5 besonders
groß,
das so heißt
Wärme kann
in diese Richtung besonders gut transportiert werden. In 2 ist die bevorzugte Orientierung 5 so
dargestellt, dass Wärme,
die auf der Brennbahn 13 entsteht, durch den Anodenteller 15 zu
dessen Außenseite
hin abgeleitet wird. Von den Rändern
des Anodentellers 15 wird nicht zuletzt aufgrund der guten Abstrahleigenschaften
von Graphit ein große
Menge an Wärme
nach außen
abgestrahlt. Der große
abgestrahlte Wärmefluss
macht zusätzliche
Kühlungsmaßnahmen überflüssig. Gleichzeitig
wird durch die Abstrahlung der Wärme über den
Tellerrand das Lagersystem der Welle 11 vor einem zu großen Wärmeeintrag
geschützt.
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3 zeigt
eine Variante des Werkstoffverbundes gemäß der Erfindung am Beispiel
eines Anodentellers, wie er grundsätzlich bereits in 2 beschrieben wurde. Der
faserverstärkte
Werkstoff 1 ist nun aber dahingehend modifiziert, dass
die Ausrichtung der Fasern 3 nicht durch den ganzen Anodenteller 15 hindurch
gleich orientiert ist. Statt dessen sind sie in einem Bereich 7 nahe
der Brennbahn 13 so ausgerichtet, dass sich dort – wie bereits
in 2 geschildert – ein geeigneter
thermischer Ausdehnungskoeffizient entlang der Verbindung zwischen
Anodenteller 15 und Brennbahn 13 einstellt. In
einem weiteren Bereich 9, der nicht nahe der Verbindung
zur Brennbahn 13 gelegen ist, sind die Fasern 3 jedoch anders
orientiert. Damit stellt sich im Bereich 9 auch ein anderer
thermischer Ausdehnungskoeffizient als im Bereich 7 ein,
der gegebenenfalls unter anderen Gesichtspunkten optimiert sein
kann, z.B. in Anpassung an die Welle 11. Außerdem kann
durch die Ausrichtung der Fasern 3 im Bereich 9 die
Wärme in
eine andere Richtung geleitet werden als im Bereich 7.
So kann gegebenenfalls eine unabhängige Optimierung des thermischen
Ausdehnungskoeffizienten im Bereich 7 und der Wärmeleitungs-Richtung im Bereich 9 vorgenommen
werden.