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Querverweis zu verwandten Anmeldungen
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Die Anmeldung beansprucht die Priorität der am 25. Oktober 2017 eingereichten vorläufigen
US-Anmeldung 62/576942 , auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird.
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Fachgebiet
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Diese Technik bezieht sich auf Turbinenstrukturen. Insbesondere bezieht sie sich auf Mikrostrukturen auf Turbinenblätter von Windkraftanlagen.
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Kurzbeschreibung
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In einer Ausführungsform umfasst eine Formvorrichtung für ein Turbinenblatt eine erste und eine zweite Formkammer, die in geschlossener Position eine Hohlform definieren, wobei die erste und/oder die zweite Formkammer eine mikrostrukturierte Oberfläche umfasst, die dem Innern der Hohlform zugewandt ist. Die mikrostrukturierte Oberfläche umfasst eine Anordnung von V-förmigen Kanälen, und die V-förmigen Kanäle haben eine maximale Höhe von 200 Mikrometern.
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In einer Ausführungsform umfasst ein Turbinenblatt eine Hauptachse, die entlang einer längsten Abmessung des Turbinenblatts verläuft, und das Turbinenblatt weist einstückig ausgebildete Riblets, die eine maximale Höhe von 200 Mikrometern haben, auf der Oberfläche des Turbinenblatts auf.
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In einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Turbinenblatts die Bildung einer mikrostrukturierten Oberfläche auf der ersten und/oder der zweiten Formkammer. Die erste und die zweite Formkammer definieren in geschlossener Position eine Hohlform für das Turbinenblatt. Die mikrostrukturierte Oberfläche umfasst eine Anordnung von V-förmigen Kanälen, wobei die V-förmigen Kanäle eine maximale Höhe von 200 Mikrometern haben. Das Verfahren umfasst weiterhin das Fließenlassen von Monomer oder flüssigem Polymer in die Hohlform, das Polymerisieren oder Härten des Monomers oder flüssigen Polymers in der Hohlform unter Bildung eines Turbinenblatts mit einer mikrostrukturierten Riblet-Oberfläche; und das Entnehmen des Turbinenblatts mit der mikrostrukturierten Riblet-Oberfläche aus der Hohlform.
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Figurenliste
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- 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Windkraftanlage.
- 2 ist ein Diagramm einer Anordnung von Riblets.
- 3 ist eine perspektivische Ansicht einer typischen Form für ein Turbinenblatt einer Windkraftanlage.
- 4 ist eine perspektivische Ansicht des oberen und des unteren Abschnitts einer Form für ein Turbinenblatt einer Windkraftanlage.
- 5 ist eine mikroskopische Aufnahme, die eine Querschnittsansicht von V-förmigen Riblets auf einer Folie zeigt, welche verwendet werden kann, um eine Form für ein Turbinenblatt zu überziehen und Kanäle auf ein geformtes Turbinenblatt zu prägen.
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Hintergrund und ausführliche Beschreibung
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1 zeigt eine Windkraftanlage 1, die eine Nabe 2 und mehrere Blätter 3 umfasst. Turbinenblätter von Windkraftanlagen werden typischerweise aus Polyester- oder Kohlenstofffaserverstärkten Verbundstoffen geformt. Der Blattdurchmesser von Offshore-Windkraftanlagen kann 170 Meter (557 Fuß), wie zum Beispiel 100 Fuß bis 450 Fuß oder 200 Fuß bis 300 Fuß erreichen. Der Blattdurchmesser bezieht sich in diesem Fall auf den vollen Durchmesser des Kreises, in dem sich die äußeren Ränder der Turbinenblätter der Windkraftanlagen bewegen.
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Riblet-Folien, die auf V-förmigen Rillen verschiedener Form und Größe bestehen, können den Reibungswiderstand reduzieren, wenn sie auf eine aerodynamische Oberfläche, wie Oberflächen von Flugzeugen, aufgebracht werden. Zahlreiche Studien wurden durchgeführt, um die optimalen Riblet-Konfigurationen zu bestimmen, um die Effizienz von Turbinenblättern von Windkraftanlagen zu erhöhen. Ein Beispiel dafür ist eine Arbeit mit dem Titel „Drag Reduction Using Riblet Film Applied to Airfoils for Wind Turbines“, die Agrim Sareen im Jahre 2012 am Graduate College der Universität Illinois in Urbana-Champaign zu diesem Thema eingereicht hat, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird. Siehe auch Agrim Sareen et al., „Drag Reduction Using Riblet Film Applied to Airfoils for Wind Turbines“, 49. AIAA Aerospace Sciences Meeting einschließlich des New Horizons Forum und der Aerospace-Ausstellung vom 4.-7. Januar 2011, Orlando-Florida, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird. Alle Abstände oder anderen numerischen Werte, die dort offenbart sind, können hier so verallgemeinert werden, dass sie einen Bereich von 25 bis 300%, wie 50% bis 200% oder 75% bis 150%, aufweisen.
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Zwar wurde das Konzept des Aufbringens verschieden geformter und dimensionierter V-förmig gerillter Folien auf die Oberfläche von Turbinenblättern von Windkraftanlagen vorgeschlagen, doch gibt es Probleme mit der Anhaftung der Folie an die Blattoberfläche und Ersatzkosten, falls die Folie sich abschält. Dies ist insbesondere dann ein Problem, wenn sich der Windpark in einer entlegenen Gegend oder im Ozean befindet. Dagegen gibt die hier beschriebene Technik Verfahren an, um die Riblet-Struktur direkt in das Turbinenblatt hineinzuformen, wenn es hergestellt wird.
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Turbinenblätter von Windkraftanlagen werden zurzeit dadurch hergestellt, dass man ein duroplastisches Polymer, wie ein Epoxidharz, Vinylester oder Polyester, in Kombination mit 70% bis 75 Gew.-% Glasfasern in eine Form gießt. Es besteht auch Interesse an Kohlenstofffasern, die für eine verbesserte Steifigkeit und ein reduziertes Gewicht sorgen können. Nachdem das Polymer gehärtet ist, wird das Blatt aus der Form entnommen und auf seine Qualität hin untersucht.
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In einer Ausführungsform kann Riblet-Folie in der Form, die das Blatt erzeugt, die Strukturen direkt in das Blatt hinein replizieren, wenn es hergestellt wird. In einer Ausführungsform hat die mikrostrukturierte Oberfläche dieselbe Zusammensetzung wie der größte Teil des Turbinenblatts. In einigen Fällen könnte die Riblet-Folie in der Form auf dem Blatt verbleiben und zusammen mit dem Blatt aus der Form entnommen werden, um die Oberfläche während des Transports und der Montage zu schützen, und dann könnte sie direkt nach Beendigung der Montage entfernt werden.
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2 zeigt ein Diagramm einer Anordnung von Riblets 5, die sich auf der äußeren Oberfläche der polymeren Windkraftanlage befinden würden. Der Raum zwischen den Riblets 5 kann als Kanal 7 bezeichnet werden, wie hier offenbart ist. Die Riblets sind Präzisionsmikrostrukturen und können irgendwelche oder alle die folgenden Merkmale aufweisen: präzise Tiefen; flache Oberflächen mit präziser Winkelausrichtung; feine Oberflächenglätte; scharfe eckige Merkmale; und präzise Abmessungen der Elemente und/oder präzise Trennung der Elemente. Die Natur und die Abmessungen der geformten Oberfläche beeinflussen die funktionellen Attribute der geformten Produkte.
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Die Präzision der Kanäle auf dem Blatt ist eine Funktion sowohl der Geometrie des Formwerkzeugs als auch der Herstellungstechniken. In einer Ausführungsform können die Riblets in die Oberfläche des Blatts eingebracht werden, indem man die Form mit einer Folie überzieht, die Riblets mit im Wesentlichen derselben (aber umgekehrten) Geometrie wie der, die man in das Blatt formen möchte, umfasst. In einigen Ausführungsformen kann die Folie mit dem Blatt aus der Form entnommen werden und als Schutzfolie auf dem Blatt verbleiben, bis das Blatt aus der Fabrik transportiert und auf der Turbine in Betrieb genommen wird. In einer anderen Ausführungsform kann die Form selbst die Riblets integral und permanent auf ihrer Oberfläche tragen.
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Die Riblets können eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen:
- (a) flache Oberflächen 10 mit eckigen Schrägen 13, die bis auf eine Toleranz von 5 Minuten relativ zu einem Referenzwert, besonders bevorzugt eine Toleranz von 2 Minuten relativ zu einem Referenzwert, oder bis wenigstens 99,9% des vorgegebenen Werts gesteuert sind;
- (b) präzise geformte (d.h. sehr glatte) Oberflächen mit einer Rauigkeit von weniger als 100 Ängström (RMS) relativ zu einer Referenzoberfläche, wie 75 bis 5 Ängström (RMS) oder 60 bis 25 Ängström (RMS), besonders bevorzugt mit einer Rauigkeitskonfiguration, die mit der von weniger als 50 Ängström (RMS) relativ zu einer Referenzoberfläche recht genau übereinstimmt. Dies ermöglicht eine geringe Reibung und einen minimalen Reibungswiderstand, was zu einer glatten kontinuierlichen nichtdiffusiven Strömung führt, die dem Fluid eine laminare Strömung ermöglicht. Die Oberflächenrauigkeit kann gemäß ISO 10110-8 bestimmt werden;
- (c) winklige spitze Merkmale mit einem Kantenradius (Schärfe) 23 und/oder Eckradius der Krümmung von weniger als 0,001 Zoll (25 Mikrometer), wie 20 bis 1 Mikrometer oder 15 bis 5 Mikrometer, und kontrolliert auf weniger als 0,1% Abweichung, wie 0,05 bis 0,005% oder 0,01 bis 0,0001% Abweichung;
- (d) genau kontrollierte Abmessungen innerhalb der Ebene der Bahn im Sinne der Konfiguration einzelner Riblet-Elemente und/oder des Ortes mehrerer Elemente relativ zueinander oder einem Referenzpunkt;
- (e) sehr scharfe Punkte und scharfe Grate (weniger als 0,00028 Zoll (7 Mikrometer), wie 1 bis 6 Mikrometer oder 2 bis 5 Mikrometer;
- (f) die Riblets können eine Genauigkeit von 90% oder mehr, wie 93% bis 99,5% oder 95% bis 98%, aufweisen, der Querschnittsfläche über die Länge des Kanals hinweg erhalten bleiben; und von Kanal zu Kanal, wobei die Abmessungen im Bereich von 0,00020 bis 0,008 Zoll (5-200 Mikrometer) Tiefe, wie 10 bis 150 Mikrometer oder 20 bis 100 Mikrometer, und 0,00020 Zoll bis 10 Zoll (5 Mikrometer bis 25,4 cm) Breite (Peak zu Peak) 27, wie 15 Mikrometer bis 15 cm oder 100 Mikrometer bis 1 cm oder 50 bis 90 Mikrometer, liegen. Die Riblets können eine Länge von 0,1 bis 20 Fuß, wie 1 bis 5 Fuß oder 1,2 bis 3 Fuß, aufweisen.
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In Ausführungsformen können die Riblets in einem durchgehenden Muster von fast identischen Tiefen und Breiten vorliegen. In anderen können einige oder alle Teile der Riblets mit Mustern unterschiedlicher Tiefe oder unterschiedlicher Breite gebildet sein. In einigen Ausführungsformen können ein oder mehrere Riblets zwischen Kanälen weggelassen und mit einem flachen Zwischenraum zwischen den Peaks der abgelegenen Riblets aufgefüllt sein. Typischerweise sind die Riblets in einem repetitiven Muster angeordnet; aber das Blatt kann auch nichtrepetitive Anordnungen aufweisen.
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Wenn wir uns erneut auf 1 beziehen, so weist das Turbinenblatt in einer Ausführungsform eine Hauptachse auf, die längs von Basis bis Spitze verläuft, und die Riblet-Anordnung verläuft im Wesentlichen quer zur Hauptachse. In einer Ausführungsform verläuft diese Riblet-Anordnung in einem Bereich von plus oder minus 20 Grad, 10 Grad oder 5 Grad um den Winkel senkrecht zur Hauptachse des Blatts herum. Die Riblet-Anordnung kann sich auf einem oberen Teil 8, unteren Teil 4 oder sowohl einem oberen als auch unteren Teil 8, 4 des Blatts 3 befinden. In einer Ausführungsform befindet sich die Riblet-Anordnung 5 auf der Hinterkante des Blatts 3, d.h. auf der am stärksten sich verjüngenden Kante, die so montiert werden muss, dass sie von dem vorherrschenden Wind weggewandt ist. Im Gegensatz zu früher vorgeschlagenen Lösungen weist das Turbinenblatt keine Folienschicht auf.
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In einer Ausführungsform sind die Riblet-Anordnungen so angeordnet und dimensioniert, wie es in Agrim Sareen et al., „Drag Reduction Using Riblet Film Applied to Airfoils for Wind Turbines“, 49. AIAA Aerospace Sciences Meeting einschließlich des New Horizons Forum und der Aerospace-Ausstellung vom 4.-7. Januar 2011, Orlando-Florida, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird, offenbart ist. Die Anwendung von Riblets erfolgt in erster Linie, in manchen Fällen ausschließlich, auf die turbulente Zone des Turbinenblatts, um Widerstand gegen die Hinterkante des Blatts zu reduzieren. Die Anordnungen können bezüglich der Größe, Reynolds-Zahl und des normalen Angriffswinkels variieren. Im Allgemeinen gilt: Je größer die Riblet-Größe, d.h. -Breite, desto kleiner ist die optimale Reynolds-Zahl. Der normale Angriffswinkel kann 0 bis 20 Grad, wie 2 bis 12 Grad oder 4 bis 8 Grad, betragen. In einer Ausführungsform liegen die Höhe der Riblet-Peaks und der Peak-zu-Tal-Abstand innerhalb von plus oder minus 10%, wie plus oder minus 5% oder plus oder minus 1%, voneinander.
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3 und 4 zeigen Formwerkzeuge 50, 60 für Turbinenblätter mit mikrostrukturierten Oberflächen. Das Formwerkzeug 50 von 3 ist ein einseitiges Werkzeug mit einer ersten Formkammer 52, wobei eine obere Formkammer (nicht gezeigt) über die erste Formkammer 52 gelegt wird, um das Formwerkzeug 50 zu schließen. Das Formwerkzeug 60 von 4 ist eine offene und schließbare zweiseitige Form, die eine erste 62 und eine zweite 64 Formkammer umfasst. In den Formen 50, 60 wird das Riblet-Muster in ein Turbinenblatt eingeprägt, und das Muster ist ein umgekehrtes Muster eines vorbestimmten geometrischen Musters, das ausgehend von den Formwerkzeugen 50, 60 von einem umgekehrten Muster auf eine mikrostrukturierte Oberfläche 55, 65, 67 auf den Formkammern 52, 62, 64 repliziert wird. In einer Ausführungsform werden die Werkzeuge oder Formen 50, 60 aus galvanisierten Vorlagen hergestellt, die die Schaffung von genau gestalteten Strukturen, z.B. Riblet-Anordnungen, ermöglichen. Bei dem Muster der Riblets kann es sich um die oben offenbarten handeln.
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In einer Ausführungsform definieren die erste und die zweite Formkammer 62, 64 eine Hohlform, wenn sie sich in einer geschlossenen Position befinden. Die erste und/oder die zweite Formkammer 62, 64 umfassen eine mikrostrukturierte Oberfläche 65 und/oder 67, die dem Innern der Hohlform zugewandt sind, wobei die mikrostrukturierte Oberfläche 65/67 eine Anordnung von V-förmigen Kanälen umfasst.
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In einer Ausführungsform ist die hier offenbarte Vorrichtung eine Modifikation einer ansonsten herkömmlichen Formvorrichtung und Formproduktionsstraße. Die Form kann durch Werkzeugbearbeitung so gebildet werden, dass die Umkehrung der für das Blatt gewünschten Riblet-Strukturen in die Form selbst eingeprägt wird. Alternativ dazu wird eine Folie mit den V-förmigen Merkmalen gebildet, und die Folie wird auf das Innere der Form aufgetragen, d.h. geklebt. In einer Ausführungsform ist die Tg der Riblet-prägenden Folie oder der Strukturen auf der Form höher als die Tg des polymerisierten Materials des Blatts, wie um 1 °C bis 200 °C höher oder um 10 °C bis 100 °C höher. In einer Ausführungsform wird die Folie auf dem geformten Blatt belassen, bis sowohl das Blatt als auch die Folie aus der Form entnommen werden. In einer Ausführungsform ist die Tg der Folie höher als die Tg des polymerisierten Materials des Blatts.
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In einer Ausführungsform steht ein Behälter in Fluidkommunikation mit der ersten und/oder der zweiten Formkammer. Der Behälter ist so konfiguriert, dass er ein flüssiges Monomer, Härtungsmittel oder flüssiges Polymer in die Hohlform einführen kann, um dort zu polymerisieren. Für das Härtungsmittel und das Monomer/flüssige Polymer können getrennte Behälter verwendet werden.
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Die Vorrichtung umfasst auch eine Wärme- oder Strahlungsquelle, um das Monomer oder Polymer in der Hohlform zu polymerisieren oder zu härten. Die Vorrichtung kann noch verschiedene zusätzliche Merkmale umfassen, um die Entnahme des geformten Blatts aus der Hohlform zu fördern. Zum Beispiel können Drückelemente in der Form verwendet werden, um das Blatt aus der Form zu drücken, oder eine nichtklebrige Beschichtung oder ein Formentrennmittel kann auf die Form aufgebracht werden, bevor das Polymer/Monomer eingeführt wird.
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Es wird hier ein Verfahren vorgestellt, um mikrogroße Kanäle (oder Riblets) in Turbinenblätter zu bringen. Bei dem Verfahren weist die Turbinenform 50, 60 mikrostrukturierte V-förmige Kanäle auf. Die Form 50, 60 wird mit einem Monomer oder flüssigen polymeren Harz gefüllt, das dann polymerisiert oder in anderer Weise gehärtet wird. Das Monomer oder flüssige polymere Harz füllt die Form 50, 60 einschließlich der V-förmigen Kanäle. Das resultierende Turbinenblatt weist Riblets, wie die in 2 gezeigten, auf, die in seiner äußere Oberfläche geprägt sind. 5 zeigt eine Anordnung von Riblets 45, die in ein polymeres Material eingeprägt sind, wie man es auch verwenden würde, um die umgekehrten Riblets in ein Turbinenblatt einzuprägen.
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Das Verfahren umfasst das Formen einer mikrostrukturierten Oberfläche auf der ersten und/oder der zweiten Formkammer. Die erste und die zweite Formkammer definieren eine Hohlform für das Turbinenblatt, wenn sie sich in einer geschlossenen Position befinden. Die mikrostrukturierte Oberfläche umfasst eine Anordnung von V-förmigen Kanälen, wobei die V-förmigen Kanäle eine maximale Höhe von 200 Mikrometer aufweisen. Das Verfahren umfasst weiterhin das Fließenlassen von Monomer oder flüssigem Polymer in die Hohlform, das Polymerisieren oder Härten des Monomers oder flüssigen Polymers in der Hohlform unter Bildung eines Turbinenblatts mit einer mikrostrukturierten Riblet-Oberfläche; und das Entnehmen des Turbinenblatts mit der mikrostrukturierten Riblet-Oberfläche aus der Hohlform.
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In einer Ausführungsform wird ein halogeniertes Polyolefinpolymer als Turbinenblattmaterial verwendet. Zum Beispiel kann es sich bei dem Polyolefin um eines oder mehrere aus Ethylen oder Propylen handeln, und bei dem Halogen kann es sich um eines oder mehrere aus Chlor, Brom oder Fluor handeln. In einer Ausführungsform ist ein Copolymer von Ethylen und Chlortrifluorethylen, wie ECTFE oder Poly(ethylen-chlortrifluorethylen), das Material, das zur Bildung des Turbinenblatts verwendet wird. Ein Beispiel für ECTFE ist das fluorierte Polyolefin mit dem Handelsnamen HALAR. Das halogenierte Polymer hat äußerst gute Formentrenneigenschaften und erfordert nicht die Verwendung eines Formentrennmittels, um sauber und effektiv aus der Form entnommen zu werden. In einer Ausführungsform hat das halogenierte Polyolefinpolymer ein Tg über 200 °C, wie 220 °C bis 400 °C oder 230 °C bis 280 °C.
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In einer Ausführungsform können die halogenierten Monomere und/oder das Olefinmonomer mit bestimmten anderen thermoplastischen Monomeren, wie zum Beispiel Acrylaten, copolymerisiert sein, solange die Strukturen auf das Material aufgeprägt werden können und die Tg in einem annehmbaren Bereich für den Formvorgang liegt, wie 90 bis 200 °C, 95 °C bis 180 °C oder 100 °C bis 150 °C.
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Füllstoffe, wie Glasfasern und andere Materialien, können ebenfalls in dem Turbinenmaterial verwendet werden. Andere herkömmliche Additive können ebenfalls mitverwendet werden. Der Füllstoff sollte von einer Natur sein und in einer Menge vorliegen, die mit der Einprägung der Riblets in das Material verträglich sind.
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In einer Ausführungsform können die Riblets durch Galvanoformen gebildet werden. Galvanoformen ist ein Verfahren zum galvanischen Abscheiden von Metall, wie Nickel, Ion für Ion, um eine Kopie eines strukturierten Substrats, das Dorn genannt wird, präzise bereitzustellen. Die galvanogeformte Kopie des Dorns ist die Negativform und kann als Form verwendet werden, um die positive Kopie des Dorns oder ursprünglichen Teils bereitzustellen. In diesem Fall kann Galvanoformen verwendet werden, um ein Metall-V-Kanal-Substrat zu bilden, das als Folie verwendet wird, die auf die Turbinenform aufgetragen wird.
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Was oben beschrieben wurde, umfasst Beispiele für eine oder mehrere Ausführungsformen. Es ist natürlich nicht möglich, jede denkbare Modifikation und Veränderung der obigen Vorrichtungen oder Methoden zu beschreiben, um die oben genannten Aspekte zu beschreiben, aber der Fachmann kann erkennen, dass viele weitere Modifikationen und Permutationen verschiedener Aspekte möglich sind. Dementsprechend sollen die beschriebenen Aspekte alle solchen Veränderungen, Modifikationen und Variationen, die in das Wesen und den Umfang der beigefügten Schutzansprüche fallen, mit umfassen. Sofern weiterhin der Ausdruck „umfasst“ entweder in der ausführlichen Beschreibung oder den Schutzansprüchen verwendet wird, soll dieser Ausdruck andere Elemente nicht ausschließen, ähnlich wie der Ausdruck „mit“, wie er gedeutet wird, wenn er als Übergangswort in einem Schutzanspruch verwendet wird. Der hier verwendete Ausdruck „im Wesentlichen bestehend aus“ bedeutet die angegebenen Materialien oder Schritte und solche, die die grundlegenden und neuartigen Merkmale des Materials oder Verfahrens nicht wesentlich beeinflussen. Alle Prozentangaben und Mittelwerte sind gewichtsbezogen, wenn der Zusammenhang nicht etwas anderes anzeigt. Wenn es oben nicht näher angegeben ist, können die hier genannten Eigenschaften durch geltende ASTM-Normen bestimmt werden, oder wenn es für die Eigenschaft keine ASTM-Norm gibt, kann die am häufigsten verwendete, dem Fachmann bekannte Norm verwendet werden. Die Artikel „ein“, „eine“ und „der, die, das“ sollte so gedeutet werden, dass sie „ein oder mehr“ bedeuten, wenn der Zusammenhang nicht das Gegenteil anzeigt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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