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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung betrifft allgemein das Gebiet des Verbindens von Metallen und spezieller ein Verfahren zum Aufbringen von Metall unter Verwendung einer Laserwärmequelle.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Schweißprozesse variieren in Abhängigkeit vom Typ des Materials, welches geschweißt wird, beträchtlich. Einige Materialien können unter vielerlei Bedingungen leichter geschweißt werden, während andere Materialien spezielle Prozesse erfordern, um eine strukturell einwandfreie Verbindung ohne Schädigung des umgebenden Substratmaterials zu erzielen.
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Beim üblichen Lichtbogenschweißen wird eine abschmelzbare Elektrode als das zugeführte Material verwendet. Um für das geschmolzene Material im Schweißbad einen Schutz vor der Atmosphäre zu gewährleisten, kann beim Schweißen vieler Legierungen, darunter z. B. von Stählen, Edelstählen und nickelbasierten Legierungen, ein inertes Schutzgas oder ein Flussmittel verwendet werden. Zu den Verfahren des Inertgas- oder kombinierten Inert- und Aktivgasschweißens gehören Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen (Gas Tungsten Arc Welding, GTAW) (auch bekannt als Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG-Schweißen)) und Gas-Metall-Lichtbogenschweißen (Gas Metal Arc Welding, GMAW) (auch bekannt als Metall-Inertgas-Schweißen (MIG-Schweißen)). Zu den Verfahren mit Flussmittelschutz gehören Unterpulverschweißen (Submerged Arc Welding, SAW), bei dem Flussmittel auf übliche Weise zugeführt wird, Fülldraht-Lichtbogenschweißen (Flux Cored Arc Welding, FCAW), bei dem das Flussmittel im Kern der Elektrode enthalten ist, und Lichtbogenhandschweißen (Shielded Metal Arc Welding, bei dem das Flussmittel eine Schicht auf der Außenseite der Schweißelektrode bildet.
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Die Verwendung von Energiestrahlen als Wärmequelle für das Schweißen ist ebenfalls bekannt. Zum Beispiel wird Laserenergie verwendet, um zuvor aufgebrachtes Edelstahlpulver auf einem Kohlenstoffstahlsubstrat mit pulverisiertem Flussmittel, das eine Abschirmung des Schmelzebades gewährleistet, zu schmelzen. Das Flussmittelpulver kann mit dem Edelstahlpulver gemischt oder als eine separate Schutzschicht aufgebracht werden. Soweit den Erfindern bekannt ist, sind Flussmittel noch nicht beim Schweißen von Superlegierungsmaterialien verwendet worden.
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Es ist bekannt, dass Superlegierungsmaterialien infolge ihrer Anfälligkeit gegenüber Rissbildung bei der Schweißverfestigung und gegenüber Spannungs-Anlassrissigkeit zu den am schwersten schweißbaren Materialien gehören. Der Begriff „Superlegierung” wird hier in dem Sinne verwendet, wie es in der Technik allgemein üblich ist, d. h. für eine hochkorrosionsbeständige und hochoxidationsbeständige Legierung, welche eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit und Kriechfestigkeit bei hohen Temperaturen aufweist. Superlegierungen enthalten typischerweise einen hohen Anteil an Nickel oder Cobalt. Zu den Beispielen von Superlegierungen gehören Legierungen, die unter den Warenzeichen und Markennamen Hastelloy, Inconel-Legierungen (z. B. IN 738, IN 792, IN 939), Rene-Legierungen (z. B. Rene N5, Rene 80, Rene 142), Haynes-Legierungen, Mar M, CM 247, CM 247 LC, C263, 718, X-750, ECY 768, 282, X45, PWA 1483 und CMSX (z. B. CMSX-4) Einkristalllegierungen vertrieben werden.
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Die Schweißreparatur einiger Superlegierungsmaterialien wurde erfolgreich durchgeführt, indem das Material auf eine sehr hohe Temperatur vorgewärmt wurde (zum Beispiel auf über 1600°F oder 870°C), um die Verformbarkeit des Materials während der Reparatur wesentlich zu erhöhen. Dieses technische Verfahren wird als Hot-Box-Schweißen oder Superlegierungsschweißen bei erhöhter Temperatur (Superalloy Welding at Elevated Temperature, SWET) bezeichnet und wird gewöhnlich unter Anwendung eines manuellen GTAW-Prozesses durchgeführt. Das Hot-Box-Schweißen wird jedoch durch die Schwierigkeit, eine gleichmäßige Temperatur der Bearbeitungsfläche der Komponente aufrechtzuerhalten, und die Schwierigkeit, eine vollständige Inertgasabschirmung aufrechtzuerhalten, eingeschränkt, sowie durch physische Schwierigkeiten, die für den Schweißer entstehen, der bei so extremen Temperaturen in der Nähe einer Komponente arbeitet.
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Einige Schweißanwendungen für Superlegierungsmaterial können unter Verwendung einer Kühlplatte ausgeführt werden, um die Erwärmung des Substratmaterials zu begrenzen, wodurch das Auftreten von Wärmeeinflüssen und Spannungen im Substrat, die Rissbildungsprobleme verursachen, begrenzt wird. Diese Technik ist jedoch für viele Reparaturanwendungen, bei denen die Geometrie der Teile die Verwendung einer Kühlplatte nicht ermöglicht, nicht praktikabel.
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11 ist auf den Stand der Technik bezogenes Diagramm, das die relative Schweißbarkeit verschiedener Legierungen in Abhängigkeit von ihrem Aluminium- und Titangehalt veranschaulicht. Legierungen wie etwa Inconel® 718, welche vergleichsweise geringere Konzentrationen an diesen Elementen und demzufolge einen vergleichsweise geringeren Gamma-Strich-Gehalt aufweisen, werden als relativ gut schweißbar angesehen, obwohl dieses Schweißen im Allgemeinen auf spannungsarme Bereiche einer Komponente begrenzt ist. Legierungen wie etwa Inconel® 939, welche vergleichsweise höhere Konzentrationen an diesen Elementen aufweisen, werden im Allgemeinen nicht als schweißbar angesehen, oder sie können nur mit den oben erläuterten speziellen Verfahren geschweißt werden, welche die Temperatur/Verformbarkeit des Materials erhöhen und welche den Wärmeeintrag des Prozesses minimieren. Für die Zwecke der Erläuterung bezeichnet eine gestrichelte Linie 80 hier eine Grenze zwischen einem Bereich der Schweißbarkeit unterhalb der Linie 80 und einem Bereich der Nicht-Schweißbarkeit oberhalb der Linie 80. Die Linie 80 schneidet 3 Gew.-% Aluminium auf der vertikalen Achse und 6 Gew.-% Titan auf der horizontalen Achse. Innerhalb des Bereichs der Nicht-Schweißbarkeit erweisen sich im Allgemeinen die Legierungen mit dem höchsten Aluminiumgehalt als am schwersten schweißbar.
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Es ist außerdem bekannt, selektives Laserschmelzen (Selective Laser Melting, SLM) oder selektives Lasersintern (Selective Laser Sintering, SLS) anzuwenden, um eine dünne Schicht von Legierungspulverpartikeln auf ein Legierungssubstrat aufzuschmelzen. Das Schmelzebad wird durch Zuführung eines Inertgases, wie etwa Argon, während der Lasererwärmung von der Atmosphäre abgeschirmt. Diese Prozesse werden oft in einer „Vollbad”-Kammer durchgeführt, in welcher eine zu reparierende Komponente in ein die Kammer ausfüllendes pulverisiertes Metall eingetaucht wird. Dementsprechend wird eine große Menge an nicht verbrauchter pulverisierter Metalllegierung benötigt, was extrem teuer sein kann. Solche Prozesse wurden auf Superlegierungen nicht mit Erfolg angewendet.
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Für einige Superlegierungsmaterialien im Bereich der Nichtschweißbarkeit ist kein akzeptabler Schweiß- oder Reparaturprozess bekannt. Ferner wird, da immer mehr neue und einen höheren Legierungsgehalt aufweisende Superlegierungen entwickelt werden, die Notwendigkeit, kommerziell nutzbare Verbindungsprozesse für Superlegierungsmaterialien zu entwickeln, immer größer.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert, welche zeigen:
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1 ist eine Draufsicht im Schnitt eines Schaufelblatts einer Turbine oder einer Leitschaufel einer Turbinenmaschine, die identifizierte geschädigte Bereiche auf dem Schaufelblattsubstrat aufweist.
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2 ist eine schematische Schnittansicht eines Substrats, das für eine Reparatur eines geschädigten Bereichs des Substrats unter Verwendung eines schmelzbaren Zusatzwerkstoffs vorgesehen ist.
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3 ist eine schematische Schnittansicht des Substrats von 2, wobei ein Laserenergiestrahl auf die Reparaturöffnung gerichtet ist, um den pulverisierten Zusatzwerkstoff zu schmelzen.
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4 ist eine schematische Schnittansicht eines für eine Reparatur vorgesehenen Substrats, das eine Schicht Flussmittel über dem pulverisierten Zusatzwerkstoff an der Reparaturöffnung aufweist, und die eine Schlackenschicht zeigt, die über einer Reparatur-Auftragsschweißschicht ausgebildet ist.
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5 ist eine schematische Darstellung eines für eine Reparatur vorgesehenen Substrats, das einen pulverisierten Zusatzwerkstoff mit einer Mischung aus einer pulverisierten Metalllegierung und einem pulverisierten Flussmittel aufweist.
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6A ist eine schematische Schnittansicht eines Schaufelblatts mit einem Einsatz, der einen pulverisierten Zusatzwerkstoff in einer Reparaturöffnung stützt.
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6B ist eine Schnittansicht des Schaufelblatts mit Einsatz und Zusatzwerkstoff entlang der Linien 6B-6B von 6A.
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7A–7C sind eine schematische Draufsicht eines für eine Reparatur vorgesehenen geschädigten Bereichs eines Substrats und eine schematischen Darstellung eines Laserenergiestrahls, dessen Abmessungen sich entsprechend einer geometrischen Form der Reparaturöffnung ändern.
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8A–8C sind eine schematische Draufsicht eines für eine Reparatur vorgesehenen geschädigten Bereichs eines Substrats, das eine Maske aufweist, die sich auf dem Substrat befindet und die Reparaturöffnung umgibt.
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9 veranschaulicht ein Energiestrahlen-Überlappungsmuster.
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10 ist ein Flussdiagramm, welches Schritte eines Verfahrens zur Reparatur eines Metallsubstrats zeigt.
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11 ist ein auf den Stand der Technik bezogenes Diagramm, das die relative Schweißbarkeit verschiedener Superlegierungen veranschaulicht.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben einen Prozess oder ein Verfahren zur Reparatur eines Substrats einer Komponente unter Verwendung eines pulverisierten Zusatzwerkstoffs, welcher erwärmt, geschmolzenen und verfestigt werden kann, entwickelt. Dieses Verfahren nutzt ein Merkmal der Komponente, welche innere Hohlräume aufweist. Genauer, ein geschädigter Bereich auf dem Substrat wird identifiziert und entfernt, um eine Reparaturöffnung auszubilden, die einem inneren Hohlraum der Komponente benachbart ist. Anschließend wird ein Zusatzwerkstoff in der Reparaturöffnung gestützt. Bei einer Ausführungsform wird der innere Hohlraum mit einem schmelzbaren Zusatzwerkstoff gefüllt, welcher vorzugsweise eine pulverisierte Metalllegierung beinhaltet, welche im Wesentlichen mit einer Zusammensetzung einer Metalllegierung des Substrats übereinstimmt, wobei ein Bett des Zusatzwerkstoffs innerhalb des Hohlraums Zusatzwerkstoff an oder in der Reparaturöffnung stützt. Alternativ dazu kann ein Einsatz innerhalb des Hohlraums angeordnet werden, um den Zusatzwerkstoff an oder in der Reparaturöffnung zu stützen. Bei einer Ausführungsform durchquert ein Energiestrahl die Reparaturöffnung, die den pulverisierten Zusatzwerkstoff enthält, wobei er den Zusatzwerkstoff bis zu einer Tiefe schmilzt, die der Dicke des Substrats entspricht. Da der Zusatzwerkstoff eventuell in dem Hohlraum vorhandene Luft verdrängt, und da der Zusatzwerkstoff pulverisiertes Flussmittel mit abschirmender Wirkung sowie pulverisiertes Metall enthalten kann, umgehen Ausführungsformen der Erfindung eine rückseitige Abschirmung, und es ist nur eine äußere Abschirmung des Zusatzwerkstoffs erforderlich. Beispielsweise kann eine Schicht von pulverisiertem Flussmittel über dem Zusatzwerkstoff an der Reparaturöffnung angeordnet werden oder mit der pulverisierten Metalllegierung gemischt werden, um eine Schlackenschicht während der Erwärmung zu erzeugen, um die Reparatur-Auftragsschweißschicht aus Metall während der Reparatur vor der Atmosphäre zu schützen. Alternativ dazu kann die Reparatur in einer Kammer durchgeführt werden, und es kann ein Inertgas in den Bereich außerhalb der Komponente eingeleitet werden, oder es wird ein Vakuum erzeugt.
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Es wird auf 1 Bezug genommen; sie zeigt eine Schnittansicht eines Schaufelblatts 10 für eine Turbinenkomponente wie etwa eine Turbinenlaufschaufel oder eine Leitschaufel für eine Turbinenmaschine. Eine Vielzahl von Kühllöchern 16 ist durch ein äußeres Substrat 18 hindurch ausgebildet und steht in Fluidverbindung mit inneren Hohlräumen 20 wie etwa Kühlkanälen. Die Löcher 16 und die Hohlräume 20 bilden einen Fluidströmungskanal für Luft zum Kühlen der Komponente während des Betriebs. In ähnlicher Weise kann, wie den Fachleuten bekannt ist, das Schaufelblatt 10 auf einer Plattform (nicht dargestellt) ausgebildet sein, welche ebenfalls Öffnungen und Kühlkanäle aufweisen kann, die in Fluidverbindung mit den Hohlräumen 20 des Schaufelblatts 10 stehen. Obwohl Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit einer Turbinenschaufel beschrieben werden können, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt und kann auch andere Turbinenkomponenten einer Turbinenmaschine mit einschließen. Dementsprechend ist die Erfindung nicht auf Turbinenmaschinenkomponenten beschränkt, sondern kann für die Reparatur einer beliebigen Komponente implementiert werden, welche die Reparatur eines geschädigten Bereichs auf einem äußeren Substrat erfordert, wobei der geschädigte Bereich einem inneren Hohlraum benachbart ist.
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Wie in 1 weiterhin dargestellt ist, wird eine Anzahl von geschädigten Bereichen 26 auf dem äußeren Substrat 18 für eine Reparatur identifiziert. Diese geschädigten Bereiche können das Ergebnis von Komponentenverschleiß, Hitzekorrosion, Beschädigung durch Fremdkörper und/oder thermisch-mechanischer Ermüdung sein. Wie dargestellt, sind die geschädigten Bereiche 26 jeweiligen inneren Hohlräumen 20 benachbart, wie etwa Kühlkanälen. Um diese geschädigten Bereiche zu reparieren, wird die Turbinenkomponente aus der Turbinenmaschine zur Reparatur ausgebaut.
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Es wird auf 2 und 3 Bezug genommen; ein äußeres Substrat 18 wurde spanend bearbeitet, um eine Reparaturöffnung 28 auszubilden. Genauer, Abschnitt des Substrats 18, welche den geschädigten Bereich 26 umgeben, werden entfernt, um die Reparaturöffnung 28 durch das Substrat 18 hindurch auszubilden. Reparaturprozesse gemäß den Ausführungsformen der Erfindung können das Entfernen von Abschnitten äußerer Außenbeschichtungen, wie etwa Wärmedämmschichten, das spanende Bearbeiten oder Schleifen des äußeren Substrats 18, um die Reparaturöffnung 28 auszubilden, und das Reinigen der Oberfläche des Substrats 18 für die Reparatur beinhalten.
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Wie in 2 weiterhin dargestellt ist, wird der Kanal oder Hohlraum 20 mit einem Zusatzwerkstoff 30 gefüllt, wie etwa einem granulierten Metallpulver, welches eine Metallzusammensetzung aufweist, die einer Metallzusammensetzung des äußeren Substrats 18 ähnlich ist. Alternativ dazu kann ein solcher Zusatzwerkstoff aus granuliertem Metallpulver bestehen, das mit granuliertem Flussmittel gemischt ist, oder aus zusammengesetzten Teilchen Metall/Flussmittel, oder granuliertem Flussmittel, das den Hohlraum füllt, während granuliertes Metallpulver (oder Pulver und Flussmittel) die Öffnung füllt. Wenigstens in Bezug auf einige Turbinenkomponenten kann das Substrat 18 aus einer nickelbasierten Superlegierung bestehen, deren Bestandteile Elemente wie etwa Cr, Co, Mo, W, Al, Ti, Ta, C, B, Zr und Hf. Dementsprechend würde der Zusatzwerkstoff eine ähnliche nickelbasierte Superlegierungszusammensetzung in Form von granuliertem Pulver enthalten; die Erfindung ist jedoch nicht auf eine bestimmte Metalllegierungs- oder Superlegierungszusammensetzung beschränkt.
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In den schematischen Darstellungen von 2 und 3 ist ein gegenüberliegendes Substrat 22 dargestellt, das ein inneres Substrat oder gegenüberliegendes äußeres Substrat umfassen kann, welches mit dem Substrat 18 einstückig ausgebildet sein kann oder nicht und im Wesentlichen den Kühlkanal oder Hohlraum 20 definiert. Der Hohlraum 20 ist derart gefüllt, dass die Reparaturöffnung 28 ebenfalls mit dem Zusatzwerkstoff 30 gefüllt ist. Das heißt, Zusatzwerkstoff innerhalb des Hohlraums 20 bildet ein Bett von Zusatzwerkstoff, welches den Zusatzwerkstoff in der Reparaturöffnung 28 stützt. Wie für den Fachmann leicht einzusehen ist, können, wenn die Reparaturöffnung 28 durch das Substrat 18 hindurch ausgebildet wird, soweit irgendwelche anderen Öffnungen wie etwa Löcher 16 mit einem inneren Hohlraum 20 verbunden sind, diese Öffnungen mit Stopfen verschlossen werden, wenn der Hohlraum 20 mit dem Zusatzwerkstoff 30 gefüllt wird.
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Wie in 3 weiterhin dargestellt ist, wird ein Laserstrahl 32 über die Reparaturöffnung 28 und den Zusatzwerkstoff 30 in der Reparaturöffnung 28 gelenkt, um das Pulver zu schmelzen, wie durch den geschmolzenen Bereich 34 dargestellt ist, welcher erstarrt, um den Reparatur-Materialauftrag 36 über die Reparaturöffnung 28 zu bilden. Wenn sich das geschmolzene Metall verfestigt, verschmilzt der gebildete Reparatur-Materialauftrag 36 mit Rändern des Substrats 18 entlang der Reparaturöffnung 28. Nachdem die Ausbildung des Reparatur-Materialauftrags 36 abgeschlossen ist, wird eventueller nicht geschmolzener oder nicht verbrauchter Zusatzwerkstoff 30, der im Hohlraum 20 verblieben ist, durch eine oder mehrere Öffnungen hindurch entfernt. Außerdem werden der Laserbehandlung nachfolgende Schritte durchgeführt, wie etwa spanende Bearbeitung oder Schmirgeln an der geschlossenen bzw. gefüllten Reparaturöffnung, um die Oberfläche der Komponente 10 zu glätten.
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Der in 2 und 3 dargestellte Reparaturprozess kann in einer Reparaturkammer mit optisch durchlässigen Platten oder Wänden, durch die hindurch der Laserstrahl 32 zum Schmelzen des Zusatzwerkstoffs 30 gesendet wird, durchgeführt werden. In der Kammer kann ein Vakuum erzeugt werden, um den Reparatur-Materialauftrag 36 vor der Atmosphäre zu schützen und eine Oxidation des Metallpulvers 30 oder Reparatur-Materialauftrags 36 zu verhindern. Alternativ dazu kann ein Inertgas in die Kammer in den Bereich außerhalb der Komponente oder in die Komponente oder den Hohlraum 20 eingeleitet werden, um ein fluidisiertes Bett von Zusatzwerkstoff 30 zu erzeugen, um das Metallpulver und den Reparatur-Materialauftrag 36 vor der Atmosphäre zu schützen. Als weitere Möglichkeit kann in Verbindung mit dem Metallpulver verwendetes Flussmittel den erforderlichen Schutz durch Abschirmung gewährleisten.
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Der Energiestrahl 32 bei der Ausführungsform von 2 und 3 und im Hinblick auf die unten beschriebenen Ausführungsformen von 4 und 5 kann ein Diodenlaserstrahl sein, der eine im Wesentlichen rechteckige Querschnittsform aufweist, obwohl auch andere bekannte Typen von Energiestrahlen verwendet werden können, wie etwa ein Elektronenstrahl, Plasmastrahl, ein oder mehrere kreisförmige Laserstrahlen, ein abgetasteter Laserstrahl (ein-, zwei- oder dreidimensional abgetastet), ein integrierter Laserstrahl usw. Die rechteckige Form kann insbesondere vorteilhaft für Ausführungsformen sein, bei denen eine relativ große Fläche zu verkleiden ist; der Strahl kann jedoch auch so angepasst werden, dass er relativ kleine Flächen abdeckt, wie etwa die oben beschriebene Reparaturöffnung 28, die an dem geschädigten Bereich 26 ausgebildet ist. Der großflächige Strahl, der von einem Diodenlaser erzeugt wird, hilft, den Schweißwärmeeintrag, die Wärmeeinflusszone, die Herauslösung aus dem Substrat sowie Restspannungen zu reduzieren, was alles die Neigung zu Rissbildungseffekten verringert, die normalerweise bei einer Superlegierungsreparatur vorhanden ist.
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Die optischen Bedingungen und optischen Komponenten, die angewendet werden, um eine großflächige Laserexposition zu bewirken, können unter anderem beinhalten: Defokussieren des Laserstrahls; Verwendung von Diodenlasern, welche rechteckige Energiequellen im Fokus erzeugen; Verwendung von Integrationsoptik wie etwa segmentierten Spiegeln, um rechteckige Energiequellen im Fokus zu erzeugen; Abtasten (Rastern) des Laserstrahls in einer oder mehreren Dimensionen; und die Verwendung von Fokussierungsoptiken mit variablem Strahldurchmesser (z. B. 0,5 mm im Fokus für feine Detailarbeit, variierend bis 2,0 mm im Fokus für weniger feine Detailarbeit). Die Bewegung der Optik und/oder des Substrats kann wie bei einem Vorgang des selektiven Laserschmelzens oder Lasersinterns programmiert werden, um eine Schichtabscheidung von maßgeschneiderter Form aufzubauen. Zu diesem Zweck ist die Laserstrahlquelle so steuerbar, dass Laserparameter wie die Laserleistung, Abmessungen des Abtastbereiches (Reparaturöffnung) und Transversalgeschwindigkeit des Lasers so gesteuert werden, dass die Dicke des Reparatur-Materialauftrags 36 der Dicke des Substrats 18 entspricht.
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Es wird auf die in 4 und 5 dargestellten Ausführungsformen Bezug genommen; es ist ein pulverisiertes Flussmittel vorgesehen, um den Zusatzwerkstoff 30 und den Reparatur-Materialauftrag 40, 50 zu schützen. Bei der in 4 dargestellten Ausführungsform ist eine Schicht Flussmittel 38 über dem Zusatzwerkstoff 30 an der Reparaturöffnung 28 vorgesehen. Der Laserstrahl 32 durchquert die Reparaturöffnung 28, um das granulierte Metallpulver des Zusatzwerkstoffs 30 zu schmelzen, wie durch den geschmolzenen Bereich 44 dargestellt, um den Reparatur-Materialauftrag 40 und Schlacke 42 zu bilden. Nachdem die Reparatur abgeschlossen ist und die Komponente abkühlen gelassen wurde, wird die Schlacke 42 unter Anwendung bekannter mechanischer Verfahren oder Reinigungsprozesse entfernt.
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5 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei welcher der Zusatzwerkstoff 30 eine homogene Mischung einer granulierten pulverisierten Metalllegierung 56 und eines pulverisierten Flussmittels 58 umfasst. Dementsprechend wird, wenn der Laserstrahl 32 die Reparaturöffnung 28 durchquert, der Zusatzwerkstoff 30, der die pulverisierte Metalllegierung 56 und das pulverisierte Flussmittel 58 umfasst, geschmolzen, wie durch den geschmolzenen Bereich 54 dargestellt ist, und es wird ein Reparatur-Materialauftrag 50 an der Reparaturöffnung 28 ausgebildet, der von einer Schicht Schlacke 52 bedeckt ist. Typische pulverisierte Flussmittel nach dem Stand der Technik weisen Teilchengrößen auf, die zum Beispiel im Bereich von 0,5–2 mm liegen. Das pulverisierte Legierungsmaterial 38 von 4 kann jedoch einen Teilchengrößenbereich (Siebgrößenbereich) von 0,02–0,04 oder 0,02–0,08 mm oder einen anderen Teilbereich darin aufweisen. Diese unterschiedlichen Siebgrößenbereiche können bei der Ausführungsform von 4, bei der die Materialien getrennte Schichten darstellen, gut funktionieren; bei der Ausführungsform von 5 kann es jedoch vorteilhaft sein, wenn das pulverisierte Legierungsmaterial 56 und das pulverisierte Flussmittel 58 einander überlappende Siebgrößenbereiche aufweisen oder denselben Siebgrößenbereich aufweisen, um das Mischen und Zuführen der Pulver zu erleichtern und eine bessere Abdeckung mit Flussmittel während des Schmelzprozesses zu gewährleisten.
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Eine weitere alternative Ausführungsform würde die Verwendung von granuliertem Flussmittel, um den Hohlraum zu füllen, und das Anbringen nur von Metallpulver oder von Metallpulver plus Flussmittel an der Reparaturöffnung beinhalten. Bei einer solchen Ausführungsform wird, wenn ein Laserstrahl die Reparaturöffnung durchquert, eine Schicht Schlacke über einem Reparatur-Materialauftrag gebildet, wie beschrieben. Bei allen diesen beschriebenen Ausführungsformen wird, nachdem die Reparatur abgeschlossen ist, die Schlacke unter Anwendung bekannter mechanischer Verfahren oder Reinigungsprozesse entfernt. Außerdem wird etwaiger nicht verbrauchter Zusatzwerkstoff und/oder nicht verbrauchtes Flussmittel aus dem inneren Hohlraum entfernt.
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Das Flussmittel 38, 58 und die resultierende Schlackenschicht 42, 52 erfüllen eine Reihe von Funktionen, welche von Vorteil sind, um eine Rissbildung des Reparatur-Materialauftrags 40, 50 zu verhindern. Erstens hat die Schlacke 42, 52 die Funktion, sowohl den Bereich des geschmolzenen Materials als auch das verfestigte (jedoch noch heiße) Reparatur-Auftragsmaterial 40, 50 gegenüber der Atmosphäre in dem Bereich, der dem Laserstrahl 32 nachgelagert ist, abzuschirmen. Die Schlacke schwimmt zur Oberfläche, um das geschmolzene oder heiße Metall von der Atmosphäre zu trennen, und das Flussmittel kann bei einigen Ausführungsformen so chemisch formuliert sein, dass es ein Schutzgas erzeugt, wodurch die Verwendung von teurem Inertgas vermieden oder auf ein Minimum begrenzt wird. Zweitens wirkt die Schlacke 42, 52 als eine Decke, welche ermöglicht, dass das verfestigte Material langsam und gleichmäßig abkühlt, wodurch Restspannungen verringert werden, die zu einer Spannungs-Anlassrissigkeit (Post-Weld Reheat Cracking, Strain Age Cracking) beitragen. Drittens gewährleistet das Flussmittel 38, 58 eine Reinigungswirkung zum Entfernen von Spurenverunreinigungen wie Schwefel und Phosphor, welche zu einer Rissbildung bei der Schweißverfestigung beitragen. Diese Reinigung beinhaltet eine Desoxidation des Metallpulvers. Da sich das Flussmittelpulver in innigem Kontakt mit dem Metallpulver befindet, ist es bei der Erfüllung dieser Funktion besonders wirksam. Schließlich kann das Flussmittel 38, 58 Funktionen der Energieabsorption und der Energieaufnahme (Energy Trapping) erfüllen, um den Laserstrahl 32 wirksamer in Wärmeenergie umzuwandeln und somit eine präzise Steuerung des Wärmeeintrags, etwa mit einer Genauigkeit von 1–2%, und eine daraus resultierende genaue Steuerung der Materialtemperatur während des Prozesses zu ermöglichen. Außerdem kann das Flussmittel so chemisch formuliert sein, dass es einen Verlust von verflüchtigten Elementen während der Bearbeitung ausgleicht, oder dass es aktiv Elemente zu dem Materialauftrag beiträgt, welche nicht auf andere Weise durch das Metallpulver selbst bereitgestellt werden.
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Zusammen erzeugen diese Prozessschritte rissfreie Abscheidungen von Reparatur-Materialauftragungen aus Superlegierung für Superlegierungssubstrate bei Raumtemperatur für Materialien, von denen bisher angenommen wurde, dass sie nur mit einem Hot-Box-Prozess oder durch die Verwendung einer Kühlplatte verbindbar sind. Zu den Vorteilen dieses Prozesses gegenüber bekannten Prozessen des Laserschmelzens oder Lasersinterns gehören: hohe Abscheidungsraten und Auftrag von großer Dicke in jeder Bearbeitungsschicht; verbesserte Abschirmung, welche sich über das heiß aufgetragene Material erstreckt, ohne dass Inertgas erforderlich ist; das Flussmittel verbessert die Reinigung des aufgetragenen Materials von Bestandteilen, welche andernfalls zu einer Erstarrungsrissbildung führen würden; das Flussmittel verbessert die Laserstrahlabsorption und begrenzt die Reflexion zurück zu den Prozessanlagen auf ein Minimum; die Schlackenbildung formt und stützt das aufgetragene Material, hält Wärme zurück und verlangsamt die Abkühlungsgeschwindigkeit, wodurch Restspannungen verringert werden, welche andernfalls zu einer Spannungs-Anlassrissigkeit (Reheat Cracking) bei Wärmebehandlungen nach dem Schweißen führen würden; das Flussmittel kann Verluste von Elementen ausgleichen oder Legierungselemente hinzufügen; und die vorherige Anordnung oder die Zuführung von Pulver und Flussmittel kann auf effiziente Weise selektiv durchgeführt werden, da die Dicke des Materialauftrags die Zeit, die für den Aufbau des Teils insgesamt erforderlich ist, beträchtlich verkürzt.
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Zu den Flussmitteln, welche verwendet werden könnten, gehören handelsübliche Flussmittel, wie etwa diejenigen, die unter den Namen Lincolnweld P2007, Bohler Soudokay NiCrW-412, ESAB OK 10.16 oder 10.90, Special Metals NT100, Oerlikon OP76, Sandvik 50SW oder SAS1 vertrieben werden, oder spezialisierte Flussmittel, welche speziell für Laserbearbeitung (und nicht für Lichtbogenbearbeitung) chemisch formuliert wurden (d. h. ohne dass Lichtbogenstabilisatoren benötigt werden). Die Flussmittelpartikel können vor der Verwendung gemahlen werden, so dass sie einem gewünschten kleineren Siebgrößenbereich entsprechend. Zu den in der Technik bekannten Flussmitteln können typischerweise Aluminiumoxid, Carbonate, Fluoride und Silikate gehören. Ausführungsformen der hier offenbarten Prozesse können vorteilhafterweise metallische Bestandteile des gewünschten Reparatur-Auftragsmaterials beinhalten, zum Beispiel Chromoxide, Nickeloxide oder Titanoxide. Beliebige gegenwärtig verfügbare eisen-, nickel- oder cobaltbasierte Superlegierungen, welche üblicherweise für Hochtemperaturanwendungen wie etwa Gasturbinenmotoren verwendet werden, können mit dem erfindungsgemäßen Prozess verbunden, repariert oder beschichtet werden, einschließlich der oben genannten Legierungen.
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Bei einer Ausführungsform, die in 6A und 6B dargestellt ist, ist ein Einsatz 80 dargestellt, der in einem inneren Hohlraum 82 eines Schaufelblatts 84 angeordnet ist und den Zusatzwerkstoff 90 in der Reparaturöffnung 88 stützt. Im Hinblick auf die Reparatur geschädigter Bereiche auf einer Außenfläche des Schaufelblatts 84 kann eine Spitze (nicht dargestellt) entfernt werden, oder ein Abschnitt des Schaufelblatts 84 wird entfernt, um Zugang zu dem Hohlraum 82 zu erhalten. In einigen Fällen kann die Spitze des Schaufelblatts 84 oder ein Abschnitt derselben für die Reparatur entfernt werden. Nachdem der Einsatz 80 sicher an seiner Position innerhalb des Hohlraums 82 angebracht wurde, wird irgendeiner der oben beschriebenen Zusatzwerkstoffe 90, bei dem es sich um eine Metalllegierung, Flussmittel oder Kombinationen davon handeln kann, innerhalb des Hohlraums 82 angeordnet. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da weniger Zusatzwerkstoff, welcher eine teure pulverisierte Metalllegierung enthalten kann, benötigt wird, um den Hohlraum 82 zu füllen und den geschädigten Bereich des Schaufelblatts 84 zu reparieren.
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Wie dargestellt, ist der Einsatz 80 so bemessen, dass er eng an einer Außenwand 96 und einer Innenwand 94 des Schaufelblatts 84 anliegt. Außerdem kann der Einsatz 80 lang gestreckt sein, wobei ein Boden des Einsatzes 80 an einer Innenfläche der Komponente anliegt, wie etwa einer Fläche einer Plattform (nicht dargestellt), um den Einsatz 80 in dem inneren Hohlraum 82 zusätzlich zu stabilisieren. Der Einsatz 80 sollte aus einem Material bestehen, das beständig gegenüber der Wärme ist, die dem Zusatzwerkstoff 90 über die Reparaturöffnung 88 zugeführt wird, so dass das Material des Einsatzes 80 nicht mit der Zusammensetzung des Zusatzwerkstoffs 90 reagiert oder diese auf andere Weise schädigt. Zum Beispiel kann der Einsatz 80 aus Stahl oder einer Stahllegierung oder einem Keramikmaterial bestehen. Alternativ dazu kann ein Stahlwollematerial als ein Einsatz verwendet werden. Außerdem kann, wie in 6A und 6B dargestellt, der Einsatz 80 eine eingekerbte oder konkave Fläche 86 aufweisen, die der Öffnung 88 zugewandt ist und einen Füllbereich 92 zwischen dem Einsatz 80 und der Reparaturöffnung 88 bildet. Diese spezielle Gestaltung versetzt die Oberfläche des Einsatzes 80 bezüglich der Reparaturöffnung 88 und verringert so die Exposition des Einsatzes 80 gegenüber Wärme, die dem Zusatzwerkstoff 90 über die Öffnung 88 zugeführt wird. Sofern der Reparatur-Materialauftrag, der gebildet wird, nachdem der Zusatzwerkstoff über die Öffnung 88 geschmolzen ist und sich abgekühlt hat, leicht in den inneren Hohlraum 82 hineinragt, hat der Reparatur-Materialauftrag keine scharfen Ecken bezüglich der Innenfläche des Schaufelblatts 84, welche Spannungspunkte an dem Reparatur-Materialauftrag erzeugen können. Hitzebeständige Materialien wie etwa Keramiken erfordern möglicherweise keine konkave Gestaltung und können eine Fläche aufweisen, welche bündig an einer Innenfläche des Schaufelblatts 84 anliegt, wobei sogar noch weniger Zusatzwerkstoff 30 benötigt wird.
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Wie oben erwähnt, kann der Laserenergiestrahl eine im Wesentlichen rechteckige Energiedichteverteilung aufweisen. Es wird auf 7A, 7B und 7C Bezug genommen; es ist eine Reparatur eines Substrats 18 schematisch dargestellt, wobei ein Laserstrahl 66 in 7B durch gestrichelte Linien dargestellt ist. In 7A sind eine Reparaturöffnung 28 und ein zugehöriger Hohlraum 20 dargestellt, die mit einem Zusatzwerkstoff 30 wie etwa einer granulierten pulverisierten Metalllegierung gefüllt sind, mit einer Zusammensetzung der Metalllegierung, die im Wesentlichen derjenigen des Substrats 18 ähnlich ist. Obwohl die Öffnung 28 eine kreisförmige Gestalt hat, kann die Form der Öffnung eine beliebige geometrische Form sein, die erforderlich ist, um die Reparatur auszuführen. Wie in 7B dargestellt, wird der Laserstrahl 66 so gesteuert, dass seine Breitenabmessung einer sich ändernden Abmessung der Öffnung entspricht, wenn der Laserstrahl 32 die Öffnung durchquert, um den Reparatur-Materialauftrag 36 von 7C zu bilden. Indem die Abmessungen des Laserstrahls 66 auf diese Weise gesteuert werden, wird der Erwärmungsschritt auf das Erwärmen des Zusatzwerkstoffs 30 begrenzt, und eine Schädigung des Substrats 18 wird vermieden.
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Bei einer alternativen Ausführungsform, die in 8A–8C dargestellt ist, wird die Breitenabmessung des Laserstrahls 68 nicht angepasst, wenn er die Reparaturöffnung 28 durchquert. Dementsprechend wird eine Maske 58 vorgesehen, um das Substrat 18 um die Öffnung 28 herum abzudecken, um den Laserstrahl 68 zu absorbieren oder zu reflektieren, wenn er die Öffnung 28 durchquert, und den Reparatur-Materialauftrag 36 auszubilden. Eine reflektierende Maske kann aus einem Material vom reflektierenden Typ wie etwa Kupfer bestehen; und eine absorbierende Maske kann aus einem absorbierenden Material wie etwa Graphit bestehen. Die Maske ist dazu vorgesehen, die nicht beschädigten Bereiche des Substrats 18 vor dem Laserstrahl 68 zu schützen, welcher das Substrat schmelzen kann, wenn er die Öffnung 28 durchquert.
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Alternativ dazu ist es möglich, einen kreisförmigen Laserstrahl rasterförmig zurück und vor zu bewegen, während er entlang eines Substrats vorwärtsbewegt wird, um eine Energieverteilung über einer Fläche zu bewirken. 9 veranschaulicht ein Muster der rasterförmigen Bewegung für eine Ausführungsform, wobei ein im Wesentlichen kreisförmiger Strahl mit einem Durchmesser D von einer ersten Position 74 zu einer zweiten Position 74' und danach zu einer dritten Position 74'' bewegt wird, usw. Ein Betrag der Überlappung O des Strahldurchmesser-Musters an seinen Orten einer Richtungsänderung liegt vorzugsweise zwischen 25% und 90% von D, um ein optimales Erwärmen und Schmelzen der Materialien zu gewährleisten. Alternativ dazu können zwei Energiestrahlen gleichzeitig rasterförmig bewegt werden, um eine gewünschte Energieverteilung über einem Oberflächenbereich zu erzielen, wobei die Überlappung zwischen den Strahlmustern im Bereich von 25–90% der Durchmesser der jeweiligen Strahlen liegt.
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Es wird auf das Flussdiagramm von 10 Bezug genommen, in dem Schritte in einem Verfahren zur Reparatur eines Substrats beschrieben werden. In Schritt 100 werden ein oder mehrere geschädigte Bereiche auf einem Komponentensubstrat für eine Reparatur identifiziert, und diese geschädigten Bereiche sind vorzugsweise einem Hohlraum benachbart. Danach werden in Schritt 102 Abschnitte des Substrats an dem geschädigten Bereich entfernt, um eine Reparaturöffnung durch das Substrat hindurch auszubilden, und die Öffnung ist dem inneren Hohlraum benachbart. Es kann auch eine zusätzliche Bearbeitung durchgeführt werden, wie etwa das Entfernen äußerer Beschichtungen und das Reinigen von Flächen des Substrats.
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Nachdem das Substrat vorbereitet wurde, wie oben beschrieben, werden in Schritt 104 der innere Hohlraum und die Reparaturöffnung mit einem Zusatzwerkstoff gefüllt. Wie oben beschrieben, kann der Zusatzwerkstoff eine pulverisierte Metalllegierung oder Superlegierung mit einer Zusammensetzung sein, die der Zusammensetzung eines Metalllegierungs- oder Superlegierungssubstrats entspricht. Danach wird in Schritt 106 der Zusatzwerkstoff über die Reparaturöffnung erwärmt, um den Zusatzwerkstoff zu schmelzen. Dieser Schritt des Erwärmens kann unter Verwendung eines Energiestrahls wie etwa eines Laserstrahls durchgeführt werden, welcher die Reparaturöffnung durchquert, um den Zusatzwerkstoff zu schmelzen. Der Energiestrahl kann so gesteuert werden, dass eine ausreichende Menge oder Tiefe des Zusatzwerkstoffs geschmolzen wird, so dass die Reparatur-Auftragsschicht, die beim Abkühlen gebildet wird, eine Dicke aufweist, die einer Dicke des Substrats entspricht.
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Außerdem kann der Erwärmungsschritt in einer abgedichteten Kammer in einem Vakuum oder mit Einleitung eines Inertgases durchgeführt werden. Zu diesem Zweck kann vor dem Erwärmungsschritt eine Schicht von pulverisiertem Flussmittel über dem Zusatzwerkstoff in der Reparaturöffnung vorgesehen werden. Alternativ dazu kann der Zusatzwerkstoff eine Mischung aus pulverisierter Metalllegierung oder Superlegierung und einem pulverisierten Flussmittel umfassen. Bei anderen Ausführungsformen kann der Zusatzwerkstoff ein Pulver beinhalten, das aus zusammengesetzten granulierten Teilchen Metall/Flussmittel besteht, oder Flussmittel kann innerhalb des Hohlraums angeordnet sein und eine Deckschicht eines Metalls in der Öffnung stützen. Diese beschriebenen Flussmittelanwendungen erzeugen dann eine Schicht Schlacke, welche den Zusatzwerkstoff und den Reparatur-Materialauftrag während des Erwärmungsschrittes schützt.
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In Schritt 108 wird der geschmolzene Zusatzwerkstoff abkühlen gelassen, um den Reparatur-Materialauftrag über der Reparaturöffnung zu bilden. Sofern der Reparatur-Materialauftrag eine Zusammensetzung der Metalllegierung aufweist, die derjenigen des Substrats ähnlich ist, und dem Zusatzwerkstoff ausreichend Wärme zugeführt wird, verschmilzt dann der Reparatur-Materialauftrag entlang von Rändern der Reparaturöffnung mit dem Substrat. Danach wird in Schritt 110 etwaiger nicht verbrauchter Zusatzwerkstoff und/oder nicht verbrauchtes Flussmittel aus dem inneren Hohlraum entfernt. Es können zusätzliche Schritte, die sich an die Erwärmung und Abkühlung anschließen, ausgeführt werden, wie etwa mechanische spanende Bearbeitung, Schmirgeln usw., um den Reparatur-Materialauftrag zu verfeinern und die Oberfläche des Substrats zu glätten. Sofern Schlacke über dem Reparatur-Materialauftrag vorhanden ist, können bekannte mechanische und chemische Entfernungs-/Reinigungsprozesse angewendet werden, um die Schlacke zu entfernen. Außerdem können äußere Beschichtungen auf den Reparatur-Materialauftrag aufgebracht werden, so wie es für die Reparatur des Substrats erforderlich ist.
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Obwohl verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hier dargestellt und beschrieben wurden, ist es offensichtlich, dass diese Ausführungsformen nur als Beispiele dienen sollen. Es können zahlreiche Abwandlungen, Änderungen und Substitutionen vorgenommen werden, ohne von der Erfindung abzuweichen. Dementsprechend ist beabsichtigt, dass die Erfindung nur durch die Grundidee und den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche begrenzt wird.
