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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein mechanisches Verfahren zur Erzeugung
von Nanostrukturen auf Metallteilen und eine mechanische Vorrichtung
zur Erzeugung von Nanostrukturen.
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Nanokristalline
Materialien sind durch feinste Körner
von weniger als 100 nm in wenigstens einer Dimension gekennzeichnet.
Diese Materialien werden durch herkömmliche Verfahren wie beispielsweise
IGC (inert gas condensation and consolidation) durch Kondensation
und Konsolidierung in einem Edelgas, SPD (severe plastic deformation)
durch starke plastische Verformung usw. hergestellt. Diese Verfahren
besitzen den Nachteil, dass sie Materialien erzeugen, die nicht
frei von Porosität
und Kontamination sind und keine ausreichende Größe für industrielle Anwendungen
aufweisen.
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Das
Verfahren der Erfindung hat zum Ziel, auf der Oberfläche des
Materials eine Schicht aus demselben Material zu erzeugen, die Körner von
einigen dutzend Nanometern als Bestandteile aufweisen, die das,
was gewöhnlich
als Schicht aus nanometrischen Mikrostrukturen oder aus Nanostrukturen bezeichnet
wird, bilden.
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Im
Stand der Technik sind herkömmliche Granulierverfahren
bekannt. Das Granulieren der Oberfläche eines beispielsweise metallischen
Materials besteht darin, Geschosse, beispielsweise Kugeln kleiner
Abmessung, bei Geschwindigkeiten zwischen 5 und 100 m/s auf diese
Oberfläche
zu schleudern. Gemäß diesem
Stand der Technik werden die Kugeln mittels eines verdichteten Luftstrahls
geschleudert. Nach diesem Granulierverfahren werden die Kugeln nicht
unmittelbar wieder verwendet, sondern durchlaufen vor dem erneuten
Beschicken der Strahldüse eine
Wiederaufbereitungsvorrichtung, oder das Fehlen einer Wiederaufbereitungsvorrichtung
im Verfahren verbraucht eine große Menge von Kugeln. Außerdem ist
jeder auf das Teil auftreffende Strahl unidirektional unter einem
für eine
gegebene Oberfläche
bestimmten Winkel. Ferner ist während
des Granulierens eine ständige
Reinigung des Teils erforderlich, um eine homogene Oberflä che zu erhalten.
Zudem zeigen die erzielten Ergebnisse, dass die Oberfläche des
behandelten Teils keine oder wenige Nanostrukturen enthält. Die
einzige Bedeutung des herkömmlichen
Granulierverfahrens beruht auf der Tatsache, dass Kugelgeschwindigkeiten
erzielt werden können, die
größer als
beim Schleudern von Kugeln mit Ultraschall sind. Tatsächlich ermöglicht das
Schleudern von Kugeln durch Ultraschall das Erzielen von Kugelgeschwindigkeiten
zwischen 5 und 20 m/s, während beim
Granulieren mit Druckluftpistole Kugelgeschwindigkeiten zwischen
10 und 100 m/s erzielt werden können.
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Außerdem ist
aus der Patentanmeldung FR 2 689 431 oder dem russischen Patent
1 391 135 ein Verfahren zur Ultraschall-Härtung von Metallteilen bekannt,
das darin besteht, Kugeln in einem geschlossenen Volumen für eine vorgegebene
Zeit mittels eines Ultraschallgenerators in Bewegung zu versetzen.
Nach dem Verfahren der französischen
Patentanmeldung kann in Abhängigkeit
von der Geschwindigkeit entweder eine bestimmte Rauheit oder eine
bestimmte Tiefe der gehärteten
Schicht erzielt werden. Um eine gleichmäßige Behandlung zu erreichen
muss die Geschwindigkeit der Bewegung des Schwingers einen bestimmten
Wert, bis zu dem eine Kalthärtung
der Oberfläche
stattfindet und ab dem die Behandlung nicht zu steuern ist, was
bedeutet, dass welcher Punkt der Oberfläche auch immer getroffen wird,
dieser nur einmal getroffen wird, einhalten. Die in jener Patentanmeldung
in Betracht gezogenen Bewegungsgeschwindigkeiten betragen nur einige
dutzend Zentimeter pro Sekunde und die Amplituden des Schwingers
100 μm.
Somit kann durch das herkömmliche
Arbeitsverfahren keine Schicht erzeugt werden, ohne eine nanometrische
Struktur über
eine große
Tiefe zu erhalten.
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Die
vorliegende Erfindung hat deshalb zur Aufgabe, die Nachteile des
Standes der Technik zu beseitigen, indem sie ein Verfahren zur Erzeugung von
Nanostrukturen vorschlägt,
durch das durch eine mechanische Vorrichtung, die eine begrenzte
Menge von Kugeln in einem geschlossenen Volumen verwendet, auf der
Oberfläche
eines zu bearbeitenden Teils eine Nanostrukturschicht in einer gegebenen Dicke
erhalten werden kann. Dieses Verfahren wird auch als Oberflächen-Nanokristallisierung
durch Kugelschrotung (ball-milling) bezeichnet.
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Diese
erste Aufgabe wird durch ein mechanisches Verfahren zur Erzeugung
von Nanostrukturen, um auf einer Oberfläche eines Metallteils eine
Nanostrukturschicht mit definierter Dicke zu erhalten, erfüllt, das
dadurch gekennzeichnet ist, dass es umfasst:
- – einen
Schritt, bei dem eine Menge von vollkommen sphärischen Kugeln 22,
die in einem Behälter
angeordnet sind, der für
die Größe der Kugeln geschlossen
ist, wobei wenigstens eine seiner Wände das zu bearbeitende Teil 10 trägt oder
bildet, in eine Drehbewegung versetzt werden;
- – einen
Schritt, bei dem der Behälter,
der das zu bearbeitende Teil trägt
oder bildet, in eine Schwingungsbewegung in einer zu der Ebene der
Kreisbewegung senkrechten Richtung versetzt wird;
wobei
die Geschwindigkeit der Kreisbewegung sowie die Frequenz und die
Amplitude der Schwingungsbewegung in Abhängigkeit von physikalischen Eigenschaften
der Kugeln bestimmt werden, um diesen eine für die Erzeugung von Nanostrukturen
auf dem Material des zu bearbeitenden Teils ausreichende kinetische
Energie zuzuführen.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine mechanische Vorrichtung
zur Erzeugung von Nanostrukturen vorzuschlagen, durch die durch eine
mechanische Vorrichtung, die eine begrenzte Menge von Kugeln in
einem geschlossenen Volumen verwendet, eine Nanostrukturschicht
in einer gegebenen Dicke erhalten werden kann. Diese Aufgabe wird
dank der mechanischen Vorrichtung zur Erzeugung von Nanostrukturen
auf einem Metallteil erfüllt, die
wenigstens einen für
die Größe der Kugeln
geschlossenen Behälter,
der eine bestimmte Menge von vollkommen sphärischen Kugeln mit bestimmter Abmessung
enthält,
und ein Mittel zum Verbinden des Behälters mit Mitteln zur Erzeugung
von an den Behälter übertragenen
Schwingungen umfasst, wobei die Gesamtheit aus Behälter und
Schwingungsmitteln über
Dämpfungsmittel
(31) an einer Platte (30) angebracht ist, die
sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit in einer zu der Richtung
der an den Behälter übertragenen
Schwingungsbewegung senkrechten Ebene dreht.
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Die
Erfindung mit ihren Merkmalen und Vorteilen wird deutlicher beim
Lesen der Beschreibung, die mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung
erstellt worden ist, worin:
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1 eine Schnittansicht des
Prinzips des mechanischen Nanostrukturverfahrens gemäß der Erfindung
zeigt;
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2A in einem Schnitt eine
Ausführungsvariante
der Erfindung mit Unterwerfung einer Beanspruchung zeigt;
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2B in einem Schnitt eine
Draufsicht der Beilagescheibe zeigt, die in der Ausführungsvariante der
Erfindung verwendet wird, mit Unterwerfung einer Beanspruchung zeigt;
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3A eine Vorderansicht einer
zweiten Ausführungsvariante
der Erfindung mit Unterwerfung einer Beanspruchung zeigt;
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3B eine Draufsicht der unteren
Platte der zweiten Ausführungsvariante
der Erfindung mit Beanspruchungen zeigt;
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die 4A und 4B die Kurven, die den Gehalt und die
Penetration des Stickstoffs während
einer Behandlung durch Ionitrieren in einem nach dem erfindungsgemäßen mechanischen
Verfahren zur Erzeugung von Nanostrukturen bearbeiteten Teil bei
einer Temperatur von 550 bzw. 350°C
wiedergeben, zeigen.
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Das
Prinzip der Erfindung liegt darin, die Oberfläche eines Metallteils zu bearbeiten
um einerseits die mechanischen Eigenschaften des Metallteils zu
verändern
und andererseits die Diffusionseigenschaften innerhalb der Oberflächenschicht
der bearbeiteten Fläche.
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Im
Stand der Technik sind die mechanischen Eigenschaften von nanometrischen
Mikrostrukturen bzw. Nanostrukturen wohlbekannt. Tatsächlich ist
die mechanische Festigkeit des Teils umso größer, je kleiner die Metallkörner sind.
Somit zielt die gegenwärtige
Forschung darauf ab, Herstellungsverfahren zu entwickeln, durch
die Teile erhalten werden, die nur aus Nanostrukturen gebildet sind.
Die Aufgabe der Erfindung ist eine ganz andere; sie besteht darin, durch
ein Verfahren zur Erzeugung von Nanostrukturen (das später beschrieben
wird) eine Oberflächenschicht
von Nanostrukturen zu verwirklichen, die der Oberfläche des
Teils beispielsweise gewünschte
mechanische Eigenschaften verleiht, wobei diese ausreicht, um die
für das
Teil angestrebten Eigenschaften (Dauerhaltbarkeit, Verschleißfestigkeit,
Reibfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit)
zu garantieren.
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Um
eine Nanostruktur zu erhalten, muss die Größe der Metallkörner auf
der Oberfläche
des Teils herabgesetzt werden. Anfänglich haben die Körner bei
einem Teil, das beispielsweise aus Reineisen hergestellt ist, eine
Abmessung in der Größenordnung von
100 μm.
Am Ende der Bearbeitung gemäß der Erfindung
liegt die Größe der Körner nur
noch im Bereich von einigen dutzend Nanometern.
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Um
die Größe der Körner herabzusetzen, muss
auf der Oberfläche
des Materials eine plastische Verformung in allen Richtungen und
in zufälliger Weise,
je nach Prozessen, mit Vorrichtungen, die auf 1 bezogen definiert sind, hervorgerufen
werden.
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1 zeigt eine schematische
Darstellung einer mechanischen Vorrichtung zur Erzeugung von Nanostrukturen
durch Kugelschrotung. Das Prinzip der Erzeugung von Nanostrukturen
durch Kugelschrotung (ball-milling) nach 1 ist, eine bestimmte Menge von vollkommen
sphärischen
Kugeln (22) in eine bestimmte Bewegung und Geschwindigkeit zu
versetzen, um ihnen eine kinetische Energie zuzuführen, die
sie unter veränderlichen
Einfallwinkeln und mit einer zur Bildung von Nanostrukturen ausreichenden
Energie auf denselben Punkt der zu bearbeitenden Oberfläche auftreffen
lässt.
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Die
zum Auftreffen auf die zu bearbeitende Oberfläche (10) gewählten Kugeln
(22) sind vollkommen sphärisch und von hoher Qualität. Die gewählten Kugeln
(22) sind beispielsweise Kugellagerkugeln. Unter Berücksichtigung
ihrer Qualität
erfolgt ihre Verwendung in bestimmter Menge. Durch die Verwendung
von vollkommen sphärischen
Kugeln (22) aus Stahl, Glas oder Keramik kann die örtlich begrenzte
Akkumulation von Beanspruchungen vermieden werden, was beim Auftreffen
der Kugel das Material beschädigen
würde.
Diese vollkommene sphärische
Gestalt ermöglicht
folglich das Hervorrufen einer plastischen Verformung der Oberfläche des
Materials während
des Bildungsprozesses der Nanostrukturschicht. Die Wiederholung
der plastischen Verformungen in mehreren Richtungen bringt dann
eine Fraktionierung der Körner
des Metalls oder der Legierung des zu bearbeitenden Teils und folglich
ein Herabsetzen ihrer Größen mit
sich. Ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung, das in 1 gezeigt
ist, ist aus einem Arm oder einer Platte (32) gebildet,
die wenigstens ein Ende einer Schale trägt; in der Figur sind im vorliegenden
Fall zwei Schalen mit zwei Enden des Arms (32) gezeigt.
Dieser Arm (32) ist mit einer Struktur (35) verbunden,
die einen nicht sichtbaren Motor umfasst, der eine Achse (33)
antreibt, an der ein träges
Teil (34) angebracht ist, das beispielsweise aus einer
Masse in Form eines Kreisausschnitts (34) gebildet ist.
Der Motor, der die Achse (33) antreibt, verleiht dieser
trägen
Masse eine Geschwindigkeit V, die unter Berücksichtigung der Unsymmetrie
Schwingungen innerhalb der Struktur (35) erzeugt, die durch
ihre Verbindung mit dem Arm (32) übertragen werden. Diese Schwingungen
werden durch den Arm (32) auf jede Schale (20a, 20b) übertragen.
Diese Struktur, die aus dem Trägheitssystem und
wenigstens einer Schale gebildet ist, ist auf einer oder mehreren
Dämpfungsvorrichtungen
(31a, 31b) angebracht; im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind
Dämpfungsmittel
unter jeder Schale angeordnet, derart, dass sich eine Bewegungssymmetrie
ergibt und die erzeugten Schwingungen leichter zu steuern sind.
Diese Dämpfungsmittel
(31a, 31b) sind von einer Platte (30)
getragen, die durch nicht gezeigte Drehantriebsmittel in eine Drehbewegung
in einer Richtung versetzt wird. Die durch das Trägheitssystem
(33, 34, 35) an die Schalen (20a, 20b) übertragene
Schwingungsbewegung besitzt eine Richtung, die zur Ebene der Platte
im wesentlichen senkrecht ist oder, anders gesagt, zur Drehachse
der Platte parallel ist. Die Frequenz der Schwingungen sowie die
Amplitude dieser Schwingungen ergeben sich in Abhängigkeit
von der Drehgeschwindigkeit der Platte, derart, dass den Kugeln
eine bestimmte Geschwindigkeit verliehen wird, die ihnen das Erlangen
einer zur Schaffung von Nanostrukturen ausreichenden kinetischen
Energie ermöglicht.
Die Kugeln (22) ziehen ihre Energie aus der Bewegung der Schale
und treffen eine Vielzahl von Malen unter veränderlichen und mehrfachen Winkeln
auf die Oberfläche
des Teils (10) auf, wobei jeder Stoß eine plastische Verformung
der Körner
bewirkt, die aus einem Konglomerat von Stoff- oder Gemengemolekülen gebildet
sind. Die Kugel, die ihre Energie beim Kontakt mit dem Teil (10)
verloren hat, prallt auf die Wände der
Schale (20) zurück,
um eine neue Geschwindigkeit in einer Richtung zu erlangen, die,
vom Teil aus gesehen, zufällig
erscheint, jedoch durch die physikalischen Gesetze bestimmt ist.
Die Schale (20) kann entweder durch das Teil (10a),
das dann einen Deckel für
die Schale bildet, oder durch einen Deckel (203a, 203b),
an dem das Teil (10a) befestigt ist, geschlossen sein.
Die letzte Variante ermöglicht
in dem durch die Schale (20a bzw. 20b) und deren
angeordneten Deckel (203a bzw. 203b) gebildeten
Behälter das
Ausbilden einer Öffnung
(204a bzw. 204b), die das Herstellen eines Vakuums
in diesem Behälter
ermöglicht,
um die Bewegung der Kugeln zu begünstigen.
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In
einer Ausführungsvariante
kann das Teil an einer ganz anderen Wand der Schale befestigt sein
und eventuell die Funktion der Schale übernehmen, wenn sich die Geometrie
des Teils dazu anbietet. Ebenso kann zwischen der Schale und dem
Deckel ein Zwischenraum ausgebildet sein, sofern dieser die Größe der Kugeln
nicht übersteigt.
Somit wird der Behälter
als für
die Größe der Kugeln
geschlossen wahrgenommen.
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In
einer weiteren Ausführungsvariante
kann das Trägheitssystem
(33, 34, 35) durch eine Sonotrode ersetzt
sein, die Schwingungen ausreichender Amplitude und Frequenz auf
den Arm (32) überträgt. In diesem
Fall könnten
sehr wohl Frequenzen verwendet werden, die im Ultraschallbereich
liegen, wobei die Schwingungsfrequenz in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit
der Gesamtmasse und der Größe der Kugeln
bestimmt wird, um die Übertragung
einer ausreichenden kinetischen Energie auf die Kugeln zu ermöglichen.
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Außerdem kann
die Oberfläche
des zu bearbeitenden Teils, wenn eine Nanostrukturdicke von einigen
dutzend bis mehreren hundert Mikrometern erzielt werden soll, einer
Beanspruchung unterworfen werden.
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Gemäß einer
Ausführungsvariante,
die in 2 gezeigt ist,
kann die zu bearbeitende Oberfläche
einer mechanischen Beanspruchung unterworfen werden, indem beispielsweise
das Teil (10) mit geeigneten Greifmitteln (21)
eingespannt wird. Diese Greifmittel sind beispielsweise durch eine
Druckplatte (21.2) gebildet, an der Spannbrücken oder
-flansche (21.1) angebracht sind, die das Teil gegen eine schützende Beilagescheibe
(21.3), die zwischen das Teil (10) und die Druckplatte
(21.2) gelegt ist, einzuspannen. Ein Stift (21.4),
der durch die Bohrungen (21.21 und 21.31) der
Druckplatte (21.2) und der Beilagescheibe (21.3)
führt, übt eine
Kraft auf das Teil (10) aus, das durch die Brücken oder
Flansche (21.1) gehalten wird. Die Druckkraft kann erhalten
werden, indem der Stift (21.4) mit Gewinde versehen wird
und in ein in der Druckplatte (21.2) ausgebildetes Innengewindeloch
(21.21) geschraubt wird.
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Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen begrenzt, sondern
umfasst jede Form, die das Ausbringen von mechanischen Beanspruchungen
an einer oder an mehreren Stellen eines Teils ermöglicht.
So können
mehrere Stifte vorgesehen sein, die an mehreren Stellen unterschiedliche
Beanspruchungen aufbringen, um verschiedene, zur Stärke der
an den jeweiligen Punkten aufgebrachten Beanspruchungen proportionale
Nanostrukturdicken zu erzielen.
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In
der in 3A gezeigten
Ausführungsform der
einer Beanspruchung unterworfenen Vorrichtung kann das Teil an jedem
seiner Enden durch Zugmittel einer Beanspruchungen unterworfen werden.
Diese Mittel sind beispielsweise aus einer oberen Patte (31) und
einer unteren Platte (32) gebildet, die um einen Abstand
getrennt gehalten sind, der durch drei schraubbare Spannstangen
(33), die um 120° versetzt
sind und die die Enden des mit jeder Platte fest verbundenen Teils
durch Zug beanspruchen, einstellbar ist. Das Teil kann beispielsweise
jede Platte durch Öffnungen
durchdringen und sich an der Oberfläche jeder Platte abstützen, wobei
die Oberfläche
mit Hilfe von Ringen, die Schultern bilden und mit den Enden des
Teils durch eine quer zum Ring verlaufende Stellschraube fest verbunden
sind, nach außen
gewendet wird. Die Platten, insbesondere jene (32), die
zur Emissionszone der Geschosse gerichtet ist, sind, wie 3B zeigt, mit Aussparungen
(321) versehen, die die Zirkulation und das Schleudern
der Kugeln ermöglichen.
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In
einer weiteren Ausführungsvariante
kann die aufgebrachte Beanspruchung thermisch sein. So wird die
zu bearbeitende Oberfläche
entweder insgesamt erwärmt,
um eine gleichmäßige Dicke
von nanokristallinen Strukturen über
die gesamte Oberfläche
des dem Beschuss mit Kugeln unterworfenen Teils zu erreichen, oder
lokal erwärmt,
um Schwankungen der Dicke von nanokristallinen Strukturen zu erhalten.
In diesem Fall sind in der Schale oder auf dem Teil oder in der
Schallwand der Maschine Heizmittel durch Strahlung oder Leitung
installiert.
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Ferner
ist es möglich,
die mechanische Beanspruchung und die Erwärmung der zu bearbeitenden
Oberfläche
zu kombinieren, um das gewünschte Ergebnis
zu erhalten. Das Ziel des Unterwerfens einer Beanspruchung und/oder
der Erhöhung
der Temperatur ist es, zu ermöglichen,
eine plastische Verformung unter der Schicht und in allen Richtungen
hervorzurufen, um die Fraktionierung der tiefer liegenden Stoffkörner zu
begünstigen.
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Die
gegenwärtig
durchgeführten
Versuche bei der Bearbeitung eines keiner Beanspruchung unterworfenen
Teils ließen
die Verwirklichung von Nanostrukturschichten zu, die von 20 μm bis 50 μm mit Unterwerfung
einer Beanspruchung gehen. Es werden also Nanostrukturen in einer
Dicke von mehreren hundert Mikrometern erhalten. Die Vergrößerung der Dicke
der Nanostrukturschicht kann verwirklicht werden, indem ein Kompromiss
zwischen der Stärke
der Beanspruchung und der Temperaturerhöhung gesucht wird. Ebenso ist
die Wahl der ver schiedenen an dem Verfahren zur Erzeugung von Nanostrukturen beteiligten
Parameter wichtig.
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So
haben die Experimente gezeigt, dass die erhaltene Nanostrukturschicht
umso größer ist,
je mehr der verwendeten Kugeln einen großen Durchmesser in einem Abmessungsbereich
in der Größenordnung
von einigen hundert Mikrometern bis einigen Millimetern haben. Ebenso
ist die Bearbeitungsdauer an der Bestimmung der Dicke der Nanostruktur
beteiligt. Es ist festgestellt worden, dass bis zu einem bestimmten
Zeitwert, der in Abhängigkeit
von der Größe der Kugeln
verschieden ist, die Dicke der Nanostrukturschicht umso mehr zunimmt,
je länger
die Dauer ist, und zwar bis zu einer Dauer, die der Sättigung entspricht
und keine Veränderung
der Dicke der Schicht mehr zulässt.
Dieser bestimmte Wert wird entweder durch Versuch oder durch ein
mathematisches Modell für
ein gegebenes Material erhalten. Wenn die Dauer jedoch größer als
der bestimmte Wert wird, nimmt die Dicke der Nanostrukturschicht ab.
Dieses Phänomen
ist dadurch bedingt, dass das Auftreffen der Kugeln auf die zu bearbeitende
Oberfläche
eine Freisetzung von Wärme
hervorruft, die das Material erwärmt.
Nun hat die Wärme
aber ab einem gewissen Schwellenwert zur Folge, dass die Größe der Metallkörner zunimmt.
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Das
Grundprinzip der Wahl der Parameter des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Erzeugung von Nanostrukturen ist, dass das in der Unterschicht erzeugte
Beanspruchungsniveau um so höher
ist, je größer die
kinetische Energie der Kugeln ist. Die Obergrenze der kinetischen
Energie ist insbesondere durch die Erwärmung, die die Freisetzung
dieser kinetischen Energie der Kugeln beim Stoß auf die zu bearbeitende Oberfläche mit
sich bringt, und durch die mechanische Festigkeit der Kugeln und
des Materials, aus dem das Teil gebildet ist, definiert. Dieser Nachteil
kann abgeschwächt
oder beseitigt werden, indem der Behälter oder das Teil mit einem
Kühlsystem
abgekühlt
wird. Tatsächlich
führt die
Temperaturerhöhung,
wie oben erläutert
worden ist, dazu, die Metallkörner
wachsen zu lassen, jedoch darf das Material keine Risse bekommen.
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Es
kann weiteren Parametern Rechnung getragen werden, um größere Nanostrukturschichten zu
erhalten oder um die Bearbeitungsdauer zu verkürzen. Als Beispiel spielt insbesondere
beim Übertragen
der kinetischen Energie von der Kugel auf die Oberfläche des
Teils die Härte
der Kugeln eine Rolle. Ebenso beeinflusst auch der von den Schallwellen erzeugte
Schalldruck, wenn ein Ultraschallgenerator verwendet wird, um die
Kugeln in Bewegung zu versetzen, den Prozess zur Erzeugung der Nanostruktur.
Außerdem
kann gemäß der Erfindung
die Erzeugung von Nanostrukturen durch Ultraschall oder das Schleudern
von Strahlen von Kugeln in einem Medium, das ein bestimmtes spezifisches
Gas enthält, das
das mechanische Verhalten oder die chemische Zusammensetzung der
Oberfläche
des Materials bei den Stößen der
Kugeln verändert,
verwirklicht werden.
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Um
beispielhalber eine Nanostrukturschicht von etwa 20 μm zu erhalten,
muss die zu bearbeitende Oberfläche
für 2 bis
3 min einer Erzeugung von Nanostrukturen durch Ultraschall mit Kugeln
von 3 mm Durchmesser ausgesetzt werden. Ebenso muss die zu bearbeitende
Oberfläche,
um eine Nanostrukturschicht von etwa 10 μm zu erhalten, für etwa 400 s
einer Erzeugung von Nanostrukturen durch Ultraschall mit Kugeln
von 300 μm
Durchmesser ausgesetzt werden. Außerdem hat die Untersuchung
gezeigt, dass die Dauer der Bearbeitung durch Nanostrukturerzeugung
bei klassischen metallischen Materialien (Fe, Ti, Ni, Al, Cu usw.)
zwischen 30 und 1300 s liegt. Die insgesamt erforderliche Zeit kann
in Abhängigkeit
von dem Material verlängert
oder verkürzt werden.
Der Durchmesser der verwendeten Kugeln liegt zwischen 300 μm und 3 mm.
Tatsächlich
wird bei einer gegebenen Größe der Kugeln
und einem gegebenen Material die Dauer der Nanostrukturerzeugung
in Abhängigkeit
von der vom Benutzer gewünschten
Dicke der Nanostrukturen bestimmt.
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Außerdem kann
der gesamte Mechanismus, falls sich dies aus schalltechnischen Gründen oder aus
Sicherheitsgründen
notwendig erweist, innerhalb einer Schallwand oder einem schallisolierenden
Behälter
(25) angeordnet werden, durch die die Geräusche verringert
werden können,
derart, dass diese den für
die Arbeit vorgeschriebenen Normen entsprechen. Dieser Behälter (25)
kann abgedichtet und mit (in punktierten Linien gezeigten) Mitteln
(26) zur Diffusion oder Verdampfung versehen sein, durch
die eine oder mehrere chemische oder thermochemische Bearbeitungen,
die nachstehend beschrieben werden, ausgeführt werden können. In
diesem Fall ermöglicht
die Schale dank ihres Zirkulationskanals (204a, 204b)
die Durchdringung der chemischen oder thermochemischen Bearbeitungen.
So kann es je nach physikalisch-chemischen Eigenschaften des zu
bearbeitenden Teils sinnvoll sein, dieses entweder in einer ersten
Zeitspanne unter Vakuum oder in einer Inertatmosphäre, um beispielsweise
die Oxidation zu verhindern, und danach in einer zweiten Zeitspanne
durch Diffusion der spezifischen chemischen Verbindungen, durch
die die für
das Teil wichtigen mechanischen, physikalischen oder chemischen
Eigenschaften erhalten werden können,
zu bearbeiten. Die Erzeugung von Nanostrukturen auf der bearbeiteten
Oberfläche
des Teils (10) bewirken eine Modifikation des Verlaufs
der Diffusion in die bearbeitete Zone durch Vervielfachung der Anzahl
von Grenzflächen
zwischen den Körnern,
wobei diese Grenzflächen
dann lauter nanometrische Kanäle
bilden, die die Diffusion der chemischen Verbindungen, die eine Größe im Bereich
von einigen Atomen aufweisen, ermöglichen. Dies ermöglicht ein
besseres Eindringen der chemischen Verbindungen.
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So
werden alle Verfahren zur Bearbeitung der Oberfläche, die die Diffusion von
Verbindungen in die Oberfläche
eines Metallteils einsetzen, modifiziert, wenn das Teil zuvor dem
erfindungsgemäßen Verfahren
zur Erzeugung von Nanostrukturen unterzogen wurde oder gleichzeitig
dem Verfahren zur Erzeugung von Nanostrukturen unterzogen wird.
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Als
Beispiel zeigen die 4A und 4B die Kurven, die die den
Gehalt und die Penetration des Stickstoffs während einer Ionitrierung bei
einer Temperatur von 550°C
bzw. 350°C
wiedergeben. Die in 4A gezeigte
Kurve entspricht der Messung des Stickstoffgehalts in Abhängigkeit
von der Dicke der bearbeiteten Oberfläche, wenn das Teil für zwei Stunden
bei einer Temperatur von 550°C
eine Nitrierung erfahren hatte. Die in einer Volllinie gezeigte
Kurve entspricht einer Messung, die an einer Oberfläche ausgeführt wurde,
die zuvor nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Erzeugung von Nanostrukturen bearbeitet wurde. Durch die Bearbeitung
der Oberfläche
durch Nanostrukturerzeugung konnte eine Nanostruktur in einer Dicke
von etwa 20 μm
erhalten werden. Die strichpunktierte Kurve entspricht der Messung,
die an einer nicht durch Nanostrukturerzeugung bearbeiteten Oberfläche ausgeführt wurde. Anhand
der strichpunktierten Kurve lässt
sich feststellen, dass im Stand der Technik der bei der Bearbeitung
durch Nitrierung bei 550°C
eingedrungene Gehalt an Stickstoff in der Dicke des Teils gleichmäßig ist
und 5 % beträgt.
Bei dem zuvor durch Nanostrukturerzeugung gemäß der Erfindung bearbeiteten Teil
ist der Stickstoffgehalt unter denselben Versuchsbedingungen viel
höher und
entspricht in der Dicke, in der sich die Nanostrukturen gebildet
haben, etwa dem Fünffachen
des unbearbeiteten Teils. Anschließend, in der Dicke des Teils,
die keine Nanostrukturen mehr enthält, nimmt der Stickstoffgehalt
bis zu einem Gehalt, der dem nach dem Nitrierverfahren des Standes
der Technik erhaltenen Gehalt entspricht, rapide ab. Durch diese
Bearbeitung können Materialmikrostrukturen
erhalten werden, die gegenüber
Werkstoffermüdung,
Ermüdung
durch kleine Durchfederung (fatigue freeting) und Kontaktermüdung günstiger
sind.
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Die
in 4B gezeigte Kurve
entspricht der Messung des Stickstoffgehalts in Abhängigkeit
von der Dicke der bearbeiteten Oberfläche, wenn das Teil für zwei Stunden
bei einer Temperatur von 350°C
einer Nitrierung unterzogen wurde. Die durchgezogene Kurve entspricht
der Messung, die an einer Oberfläche
ausgeführt
wurde, die zuvor nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzeugung
von Nanostrukturen unterzogen wurde. Die strichpunktierte Kurve
entspricht der Messung, die an einer Oberfläche ausgeführt wurde, die nicht durch
Nanostrukturerzeugung bearbeitet wurde. Durch die Bearbeitung der
Oberfläche
durch Nanostrukturerzeugung kann eine Nanostruktur in einer Dicke
von 20 μm
erhalten werden. Es lässt
sich feststellen, dass gemäß dem Stand
der Technik der Gehalt an Stickstoff in der Dicke des Teils gleichmäßig ist
und 1 % beträgt.
Dieser Gehalt ist zu gering, um die Eigenschaften der Oberfläche des
Teils in ausreichender Weise zu verändern.
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Bei
dem zuvor durch die erfindungsgemäße Nanostrukturerzeugung bearbeiteten
Teil ist der Stickstoffgehalt 17-mal größer als der Gehalt des nicht
an der Oberfläche
bearbeiteten Teils. Anschließend
nimmt der Stickstoffgehalt in der Dicke des Teils mit der Nanostruktur
langsam ab, um bei einem Gehalt anzukommen, der nach dem Nitrierverfahren
des Standes der Technik erhalten wird, wenn die Schicht des Teils
keine Nanostrukturen mehr enthält.
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Es
muss angemerkt werden, dass sich das Nitrierverfahren gemäß dem Stand
der Technik bei einem Teil aus Stahl oder Kohlenstoff erst ab einer bestimmten
Temperatur in der Nähe
von 550°C
umsetzen lässt.
Es lässt
sich folglich sagen, dass durch die vorherige Bearbeitung des Teils
nicht nur eine gute Struktur an der Oberfläche des Teils erhalten werden
kann, sondern auch die Bearbeitungstemperatur gesenkt werden kann,
wobei im Fall der Bearbeitung bei 350°C ein Stickstoffgehalt bewahrt
werden kann, der höher
als jener Gehalt ist, der ohne Bearbeitung durch Nanostrukturerzeugung
gemäß der Erfindung
erzielt wird.
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So
wird es unter Berücksichtigung
des Absenkens der Bearbeitungstemperatur möglich, eine Nitrierung an Teilen
auszuführen,
die nach dem Stand der Technik keine Nitrierung erfahren könnten. Tatsächlich muss
die Nitrierung bei einer Temperatur von etwa 550°C ausgeführt werden; nun aber erleidet das
Metallteil bei dieser Temperatur zwangsläufig Verformungen. Bei Teilen,
deren geometrische Genauigkeit ausschlaggebend ist, sind solche
Verformungen nicht zulässig,
was folglich eine Nitrierung nach dem Verfahren des Standes der
Technik verbietet. Durch Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Erzeugung von Nanostrukturen vor der Nitrierung ist es folglich
möglich,
die Bearbeitungstemperatur zu senken und somit die Verformungen des
Teils zu verringern oder zu unterdrücken. Als Folge können Präzisionsteile
eine Nitrierung erfahren, was im Stand der Technik nicht möglich war.
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Ebenso
ermöglicht
die Bearbeitung im Voraus nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzeugung
von Nanostrukturen auch das Verkürzen der
Dauer der Bearbeitung. Tatsächlich
ermöglicht das
Vorhandensein von Nanostrukturen und insbesondere der nanometrischen
Diffusionskanäle
eine schnellere Diffusion der Verbindungen in die Oberflächenschicht
des Teils.
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Was
zur Nitrierung dargelegt worden ist, gilt auch für jede Oberflächenbearbeitung
oder jedes physikalisch-chemische Oberflächenverfahren, die bzw. das
vom Verlauf der Diffusion in die Oberflächenschicht eines Teils abhängt. So
werden die Verfahren der Einsatzhärtung, der Katalyse oder der
Einlagerung von Ionen in eine metallische Struktur modifiziert,
wenn das Teil zuvor dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzeugung
von Nanostrukturen unterzogen wird, d. h., wenn es eine nanometrische
Mikrostrukturschicht in eine Dicke von einem dutzend oder mehreren
dutzend Mikrometern aufweist.
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So
ist das mechanische Verfahren zur Erzeugung von Nanostrukturen gemäß der Erfindung
dadurch gekennzeichnet, dass es umfasst:
- – einen
Schritt, bei dem eine Menge von vollkommen sphärischen Kugeln (22),
die in einem Behälter
angeordnet sind, der für
die Größe der Kugeln geschlossen
ist, wobei wenigstens eine seiner Wände das zu bearbeitende Teil
(10) trägt
oder bildet, in eine Drehbewegung versetzt werden;
- – einen
Schritt, bei dem der Behälter,
der das zu bearbeitende Teil trägt
oder bildet, in eine Schwingungsbewegung in einer zu der Ebene der
Kreisbewegung senkrechten Richtung versetzt wird;
wobei
die Geschwindigkeit der Kreisbewegung sowie die Frequenz und die
Amplitude der Schwingungsbewegung in Abhängigkeit von physikalischen Eigenschaften
der Kugeln bestimmt werden, um diesen eine für die Erzeugung von Nanostrukturen
auf dem Material des zu bearbeitenden Teils ausreichende kinetische
Energie zuzuführen.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
umfasst das Verfahren einen Schritt, bei dem das zu bearbeitende
Metallteil (10) einer mechanischen und/oder einer thermischen
Beanspruchung unterworfen wird.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
umfasst das Verfahren einen Schritt der Bearbeitung durch Diffusion
chemischer Verbindungen und durch Bildung neuer Materialphasen mit
unterschiedlicher Zusammensetzung in der Nanostrukturschicht während oder
nach der Erzeugung der Nanostrukturen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
liegt die Bearbeitungszeit im Bereich von mehreren Sekunden bis
10 Stunden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
schwankt die Größe der Kugeln
im Bereich von 3 bis 10 mm.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist der Bearbeitungsschritt eine Nitrierhärtung, die ein Versetzen des
zu bearbeitenden Teils (10) in eine Stickstoffatmosphäre bei einer
bestimmten Temperatur im Bereich von 350 bis 550°C während einer bestimmten Dauer
im Bereich von 30 min bis 10 h umfasst.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist der Bearbeitungsschritt eine Einsatzhärtung oder eine Katalyse oder
eine Einlagerung von Ionen in die Metallstruktur des Teils.
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In
einer weiteren Ausführungsform
wird der Schritt des Versetzens in eine Schwingungsbewegung durch
einen elektronischen Vibrator, dessen Wellen die Bewegung des Behälters in
der gewünschten
Richtung hervorrufen, ausgeführt.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist der Vibrator ein Ultraschallgenerator.
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In
einer weiteren Ausführungsform
liegt der Durchmesser der vollkommen sphärischen Kugeln (22)
je nach gewünschter
Dicke der Nanostrukturschicht im Bereich von 300 μm bis 3 mm.
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In
einer weiteren Ausführungsform
wird die Schleuderdauer für
eine bestimmte Kugelgröße, ein bestimmtes
Material, aus dem das Teil (10) gebildet ist, und eine
gegebene Maschinenkonfiguration in Abhängigkeit von der vom Anwender
gewünschten Dicke
der Nanostrukturen bestimmt.
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In
einer weiteren Ausführungsform
liegt die Schleuderdauer der Kugeln (22) im Bereich von
30 bis 1300 s.
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In
einer weiteren Ausführungsform
umfasst das Verfahren einen Schritt der Abkühlung des zu bearbeitenden
Teils.
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In
einer weiteren Ausführungsform
liegt die Geschwindigkeit der Kugeln im Bereich von 5 bis 100 m/s.
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Außerdem umfasst
die mechanische Vorrichtung zur Erzeugung von Nanostrukturen in
einer gegebenen Dicke eines Metallteils (10) wenigstens einen
für die
Größe der Kugeln
geschlossenen Behälter,
der eine bestimmte Menge von vollkommen sphärischen Kugeln mit bestimmter
Abmessung enthält,
und ein Mittel zum Verbinden des Behälters mit Mitteln zur Erzeugung
von an den Behälter übertragenen
Schwingungen, wobei die Gesamtheit aus Behälter und Schwingungsmitteln über Dämpfungsmittel
(31) an einer Platte (30) angebracht ist, die
sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit dreht.
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In
einer weiteren Ausführungsform
umfasst die Vorrichtung Mittel zum Einstellen der Drehgeschwindigkeit
der Platte sowie Mittel zum Einstellen der Frequenz und der Amplitude
der Schwingungserzeugungsmittel.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist das Schwingungserzeugungsmittel ein Ultraschallgenerator.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist das Schwingungserzeugungsmittel aus einer Trägheitsbaueinheit (34)
gebildet, die längs
einer zu der Drehachse der Platte senkrechten Achse (33)
rotatorisch angetrieben wird, wobei die Trägheitsbaueinheit mit dem Mittel
(32) für
die Verbindung mit dem Behälter (20a, 20b)
mechanisch verbunden ist.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
umfasst die Vorrichtung Mittel, die das Metallteil (10)
einer Beanspruchung unterwerfen, und/oder Mittel zum Erhitzen des
Teils (10).
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In
einer weiteren Ausführungsform
umfasst die Vorrichtung Mittel zum Einstellen des Abstandes (d)
zwischen der Emissionsquelle der Kugeln und dem zu bearbeitenden
Teil.
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In
einer weiteren Ausführungsform
liegt der Abstand in der Größenordnung
von 4 bis 40 mm.
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In
einer weiteren Ausführungsform
umfasst die Vorrichtung Mittel zum Einstellen der Emissionsdauer
der Kugeln und ihrer Geschwindigkeit.
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In
einer weiteren Ausführungsform
sind die Kugeln in einer solchen Menge vorhanden, dass sie dann,
wenn die Mittel zur Versetzung in Bewegung durch Ultraschall inaktiv
sind, eine Oberfläche
belegen, die mehr als 30 % der Oberfläche der Sonotrode beträgt.
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In
einer weiteren Ausführungsform
liegt die Geschwindigkeit der Kugeln im Bereich von 5 bis 100 m/s.
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In
einer weiteren Ausführungsform
umfasst die Vorrichtung Mittel zum Ausführen einer lokalen Abkühlung der
bearbeiteten Zone des Teils.
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In
einer weiteren Ausführungsform
umfasst die Vorrichtung Mittel zur Bearbeitung durch Diffusion chemischer
Zusammensetzungen in die erzeugte Nanostrukturschicht während oder
nach der Erzeugung der Nanostrukturen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
umfasst die Vorrichtung Mittel zum Versetzen der zu bearbeitenden
Zone des Teils (10) in eine Stickstoffatmosphäre bei einer
gegebenen Temperatur im Bereich von 350 bis 550°C während einer bestimmten Dauer im
Bereich von 30 min bis 10 h.
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In
einer weiteren Ausführungsform
umfasst die Vorrichtung Mittel zum Einsatzhärten, Carbonitrierhärten oder
zu anderen thermochemischen Bearbeitungen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist die Vorrichtung in einem schallisolierenden Behälter (25) eingeschlossen.
-
Auf
dem Fachgebiet versierten Personen ist klar, dass die vorliegende
Erfindung Ausführungsformen
in zahlreichen anderen spezifischen Formen zulässt, ohne sich vom Anwendungsbereich
der Erfindung, wie er beansprucht ist, zu entfernen. Folglich sind
die angegebenen Ausführungsformen
lediglich als Veranschaulichung zu betrachten und können in dem
durch den Umfang der beigefügten
Ansprüche definierten
Bereich modifiziert werden.