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Stand der Technik:
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Mit der Gebrauchsmusterschrift
DE 202 20969 U1 wurde erstmals ein PKD-Element (polykristaliner Diamant) von der Firma HTC Sweden AB zur Bodenbearbeitung von Kunst- und Naturstein vorgestellt. Die dünnen PKD-Elemente werden mittels Lötverbindungen an einem Aufnahmeträger befestigt, welcher ebenfalls durch Lötverbindungen am Werkzeugträger befestigt ist. Bedarfsgerecht wird die Zuhilfenahme eines Stützkörpers aus Hartmetall benannt. Mit diesem Verfahren ist es möglich „weichplastische” Materialien gegenüber den herkömmlich gesinterten Diamantwerkzeugen zu schleifen, da diese nicht verkleben, da hier durch das PKD-Element ein Zerspannungsvorgang gegenüber den bisherigen Vorgang des Mahlens entsteht. Dieses Werkzeug führt bei „weichplastischen” Oberflächen zu guten Zerspannungsleistungen, aber auch zur sehr schnellen Zerstörung des PKD-Elements bei härteren Materialien bzw. beim Eindringen in eine härtere Schicht. Schon stärke Vibrationen der Schleifmaschine führen zum Bruch bzw. absplittern des PKD-Elements. Im Metallbau werden zum zerspannen auch PKD-Schneiden auf einem Werkzeugträger aufgeschraubt, um Metalle, GFK und ähnliches zu zerspannen.
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Mit dem Europäischen Patent
EP 1844900 B1 wird ein Werkzeug für Handmaschinen zur Bearbeitung von Natur- und Kunststein vorgestellt. Im Punkt [004] wird im Stand der Technik ein unterschiedlicher Anpressdruck gegenüber Bodenschleifgeräte festgestellt. Das im Punkt [0008] benannten Patents
EP1321233 ist ein europäisches Patent mit der Anspruchspriorität des Gebrauchsmusters
DE20120137 , sowie der geänderten Gebrauchsmusterschrift
DE 20220969 , wodurch der Anspruch des Schleifwerkzeuges durch das Wort Werkzeugtragelement geändert wurde.
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Beansprucht wird ein Schleifwerkzeug für Handmaschinen zur Bearbeitung von vertikalen Flächen (insbesondere Wandflächen). Der PKD Schneidstoff ist auf einem Tragekörper aus Hartmetall befestigt. Tragekörper, auch als Stützkörper im technischen Sinne bezeichnet (engl. supporting body), sind vorwiegend lösbare Verbindungen. Eine solche Verbindung ist als PCD Insert/PKD Einsatz bekannt bei Dreh/Stechmeiseln aus Hartmetall. Im Anspruch 5 heißt es „des stirnseitigen PKD-Abschnitts” Die vorgestellte Form ist aussagekräftig, da ein Stützkörper vorwiegend die Form des Körpers annimmt, welchen er stützen soll.
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In der Gebrauchsmusterschrift
DE 20120137 wird das PKD-Element als polykristalliner Diamant definiert. In der Gebrauchsmusterschrift wird die Erfindung damit gelöst, das die Bearbeitungswerkzeuge aus PKD-Elementen (Polykristallinen Diamant) bestehen, welche in Aufnahmetaschen aufgenommen und befestigt sind. Alternativ werden Möglichkeiten aufgezeigt, das die Hartmetalloberfläche mit polykristallinen Diamant abgesintert/beschichtet ist oder Teilstücke vom PKD bzw. geometrische Formen in einer geeigneten Metallmatrix eingebunden sind. Als Mögliche Formen wurden Rechtecke und Quadrate, also zweidimensionale Körper bezeichnet.
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In der Gebrauchsmusterabzweigung zum Europäischen Patent
EP 1321233 wurde unter [0011] weiterhin eine zweidimensionale Grundform der PKD Elemente ausgeführt. Unter [008] ist klar definiert das die eingesetzten Elemente/Segmente aus PKD bestehen oder Hartmetallplatten mit polykristallinen Diamant beschichtet sind.
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In der Gebrauchsmusterschrift
DE 20220969 offenbarte Neuauflage hat keinen wesentlichen Einfluss auf die verwendeten PKD-Elemente. Insbesondere die vorgestellte Aufnahmevorrichtung ist nur darauf ausgelegt zweidimensionale Körper aufzunehmen.
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Mit der Gebrauchsmusterschrift
DE202008015415 wird unter dem Punkt [005] das eigene Patent
EP1321233 benannt und unter Punkt [006] zur Aufgabe gestellt, ein Schleifelement zu entwickeln, das die zu Schleifbeginn angelegten Kräfte verringert und seine optimale Schleifleistung rascher zu erreichen.
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Bisherige Schleifwerkzeuge arbeiten auf dem Prinzip der Wirkung des Schleifwerkzeuges, welche bedingt durch das zu bearbeitende Material und dem Leistungsprinzip der eingesetzten Bodenschleifmaschine besteht. Mit der Gebrauchsmusterschrift
DE 29824804 wurde ein pilzkopfartiges Werkzeugtragelement mit PKD Segmenten mit einem negativen Spanwinkel zur Drehrichtung vorgestellt. Der Erfinder selbst erkannte, dass bei diesem Werkzeug eine Unwucht vermieden werden muss, da ansonsten die Zerstörung der Maschine unvermeidbar ist. Da sich rotierende Bodenschleifmaschinen mit einem derartigen Fräskopf nicht führen lassen, ergibt sich aus dem Patent kein verwertbarer Stand. Die Werkzeugform ist an einem Holzfräser angelehnt, welcher sozusagen dreidimensionale Verzierungen an Holzwerkstoffen vornimmt.
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Im internationalen Patent
DE112006002143 wurde eine alternative Lösung eines PKD Insert (engl. PCD Insert) vorgestellt. Diese erkennt man an den Abbildungen
5B und
5C.
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Mit der Europäischen Patentschrift
DE69333029 wurde ein PDC Einsatz mit einem sphärischen Ende beansprucht. Hier wurde zum Stand der Technik zum Ausdruck gebracht, dass es für Bohrmeißel für Tiefenbohrung üblich ist, Schneidelemente zu verwenden, die an einem ihrer Enden einen polykristallienen Diamantpresskörper aufweisen, welcher als PDC-Polycristalliner Diamond Compact hergestellt wurde. Die übliche Form ist zylinderartig und der Anspruch des Patents beruht auf einen bolzenartigen PDC Cutter für Bohrmeißel.
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Das
US Patent 7462003 vom 08.03.2005 stellt im Stand der Technik fest, das ein PKD Schneidstoff aus einer dünnen Schneidschicht aus PKD bestehen, welche durch ein chemisches Technikverfahren (in engl. CVD Technique) oder ein physikalisches Technikverfahren (in engl. PVD Technique) an Hartmetall gebunden werden. Diese Verbindung ist nicht stabil, insbesondere bei der notwendigen Löttechnik und insbesondere auch der Schlagfestigkeit. Im Patent wird der Anspruch auf einen PCD Composite Compact beansprucht, da im Verfahren ein sortenreiner PKD-Körper mit einer Zwischenschicht aus einem verbindenden Material bestehend aus einem Metallsubstrat und einem Anteil aus PKD-Granulat auf einem Hartmetallkörper aufgepresst wird. Dadurch wird eine thermisch höhere Stabilität der Verbindung erzeugt, sowie eine höhere Härte, Zähigkeit und Stärke.
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Das Europäische Patent
DE69824524 beschreibt den Stand der Technik unter [003] dass die PKD Schleifpresslinge an ein Hartmetallsubstrat gebunden werden, welche als Verbundpresslinge bezeichnet werden. Diesem Stand der Technik entsprechen die verschiedenen Patente mit dem Anspruch, dass ein PKD-Körper auf Hartmetall aufgesintert wird. Weiterhin wird unter [003] die Alternative kurz benannt, den Verbundpressling an einem Hartmetallbolzen zu produzieren, sozusagen im Herstellungsprozess. In [0016] wird der Schneidstoff PDC aus einer Verbindung mit Wolframkarbid (engl. Tungsten Carbide) und PKD (engl. PCD) definiert. Der Wolframkarbidkörper besitzt Vorsprünge (d. h. eine optische Rillenstruktur oder andere Strukturierungen). [0019] beschreibt die Herstellung durch das aufpressen von ungesinterten Diamantpartikel auf einem Wolframkarbidkörper. [0021] beschreibt ein optisches Merkmal der Verankerung im Querschnittsmodell.
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Das Patent
DE69428452 beschreibt eine Steuerung eines Bohrmeißels mit PDC Cutter Bestückung. Das Patent
EP0676001 beschreibt einen Bohrmeißel mit PDC Cuttern.
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Begriffserklärung:
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PKD
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Polykristalliner Diamant (PKD, engl. PCD) ist eine synthetisch hergestellte, extrem harte, untereinander verwachsene Masse von Diamantpartikeln mit Zufallsorientierung in einer Metallmatrix. Es wird durch Zusammensintern von ausgewählten Diamantpartikeln bei hohem Druck und hohen Temperaturen hergestellt. Der Sinterprozess wird streng innerhalb des stabilen Bereichs von Diamant kontrolliert, und dabei entsteht eine extrem harte und verschleißfeste Struktur. PKD kommt zum Einsatz als Schneidstoff in Zerspanungswerkzeugen der Holz-, Kunststoff- und Nichteisenmetall-Bearbeitung. Die hohe Affinität des Eisens zum Kohlenstoff des Diamanten lässt nur in seltenen Fällen eine wirtschaftliche Bearbeitung von Stahl zu. Der Kohlenstoff aus dem Diamanten diffundiert mit zunehmender Temperatur in den Stahl, womit die Standzeit des Werkzeugs stark begrenzt ist. PKD können als Produkt des HPHT-Verfahren (Hochdruck-Hochtemperatursynthese) in einem späteren Arbeitsgang auf Hartmetall aufgesintert (z. B. PCD Inserts) werden oder durch ein Halbfertigprodukt im weiteren Produktionsprozess als Erzeugnis durch ein Hochdruck-Flüssigphasensintern hergestellt werden (engl. Bezeichnungen PCD Composite/Compact/Blank).
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Das aus dem Sintervorgang hervorgehende Produkt ist ein Schichtverbundwerkstoff aus einer polykristallinen Diamantmatrix auf einem Hartmetallgrundkörper getrennt durch eine cobaltangereicherte Grenzschicht. Beim ersten Herstellungsverfahren wird von einer lösbaren Verbindung ausgegangen und bei der Herstellung von PCD Composite/Compact/Blank ist die Lösung von Hartmetall nicht mehr zerstörungsfrei lösbar. Eine weitere technische Lösung besteht durch eine dünnschichtigen Beschichtung eines Hartmetall mit PKD.
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PKD ist ein Halbzeug und ein PCD Composite oder PCD Compact oder PCD Blank ist ein Erzeugnis. PCD Composite, PCD Compact und PCD Blank sind Verbundwerkstoffe.
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PDC Cutter
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Polykristalliner Diamond Compact (engl. PDC/PDC Cutter) ist eine nach den Anwendungszweck für Erdbohrungen hergestellter zylindrischer (nach aktuellen Stand) Grundkörper aus Wolframkarbid (engl. Tungsten Carbide) mit einer dünnen Schicht aus qualitativ hochwertigen polykristallinen Diamantpartikeln (PKD, engl. PCD) und/oder Hartmetallpartikel (engl. Cemented Carbide). Die Pressung unter Hitze (sintern) erfolgt durch die Mischung aus polykristallinen Diamantpartikel und/oder Hartmetallpartikeln auf einen Wolframkarbidkörper, welcher an der zu pressenden Oberfläche eine nicht ebene Oberfläche besitzt. Die sogenannte Verzahnung aufgrund der nicht glatten Oberfläche verleiht dern PDC Cutter eine bessere Spannungsverteilung beim Einsatz. Dadurch werden die Schlagfestigkeit und damit die Zuverlässigkeit gegen Zerstörung erhöht.
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Als Pressverfahren wird Hochdruck-Flüssigphasensintern verwendet, welche sich durch eine längere Hochdruck-Hochtemperatursynthese auszeichnet. Es werden vorwiegend nur grobe Körnungen verwendet, welche in der Körnungsgröße von 28–100 Mikron auszeichnet.
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Die Herstellung von PDC Cuttern unterscheidet sich in der Art der Pressung, der verwendeten höherwertigeren, reineren und gröberen Diamant-Substrate und der weit aus höheren Erhitzung während des Pressvorgangs. Hierfür wird ein Wolframcarbidekörper verwendet.
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Die Form des Zylinders ist aufgrund des eigentlichen Anwendungszweckes als Insert für Bohrmeißel und auch durch das Herstellungsverfahren gegeben. Andere Formen sind vorstellbar. PDC Cutter sind eigens für Erdöl-/Erdgasbohrmeißel hergestellte Sonderformen eines Werkzeuges, um insbesondere hartes Gestein durch spannende Zerstörung zu durchdringen, die Motoren zu entlasten und lange Standzeiten auch bei nicht vorhersehbaren Werkzeugerhitzungen zu erreichen. Die Verbindung zum Hartmetall erfolgt während des Herstellungsverfahrens eines PDC Cutters.
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Über diesen Produktionsprozess erreichen PDC Cutter ihre Eigenschaften aus Härte, Abrieb und Widerstand. PDC Cutter sind ein Erzeugnis.
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Wolframcarbide:
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Wolframcarbid ist eine nichtoxidische Keramik bzw. eine intermediäre Kristallphase. Diese wird aus den chemischen Elementen Wolfram und Kohlenstoff gebildet. Es handelt sich um Einlagerungsmischkristalle. Dabei lagern sich durch Aufkohlen Kohlenstoffatome zwischen die Gitterplätze des Wolframs ein. Die Reaktion verläuft über W2C zu WC. Wolframcarbid entsteht auch durch Reduktion von Wolframoxiden mit Kohlenstoff.
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Hartmetall:
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Unter Hartmetallen versteht man gesinterte Carbidhartmetalle. Kennzeichnend für die Hartmetalle sind sehr hohe Härte, Verschleißfestigkeit und besonders die hohe Warmhärte. Sie finden daher eine ausgedehnte Anwendung in der Bestückung von Werkzeugen und Teilen für die Zerspanung, spanlose Formgebung und bei reibendem Verschleiß. Hartmetall gehört den Verbundwerkstoffen an.
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Hartmetall besteht meistens aus 90–94% Wolframcarbid (Verstärkungsphase) und 6–10% Cobalt (Matrix, Bindemittel, Zähigkeitskomponente). Die Wolframcarbidkörner sind durchschnittlich ca. 0,5–1 Mikrometer groß. Das Kobalt füllt die Zwischenräume.
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Schneidwerkstoffe
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Schneidwerkstoffe werden nach der Bearbeitungsart, ihrer Bauform, der Schneidstoffsorte und Zusammensetzung und der Eignung zum unterbrochenen oder kontinuierlichen Schnitt oder Schruppen und Schlichten unterschieden. Die Besonderheiten des Schneidwerkstoffes bieten weitere Formen der Definition des Schneidwerkstoffes.
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Werkzeugtragelement (engl. Bez. support tool)
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Das Werkzeugtragelement bei Schleifwerkzeugen besteht vorwiegend auf einer Metallgrundplatte, welche die sogenannten Diamant-Segmente durch Lötverbindungen aufnimmt. Je nach Hersteller sind unterschiedliche Formen und Ausgestaltungen möglich. Segmente sind die begründeten Werkzeuge, welche zusammen mit dem Werkzeugtragelement das Schleifwerkzeug bilden. Je nach Hersteller kann ein Werkzeugtragelement, ein Werkzeugträger, Aufnahmeträger oder Werkzeugaufnahmeelement sein. Werkzeugtragelement wird hier als Bezeichnung geführt, da je nach Hersteller andere Befestigungsweisen vordefiniert werden. In den englischen Beschreibungen wird das Werkzeugtragelement als „support tool” bezeichnet.
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Aufgabenstellung der Erfindung:
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Aufgabe der Erfindung ist es ein Werkzeug zur Zerspannung von Oberflächen herzustellen, welches zusätzlich noch schlagfest ist und auch für harte und sehr harte Materialien eingesetzt werden kann.
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Es besteht Bedarf an Werkzeugen, welche sehr aggressiv in die zu bearbeitende Oberfläche eingreifen und diese nicht schädigen. Dazu ist es erforderlich schnell einen maximalen Abtrag innerhalb kürzester Zeit zu erreichen und auf Bodenunebenheiten positiv abtragend wirken.
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Bisherige Werkzeuge erreichen nicht den gewünschten Abtrag oder reißen unkontrolliert die oberste Schicht an, wodurch eine nachfolgende Bearbeitung erschwert bzw. unmöglich ist. Es besteht Bedarf an ein schnell abtragendes Werkzeug, welches eine weit aus höhere Standzeit und Zuverlässigkeit auszeichnet. Ziel der Aufgabe ist es, bei hohen Arbeitsleistungen, hier Abtrag die Motorleistung zu verringern.
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PKD Elemente zerbrechen schnell, wenn diese zu starken Vibrationen ausgesetzt wurden oder auf härtere Materialien eingesetzt werden, da diese nicht schlagfest sind. Eine weitere Aufgabenstellung war es ein Werkzeug herzustellen, um auf tellerförmigen Fußbodenbearbeitungsmaschinen/ Bodenschleifmaschinen kontrollierter einen vorher bestimmten Fräsvorgang auszuführen, welcher in Zerspannung und Zertrümmerung vertikal stehender Fräsmaschinen gleich steht, aber weniger Bauteilschwingungen verursacht.
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Eine weitere Aufgabenstellung ist es, insbesondere auf harten Materialien, wie z. B. Granit, metallarmierten Beton, ein grobes Schleifwerkzeug herzustellen, welches als erster Schleifvorgang eine Granulat artige tiefe Abtragung erzielt und zusätzlich die Oberfläche nachträglich nivelliert, aber nicht wie beim Trommelfräsen die Oberfläche nachhaltig schädigt.
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Hauptsächlich besteht die Aufgabe darin, ein Werkzeug für abrasive Oberflächen herzustellen, da bisherige Diamantschleiftechnik hier den höchsten Werkzeugverschleiß hat und keine geeigneten Bearbeitungsmöglichkeiten gegeben sind.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine anwendbare Alternativlösung zu bisherigen Schleifwerkzeugen zu erfinden. Ein Schleifwerkzeug muss durch eine einfache Konstruktion herstellbar sein. Spezielle Aufnahmeträger für Segmente erhöhen das Gewicht der Schleifwerkzeuge und bieten Möglichkeiten so für Unwuchten als auch Verkantungen.
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Der Vorgang des Zerspanens mit einer geometrisch unbestimmten Schneide, hier Schleifen muss durch einen kontrollierten Vorgang mit einer geometrisch bestimmten Schneide erfolgen. Daher ist es Ziel der Erfindung ein komplett neues Schleifwerkzeug zur Bearbeitung von Böden und Flächen zu schaffen, welches durch die geometrisch bestimmte Schneide einen vorher bestimmbaren Erfolg bringt.
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Bisherige Schleifwerkzeuge mit PKD erbringen im Zerspannungsprozess eine Leistung ähnlich des Honen. Dadurch ist der Erfolg bei einer Vielzahl von unterschiedlichen Flächen und Böden nicht gegeben. Aufgrund der Werkzeugstellung, deren Anordnung und Winkel wird ein Erfolg schnell mit einem Werkzeugverlust durch Zerstörung beantwortet. Daher ist es Aufgabe der Erfindung ein Schleifwerkzeug zu erfinden, welches einen Zerspanungsvorgang mit einer geometrisch bestimmten Schneide ausführt.
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Ziel der Erfindung ist es eine anwendbare Lösung zu bisherigen Schleifwerkzeugen aus PKD zu finden, da bei bisherigen Lösungen mit PKD die negativen Eigenschaften des PKD Schneidstoffes keine ausreichende Lösung darstellen. Die eingesetzten PKD Schneiden sind nur bis 650 Grad Celsius Temperaturbeständig, vertragen nur Schnittgeschwindigkeiten bis zu 6.000 m/min bei NE-Metallen, sind nicht stoßverträglich und mit Kontakt mit Metallen wird der Schneidstoff zerstört. Daher ist es Ziel der Erfindung Schleifwerkzeuge zu schaffen, welche aufgrund ihres Arbeitsverhaltens oder durch Eigenschaften im Herstellungsprozess diese negativen Eigenschaften nicht besitzen.
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Im Patent
EP 1844900 wird entgegengesetzt des logischen Denkens eine PKD Schneide in den Werkzeugträger eingesetzt und zugelötet, so dass nur ein geringer Bruchteil des eigentlichen Segments zum Abtrag führt. Hier war es Aufgabe der Erfindung eine sichere Befestigung auf dem Werkzeugtragelement zu schaffen, dass von einem ähnlichen Schneidstoff die vollständige Fläche der Schneide genutzt werden kann. Das Werkzeug führt zu einem Honen, vom Erfinder als Hobeln bezeichnet, welches aufgrund der Befestigung und Konstruktionsweise gegeben ist.
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Daher ist es Ziel der Erfindung eine bessere Orientierung der Werkzeuge (Segmente) durch ein Verfahren aufzuzeigen. Unverständlich und Unverantwortlich bleibt auch der Einsatz auf rotierenden Handwerkzeugen mit einer Umdrehung/Schnittgeschwindigkeit von maximal 4.800 m/min. Die hohe Umdrehung erhitzt das Schleifwerkzeug zu stark, führt zu schnellen Verschleiß der Maschinen und führt das Werkzeug schnell an seine Leistungsfähigkeit. Ziel der Erfindung ist es auch ein arbeitssicheres Werkzeug herzustellen, welches seine volle Leistungskraft bei der kleinsten möglichen Umdrehung voll auszuschöpfen.
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Bei dem bezeichneten Patent wird die Wirkung des Werkzeuges durch die hohe Umdrehung erst erreicht, dies geschieht zu Lasten der eingesetzten Maschinen. Es ist daher Ziel der Erfindung ein Werkzeug herzustellen, welches ohne besonderen Kraftaufwand leistungsfähig ist.
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Bei einer Schnittgeschwindigkeit vom 80 m/s wird beim abreißen eines Segmentes die Projektilgeschwindigkeit einer mindestens einer Softairkugel erreicht mit mindestens 3,8 J, welche aufgrund der Beschaffenheit des PKD Schneidkörpers geeignet ist Körperteile des Anwenders dauerhaft zu schädigen. Daher ist es auch Ziel der Erfindung sichere Werkzeuge herzustellen.
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Gegenüber der Europäischen Patentschrift
EP1321233 soll die Lösung der Erfindung zum Ziel haben, ein eigenständiges Schleifwerkzeug gegenüber bisherigen Diamantschleifsegmenten zu erfinden. Das die auf ein PKD Element wirkenden Kräfte mittels einer zusätzlichen Führung eines Diamantsegmentes nicht mehr benötigt werden.
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Die in der Gebrauchsmusterschrift
DE20120137 beschriebene Möglichkeit PKD Schneiden in Aufnahmetaschen einzusetzen stellt keine Lösung dar, um die negativen Eigenschaften eines PKD Schneidstoffes technisch zu entgegnen.
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Es ist daher grundlegendes Ziel der Erfindung ein Werkzeug zu finden, welches die positiven Eigenschaften eines PKD Schneidstoffes besitzt aber mittels einer technischen Lösung die negativen so auskehrt, das die Schleifwerkzeuge dauerhaft einsetzbar sind und seine Herstellung vereinfachter auf nahezu jeden Werkzeugträger appliziert werden kann.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Schleifwerkzeug, welches aus einem Werkzeugtragelement und den Schleifelementen (nachfolgend als Segmente bezeichnet) PCD Composite oder PCD Compact oder PCD Blank oder PDC Cutter bestehen, insbesondere zur Bearbeitung von nahezu allen Natur- und Kunststeinböden, Beton- und Asphaltflächen, Entfernung von weichen Beschichtungen und abrasiven Oberflächen.
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Im Vergleich zum bisherigen Schleifen ist der Abtrag mit diesem Werkzeug aus PCD Composite/Compact/Blank oder PDC Cutter zerspannend und wesentlich schneller und effektiver. Daher eignet sich dieses Produkt, so dass die Erfindung darauf zielt ein Verfahren zur Implantation ein für andere Anwendungen hergestelltes Produkt zu entwickeln
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PCD Composite/Compact/Blank und PDC Cutter sind eigenständig hergestellte Schneidstoffe. Ihre Herstellung, insbesondere das Hochdruck-Flüssigphasensintern verleihen den Schneidstoff bessere Eigenschaften, als bei einem PKD. So ist die Temperaturbeständigkeit weit aus höher. Die Stoßverträglichkeit ist je nach Herstellungsform von 60 Joule und höher gegeben.
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Diese Erfindung ist auf nahezu allen Werkzeugtragelementen unterschiedlicher Bauformen für unterschiedliche Werkzeugaufnahmen von Schleifmaschinen zu applizieren.
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Gegenüber bisherigen Verfahren des Trommelfräsens ist es Ziel der Erfindung das Untergrund nicht geschädigt wird und eine ebene aufgeraute Oberfläche erzielt. Erfindungsgemäß wurde ein kostengünstiges Segment gesucht, welches in der Lage ist auf harte Steinmaterialien einen zerspannenden Vorgang ohne Zerstörung des Steines zu finden. Die Erzeugnisse PCD Composite/Compact/Blank und PDC Cutter werden bereits bei Eröl-/Erdgasbohrungen erfolgreich gegen hartes Gestein eingesetzt.
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Die Erfindung löst den Einsatz als Schleifmaterial, wofür PCD Composite/Compact/Blank oder PDC Cutter nicht hergestellt werden. Dazu war es notwendig entsprechende Verfahrensschritte zu erarbeiten, um eine sichere Verbindung auf dem Werkzeugtragelement zu erzielen, da das Werkzeugtragelement keine Aufnahmen für PCD Composite/Compact/Blank oder PDC Cutter ähnlich eines Bohrmeisels bietet.
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Bisher wurden Schleifwerkzeuge hergestellt aus losen Körnungen aus synthetischen Diamant in einer Metallbindung, welches auf einem Werkzeugtragelement mittels Hartlöten befestigt wurden.
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Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Verfahren PCD Composite/Compact/Blank oder PDC Cutter so zu bearbeiten, dass diese auf einem Werkzeugtragelement befestigt werden können.
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Da PCD Composite/Compact/Blank oder PDC Cutter einen dreidimensionalen Körper (Würfel, Zylinder usw.) haben, ist es empfehlenswert, diesen Körper zu schneiden. Die Schnittkante bildet den Befestigungspunkt durch Hartlöten, da die Außenkanten aufgrund der Herstellung sehr glatt sind und das Hartlöten an einer Schnittkante erfolgreicher ist. Der Schnitt ist so auszuführen, dass eine geraute Oberfläche entsteht, damit ein späteres Hartlöten möglich ist. Saubere Schnitte sind aufzurauen.
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Der Schnitt erfolgt durch die Mittelachse, so dass der Zylinder halbiert wird. Aus dem Schnitt zweier gleicher Körper ist der Zylinder getrennt. Die Mittelachse bildet die nachträgliche Befestigungsfläche. Aus dem Grundkreisradius des Zylinders ergeben sich unterschiedliche Intensitäten und Bearbeitungsmöglichkeiten des Schleif- und Fräswerkzeugs. Es ist auch vorstellbar, parallel zur Mittelachse zwei unterschiedlich Körper zuschneiden.
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Die Höhe des Zylinders ist durch das aufgesinterte Hartmetallstück stärker in der Höhe bestimmt und ist eine unwesentliche Größe. Durch zusätzliche Auflötungen von Eisenmetallen hintern dem PCD Composite/Compact/Blank oder PDC Cutter wird deren Halt am Werkzeugtragelement erhöht werden und zusätzliche Gleiterschicht durch eine Verlängerung des Körpers appliziert werden. Hartmetall und PKD bilden keine dauerhaft feste und sichere Verbindung beim löten.
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Durch die zusätzliche Stütze aus Eisenmetall wird ein Auflötwinkel geschaffen, welcher auch stärke Schläge verträgt. Die zusätzliche Stütze wird im weiterem Arbeitsgang passend zum Körper schräg angeschliffen.
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Die Bearbeitung der benannten Oberflächen erfolgt durch das Werkzeug vorwiegend mit dem äußeren Kreisradius. Eine unregelmäßige Anordnung von gleichen Segmenten ist vorstellbar, als auch verschiedene durch Kreisradien bestimmte Segmente. So ist es möglich auf der äußeren Werkzeugaufnahme einen geringeren Kreisradius zu befestigen und weiter innen einen größeren Kreisradius. So ist es möglich mit der Außenkante des Werkzeugs Unebenheiten, sozusagen am Gipfel des Berges abzutragen und durch das rotierende, fortschreitende Werkzeug nachfolgend mit dem größeren Kreisradius abzutragen. BILD GROß/Klein
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Lötverbindungen von schwierigen Materialien und die Herstellung eines gleichbleibenden Spanwinkels bei einer Vielzahl von Segmenten erfordern einen zeitlichen Faktor bei der Herstellung. Das Ziel der Erfindung wurde damit gelöst, da die Wirkung aus dem Zerspannungsverhalten der geometrisch bestimmten Schneide aufzeigt werden kann. Die Schneide rutscht damit nicht ab bzw. führt zu Blockierungen. Aufgrund der geometrischen Form wird ein hoher und gleichbleibender Abtrag gewährleistet. Eine saubere Scherleistung wird damit erreicht. Es wird kein unnötiges Material herausgerissen, welches sozusagen durch das Werkzeug und seinem Spanwinkel abgerissen wird.
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Durch die geometrisch bestimmte Schneide, als auch der durch die geometrisch bestimmte äußerste Kreisradiusschneide bedarf es keiner Spanräume, da das Werkzeug nach dem Prinzip eines Eisbrechers arbeitet. Die geometrische bestimmte Schneide greift in das Material ein und wirft es seitlich aus. Der so Granulat artige entstehende Abfall reinigt das Werkzeug durch umherwirbeln und wirkt nicht negativ auf das Werkzeug. Dieser Vorgang ist nahezu staubfrei, aufgrund eines Granulat artigen Abtrages.
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Die Erfindung des Werkzeugs kann sich vorstellen, dass aus verschiedenen dreidimensionalen geometrischen Figuren vorstellbares Segment aus PCD Composite/Compact/Blank oder PDC Cutter auf einem Werkzeugtragelement befinden. Die dreidimensionale geometrische Figur kann sich aus dem unverschnittenen Herstellungszustand oder durch formgebendes Schneiden des Presslings hergestellt werden.
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Die Schnittflächen werden zum Werkzeugtragelement gerichtet durch ein spezielles Verfahren durch Hartlötverbindung befestigt. Hartlöten ist die geeignete Verbindung, da dadurch die Belastung der Verbindung durch eine hohe Scherfestigkeit gewährleistet wird. Die Löttemperatur liegt zwischen 670–730 Grad Celsius. PCD Composite/Compact/Blank oder PDC Cutter haben eine Temperaturbeständigkeit bis 750 Grad Celsius.
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Die zusätzliche angelötete Stütze aus Stahl, Übergangsmaterialien und Legierungen unterstützt die mechanisch stark beanspruchte Lötverbindung. Es ist auch vorstellbar eine Stütze aus Hartmetallstücken aufzulöten bzw. das Segment auf eine geformte Stütze des Werkzeugträgers zu befestigen.
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Die Stütze dient zusätzlich dazu das Segment gegen Stöße abzusichern. Die Stütze soll einen zusätzlichen Abschluss bilden. So kann vermieden werden, dass das Schleifwerkzeug, welches nur in einer rotierenden Richtung wirkt, bei falscher Benutzung und Drehrichtung zerstört wird.
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Der Nutzer nimmt durch die Gegenrichtung nur durch Wirkungsverlust wahr, kann aber mit Sicherheit davon ausgehen, dass das Segment ausreichend geschützt ist.
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Zusätzlich bietet eine Stütze die Möglichkeit, den auf das zu bearbeitende Material gleitenden Hartmetallkörper oder Wolframcarbidekörper zu verlängern.
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Bevorzugte Grundformen ist der Zylinder. Durch die dreidimensionale Form des Zylinders lassen sich beim Schneiden durch die Mittelachse, parallel zur Mittelachse und winklig zur Mittelachse verschiedene Werkzeuge herstellen, so dass auch unterschiedliche Schnittwinkel zur Werkzeugaufnahme hergestellt werden können.
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Die erfinderische Lösung wird kurz an einem möglichen Beispiel verdeutlicht.
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Der Zylinder aus PCD Composite/Compact/Blank oder PDC Cutter wird in der Achse geschnitten. Dadurch entstehen zwei halbe und gleiche Zylinder. Die halben Zylinder werden mittels einer Lötverbindung in Schleifrichtung mit der Schnittfläche zum Werkzeugtragelement auf dem Werkzeugtragelement befestigt. Das Werkzeugtragelement wird an der Schleifmaschine (je nach Hersteller) befestigt, so dass der Umfang (Kreissektor) des Segments mit der kleinsten Angriffsfläche auf den zu bearbeitenden Untergrund anliegt. Durch die sogenannte Bauchigkeit des Zylinders wird mehr Werkzeugfläche zur Verfügung gestellt, desto tiefer das Werkzeug eindringt. Dadurch kann mit verschiedenen Radien eines Zylinders (Kreissektor) eine unterschiedliche Griffigkeit erzeugt werden. Spannräume werden nicht benötigt, da das Werkzeug mit nur einem Drittel in das zu bearbeitende Material eingreift. Es besteht genügen Werkzeugfläche zur Verfügung, welche insbesondere dann wirken kann, wenn das Werkzeug in bedrohliche Unebenheiten oder sogenannte Nester gerät. So trägt diese Erfindung auch im Wesentlichen den Arbeitsschutz bei, da schon aus der Konstruktion ein Verkanten der Arbeitsmaschine vermieden wird.
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Durch die Bauchigkeit des Zylinders werden Unebenheiten in der Fläche oder im Boden nicht zum Verhängnis der Zerstörung des Werkzeuges. Man kann hier durch die unterschiedlichen Radien sensiblere Werkzeuge herstellen. Bisherige Schleifmethoden zur Bearbeitung von Kunst- und Naturstein waren bisher auf einen Abtrag der Oberfläche ausgerichtet. Die Maschinentechnik hatte an Senken aus Unebenheiten meist den gleichen Abtrag, wie an ebenen Stellen, da die Maschinentechnik sich mit dem Werkzeug in die Unebenheit mitabsenkte und die Unebenheit übernahm.
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Insbesondere war es Ziel der Erfindung ein Schleifwerkzeug zu schaffen, welches die Möglichkeit hat zusätzliche ihren Wirkungsgrad in der Z-Achse zuhaben.
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Durch die bauchige Zylinderform werden sogenannte Z-Achsen und deren Unebenheiten durch die äußerste Kante sozusagen abgehobelt, so dass das Schleifwerkzeug zweifach wirkt. Dieser Effekt kann durch eine Absenkung des vorderen Segments durch Einkerbung bzw. ähnliche Vertiefung unterstützt werden.
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Erstmals wurde hiermit ein Werkzeug zur Bearbeitung der Z-Achse erfunden. Bisherige Werkzeuge konnten nur in der Y-Achse durch mahlen Material abtragen und nur unwesentlich durch ihren Schleifkörper die X-Achse ebenen.
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Die dreidimensional Körperformen der Segmente der Erfindung erzielen auch einen dreidimensionalen Schleifeffekt, dies verdanken sie der Anordnung der Segmente, der Befestigung der Segmente als auch ihrer Möglichkeiten der schneidbaren Formen, welche an den Wirkseiten eine Schnittkante haben, welche durch einen herstellungsbedingten Tragkörper selbst von dem zu bearbeitenden Material und der aus dem Maschinengewicht ergeben Gravitation besten Schnittfaktor ergeben. Das Verfahren ist mit dem spanenden Räumen zu vergleichen.
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Beim Schneiden bleiben die wesentlichen Bestandteile des dreidimensionalen Körpers bestehen, welche sozusagen aus einem Teil einer Schneide und dem anderem Teil eines stabilisierenden Körpers besteht. Der Stabilisierende Körper (Hartmetall bzw. Wolframcarbide) bildet aufgrund der Anordnung einen zusätzlichen Gleitkörper für das Schleifwerkzeug. Dadurch müssen die Werkzeuge nicht ausgewuchtet werden.
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In Testversuchen hat sich gezeigt, das eine gewisse Unwucht die Scherkräfte erhöht. Diese Unwucht kann durch mehr oder weniger Segmente gesteuert werden. Zusätzliche Stützen und deren Gewichte können dazu dienen die Unwucht zu kontrollieren, in dem ein unwuchtiges Werkzeug, ähnlich einer Radauswuchtung durch zusätzliches auftragen vom Metall beschwert oder erleichtert wird.
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PCD Composite/Compact/Blank und PDC Cutter werden in unterschiedlichen Baugrößen hergestellt. Schon aus diesem Grund lassen sich unterschiedliche Zerspannungsleistungen aus dem Kreisradius erzielen.
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Aufgrund der Möglichkeiten des Schneidens der Körper lassen sich andere Größen und dreidimensionale geometrische Körper schneiden und damit kann das Werkzeug direkt auf Härte und Material abgestimmt werden.
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Es ist vorstellbar, sogenannten Werkzeugmodellen spezifische Eigenschaften aus diesem zuzurechnen, um den Nutzer deklarierte Einsatzmöglichkeiten aufzuzeigen.
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Die nach diesem Verfahren in der Achse geschnittenen Zylinder eignen sich besonders für sensible Gesteine und zum Nivellieren von Fußböden.
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Sofern ein Nivellieren von stark unebenen Böden erforderlich ist, kann das Werkzeug verwendet werden. Ein wesentlicher Bestandteil dieser Erfindung ist es, das alle nach diesem Verfahren hergestellten Werkzeuge sozusagen „Allround” eingesetzt werden können und ein zusätzliches Bearbeitungsmerkmal zu haben.
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Durch die Verwendung der Erzeugnissen von PCD Composite/Compact/Blank und PDC Cutter werden die Herstellungskosten eines Schleifwerkzeuges gesenkt, da die Segmente bereits vom Hersteller angeboten werden und nicht erst durch zusätzliche Arbeitsschritte an einem Hartmetallkörper befestigt werden müssen. Die PCD Composite/Compact/Blank bzw. PDC Cutter können problemlos im Servicebereich ausgetauscht werden.
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Die Lebensdauer von PCD Composite/Compact/Blank sind gegenüber PDC Cuttern begrenzter, aber übersteigen im Weitem bisherigen Schleifwerkzeuge um ein vielfaches. Die Lebensdauer insbesondere bei harten und abrasiven Gestein ist deutlich erhöht.
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Durch die geometrisch bestimmte Form und dem Körper rutscht das Werkzeug schneidend auf der zu bearbeitenden Fläche, dies führt zu einer Entlastung des Motors der Bodenschleifmaschine. Durch eine dauerhaft konstante und gleichbleibende Schleifleistung kann die Motordrehzahl bei drehzalregulierten Bodenschleifmaschinen stark abgesenkt werden. Es hat sich in zu Testzwecken hergestellten Versuchen herausgestellt, das die Leistung einer 130 kg schweren Bodenschleifmaschine mit 3000 Watt mit diesen Werkzeugen einer weit aus leistungsfähigeren gleich steht. Im Versuch wurde hierzu mit einer 400 kg schweren Maschine mit 11 kw verglichen.
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Bei schwierig zu bearbeitenden Böden, insbesondere bei thermoplastischen, war die 400 kg schwere und mit 11 kw leistungsfähigere Maschine bereits nach kurzem Abtrag an den Grenzen der Leistung. Mit den zu Testzwecken hergestellten Werkzeugen wurde nur ein geringer Teil der Leistung der Maschine gefordert. Auch die kleinere Maschine verrichtete problemlos auf dieser Testfläche ihre Arbeit. Auf dieser Testfläche wurde mit herkömmlichen Werkzeugen nur unter dem Einsatz von Wasser ein Bearbeiten möglich. Mit dem erfundenen Werkzeug wurde problemlos trocken geschliffen. Erfindungsgemäß wurde ein hoher Abtrag von 13 kg pro Quadratmeter erzielt, anstatt mit herkömmlichen Werkzeugen 1,5 kg. Beim Vergleich der Werkzeuge wurde eine Abnutzung der herkömmlichen Werkzeuge mit einer Anhaftung von Materialresten des Anschliffs festgestellt. Die erfunden Werkzeuge waren frei von anhaftenden Materialresten aus Abschliff und eine Abnutzung konnte nicht festgestellt werden.
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Die so nach dieser Erfindung hergestellten Werkzeuge leisten ein hohes Abtragsverhalten auch bei geringen Drehzahlen, so dass sich die Schwingungen welche durch die Bearbeitung normalerweise entstehen verringerten.
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Erfindungsgemäß sind die Werkzeuge nicht an Geschwindigkeiten gebunden. Sie können sowohl auf drehzahlreduzierten als auch schnelldrehenden Maschinen eingesetzt werden.
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Nach diesen Versuchen zur Entwicklung der Werkzeuge kann folgende Aussage getroffen werden:
Ein hoher Abtrag erfordert eine höhere Leistungskraft der eingesetzten Maschinen, so dass die eingesetzten Maschinen am Rande der Leistungsfähigkeit arbeiten und dadurch Motor und Lagerschäden vorprogrammiert sind. Mit den hier vorgestellten Werkzeugen wird nur ein bis zwei Drittel der sonst benötigen Leistung gebraucht. Die sehr hohe Schneidkraft der Werkzeuge belastet die Schleifmaschinen weniger. Selbst mit geringen Drehzahlen kann ein hoher Abtrag erzielt werden. Da bisher Schleifmaschinen mit einer größeren Arbeitsfläche auch mehr Leistung benötigten, ist es vorstellbar neue Maschinen zu entwickeln, welche eine große Arbeitsfläche haben und eine geringere Leistung, unabhängig vom Schleifdruck beanspruchen.
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Erfindungsgemäß wurde ein Werkzeug hergestellt, welches einen hohen Abtrag gewährleistet, aber die Oberfläche nicht schädigt, so dass weitere erforderliche Arbeitsgänge z. B. zur Herstellung von optischen Oberflächen problemlos mit anderen Werkzeugen möglich sind. Auch ist das Werkzeug geeignet zur Untergrundvorbereitung, da es lose und unebene Oberflächenbestandteile schnell abträgt und eine zusätzliche Bearbeitung nicht notwendig ist. Dieses Werkzeug kann als Alternative zum herkömmlichen Trommelfräsen oder Kugelstrahlen unter Bodenschleifmaschinen eingesetzt werden. Es wird mit dem Werkzeug eine ebene und beschichtungsfähigere Oberfläche erreicht.
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Erfindungsgemäß wurde hier ein Werkzeug erfunden, welches trotz des hohen Spanens nur eine geringe Hitzeentwicklung aufweist, da durch die geometrisch bedingten dreidimensionalen Formen genügend Hitze absorbiert werden kann. Das hat zum Vorteil, dass Arbeitspausen, welche sich sonst bei Werkzeugen ergeben, ersparen lassen. So lassen sich auch insbesondere thermoplastische Beläge bearbeiten. So ist z. B. beim Asphalt eine Werkzeugtemperatur von über 80 Grad Celsius aufgrund der Erweichung schädigend. Die mit dieser Erfindung hergestellten Werkzeuge bieten eine konstante Wärmeableitung. Eine Erhitzung, welche Maschinenteile schädigen könnte ist nicht gegeben.
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Auch die bisherige Definition von Schleifkörnungen, welche bisher durch die enthaltene Körnung definiert wurde kann mit diesen nach diesem Verfahren hergestellten Werkzeugen erweitert werden. So lassen sich neue und technisch anwendbare Körnungen aus den verschiedenen Radien der geometrischen Zylinderkörpern der Segmente definieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 20220969 U1 [0001]
- EP 1844900 B1 [0002]
- EP 1321233 [0002, 0004, 0006, 0008, 0042]
- DE 20120137 [0002, 0004, 0005, 0043]
- DE 20220969 [0002, 0004, 0007]
- DE 202008015415 [0008]
- DE 29824804 [0009]
- DE 112006002143 [0010]
- DE 69333029 [0011]
- US 7462003 [0012]
- DE 69824524 [0013]
- DE 69428452 [0014]
- EP 0676001 [0014]
- EP 1844900 [0038]
