EP0902848B1 - Mikrogalvanisch hergestelltes bauteil - Google Patents

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EP0902848B1
EP0902848B1 EP97949953A EP97949953A EP0902848B1 EP 0902848 B1 EP0902848 B1 EP 0902848B1 EP 97949953 A EP97949953 A EP 97949953A EP 97949953 A EP97949953 A EP 97949953A EP 0902848 B1 EP0902848 B1 EP 0902848B1
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EP
European Patent Office
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coding
perforated
component according
component
marks
Prior art date
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EP97949953A
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Jörg HEYSE
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Publication of EP0902848B1 publication Critical patent/EP0902848B1/de
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    • Y10T428/24997Of metal-containing material

Definitions

  • the invention is based on a micro electroplating manufactured component according to the genus of the main claim.
  • the component according to the invention with the characteristic Features of the main claim has the advantage that simple way of building and Contouring of the component are accessible. This will be done at the micro-galvanic production of the component, i.e. during of the electroplating process provided coding characters that very easy to evaluate or decode optically or otherwise are, which gives a lot of information to the Characteristic data of the component is available.
  • the coding characters are available at no additional cost Achieving the desired geometry of the component, e.g. the Opening geometry of a perforated disk through which fluid flows, required manufacturing steps can be produced.
  • the production of a coding character is done offside the important contours for fulfilling the functions of the Component identical to the production of other opening areas.
  • the coding characters advantageously become the same co-shaped in the first electroplating step by photolithographic masks can be used. Thus lie the coding characters from the outset on an outer Limiting side of the component.
  • Coding characters are advantageously binary-coded before, i.e. Cutouts and filled metallic areas ("Defects") correspond to values "0" and "1” and form thus a binary code that can be decoded very easily can.
  • Embodiments of the invention are in the drawing shown in simplified form and in the following Description explained in more detail.
  • 1 shows it partially illustrated injector with a micro-electroplated component in the form of a Perforated disk
  • Figure 2 shows a first perforated disk in a Top view
  • Figure 2a shows a perforated disc in section along the Line IIa-IIa in Figure 2
  • Figure 3 shows a second perforated disc in a plan view
  • Figure 4 shows a third perforated disc in a Top view
  • Figure 5 shows a fourth perforated disc in a Bottom view.
  • FIG 1 is a valve in the form of a Injector for fuel injection systems from mixture-compression-ignition internal combustion engines partially shown, which has a perforated disc 23, the an embodiment of an inventive represents micro-electroplated component.
  • perforated disks 23 not only for the Use on injectors are provided; you can rather z. B. in spray nozzles, in inhalers, at Inkjet printers or in freeze-drying processes to Spraying or injecting liquids, such as. B. drinks, used to atomize medication.
  • the perforated disks 23 themselves in turn only provide one Embodiment of a micro-electroplated component Also micro-electroplated components with completely from the perforated disks 23 differing shapes, Contours, proportions and purposes course training according to the invention have, so that in no way a limitation to Perforated disks 23 are present.
  • a tubular valve seat support 1 in the concentric a longitudinal opening 3 is formed for a longitudinal valve axis 2 is.
  • a longitudinal opening 3 is formed for a longitudinal valve axis 2 is.
  • B. spherical valve closing body 7 the extent of which, for example, five flattenings 8 Passing fuel are provided, fixed connected is.
  • the injection valve is actuated in a known manner Way, for example electromagnetic.
  • a known manner Way for example electromagnetic.
  • For axial Movement of the valve needle 5 and thus to open against the Spring force of a return spring (not shown) or Closing the injection valve is used schematically indicated electromagnetic circuit with a magnetic coil 10, an anchor 11 and a core 12.
  • the anchor 11 is with the end facing away from the valve closing body 7 Valve needle 5 by z. B. one using a laser produced welded joint and on the core 12th aligned.
  • Valve seat body 16 which is in the downstream end of the valve seat support 1 in the longitudinal opening 3 Welding is tightly mounted.
  • the valve seat body 16 is with a z. B. cup-shaped perforated disc carrier 21 concentrically and firmly connected, so at least with an outer ring region 22 directly on the Valve seat body 16 abuts.
  • a component designed according to the invention, here the Perforated disk 23 is upstream of a through opening 20 arranged in the perforated disc carrier 21 such that it is the Through opening 20 completely covered.
  • the Perforated disc carrier 21 is with a bottom part 24 and one Holding edge 26 executed.
  • the connection of the valve seat body 16 and perforated disc carrier 21 takes place, for example a circumferential and dense, by means of a laser trained first weld seam 25.
  • the perforated disk carrier 21 is in the region of the holding edge 26 with the Wall of the longitudinal opening 3 in the valve seat support 1 for example by a circumferential and dense second Weld 30 connected.
  • the in the area of the passage opening 20 within the circular weld 25 between the perforated disc carrier 21 and the valve seat body 16 clampable perforated disk 23 is, for example, staged.
  • An upper one smaller diameter than a base region 32 Perforated disk region 33 projects into a downstream one tapered valve seat surface 29 following cylindrical outlet opening 31 of the Valve seat body 16 dimensionally accurate.
  • the one about the Perforated disk area 33 protruding radially and thus pinchable base region 32 of the perforated disk 23 lies on Valve seat body 16 on.
  • the perforated disc area 33 e.g. B.
  • two functional levels, namely a middle and one upper functional level, which comprises perforated disk 23 forms a lower functional level the basic area 32 alone.
  • a Functional level should be about their axial extent each have a largely constant opening contour.
  • a functional level of the perforated disk 23 represents a position, over the axial extent of which the contour, including the arrangement of all openings to one another and the geometry of each individual opening, remains largely constant.
  • a layer is to be understood as meaning the position of the perforated disk 23 built up in an electroplating step.
  • a layer can have several functional levels, which, for. B. can be produced with the so-called lateral overgrowth.
  • a plurality of functional levels (for example, in the case of a perforated disk 23 comprising three functional levels, the middle and the upper functional level) are formed, which represent a coherent layer.
  • the respective functional levels have different opening contours (inlet, outlet openings, channels) to the immediately following functional level.
  • the individual layers of the perforated disk 23 are successively electrodeposited, so that the subsequent layer firmly bonds to the underlying layer due to galvanic adhesion, and all the layers together then form a one-piece perforated disk 23.
  • Characteristic of the process of successive application of photolithographic steps (UV depth lithography) and subsequent micro electroplating is that it is also in large scale a high precision of the structures ensures that it is ideal for mass production with very large quantities can be used. Can on a wafer a large number of perforated disks 23 are manufactured simultaneously become.
  • the starting point for the process is a flat and stable one Carrier plate, the z. B. made of metal (titanium, copper), Silicon, glass or ceramic can exist.
  • On the Carrier plate is optionally at least one Auxiliary layer galvanized. It is about for example an electroplating start layer (e.g. Cu), the for electrical wiring for later micro electroplating is needed.
  • the electroplating start layer can also be used as Sacrificial layer serve to easily separate the later To enable perforated disk structures by etching.
  • the Application of the auxiliary layer happens z. B. by sputtering or by currentless Metal deposition. After this pretreatment the A carrier plate becomes a photoresist on the auxiliary layer (Photoresist) applied all over.
  • the thickness of the photoresist should be the thickness of the Metal layer correspond to that in the later one Electroplating process is to be realized, i.e. the thickness of the lower layer or functional level of the perforated disk 23. Die metal structure to be realized should be created with the help of a photolithographic mask inversely in the photoresist be transmitted. One way is to Photoresist directly over the mask using UV exposure expose (UV depth lithography).
  • the negative structure ultimately created in the photoresist later functional level of the perforated disk 23 is galvanic filled with metal (e.g. Ni, NiCo) (metal deposition).
  • metal e.g. Ni, NiCo
  • the metal clings to the metal by electroplating Contour of the negative structure so that the given Contours are faithfully reproduced in it.
  • the Steps from the optional application of the auxiliary layer repeated according to the number of layers desired be, z. B. two functional levels in one Electroplating step can be generated (lateral overgrowth).
  • the perforated disks 23 are separated. To do this, the sacrificial layer is etched away, causing the Lift off perforated disks 23 from the carrier plate. After that the galvanic starting layers are removed by etching and the remaining photoresist from the metal structures detached.
  • FIG 2 shows an embodiment of a perforated disc 23 in a top view.
  • the perforated disc 23 is a flat, circular component executed that several, for example three, axially consecutive Has functional levels.
  • the one Sectional view along a line IIa-IIa in Figure 2 is clarifies the structure of the perforated disk 23 with their three functional levels, with the lower one being built first Functional level 35, that of the first deposited layer or corresponds to the base area 32 of the perforated disk 23, has a larger outer diameter than the two subsequently built functional levels 36 and 37, the together form the perforated disc area 33 and z.
  • B. in are produced in an electroplating step.
  • the upper Functional level 37 has an inlet opening 40 with a as large as possible on a contour similar to a stylized bat (or a double H).
  • the Inlet opening 40 has a cross section which as partially rounded rectangle with two each opposite, rectangular constrictions 45 and three protruding beyond the constrictions 45 Inlet areas 46 is writable. With z. B. each equal distance to the valve longitudinal axis 2 and thus to Center axis of the perforated disk 23 and around this, for example are also arranged symmetrically in the lower Functional level 35 four rectangular outlet openings 42 intended.
  • the rectangular / square Outlet openings 42 are in a projection of all Functional levels 35, 36, 37 in one level partially or largely in the constrictions 45 of the upper Function level 37 and have an offset to Inlet opening 40.
  • the offset can be different Directions can be different sizes.
  • a channel 41 (cavity) trained, which represents a cavity.
  • One contour a channel 41 having a rounded rectangle such a size that the projection of the Inlet opening 40 completely covered and especially in the Areas of constrictions 45 well above that Inlet opening 40 protrudes, that is, a greater distance from Center axis of the perforated disk 23 as the constrictions 45 Has.
  • a plurality of coding characters 60 are provided in the areas between the middle Inlet areas 46 of the inlet opening 40 and the outer edge of the base area 32 or the perforated disk area 33 of the Perforated disk 23 of the Perforated disk 23, a plurality of coding characters 60 are provided.
  • the individual coding characters 60 largely square Contours.
  • the coding characters 60 can be used individually or in Groups can be arranged, the grouped Coding characters 60 ultimately more complex together Represent coding characters 60 and as coding fields be designated.
  • Figure 2 form on one side next to the inlet opening 40 three with one corner each mutually encoding characters 60 a complex (Coding field) while on the other side next to the Inlet opening 40 two coding characters 60 with little Distance are formed such that the one another facing boundary edges of the coding characters 60 run in parallel.
  • the electroplating process is used to manufacture the Coding characters 60 in the lower functional level 35, the corresponds to the layer deposited first, in addition to the outlet openings 42 by means of appropriate masks Cutouts provided. These as coding characters 60 serving recesses are available at no additional cost Achieving the desired opening geometry required Manufacturing steps can be produced.
  • the making of a Coding character 60 is identical to that Production of the outlet openings 42.
  • the second Functional level 36 which e.g. in a next Galvanic step is built up, covers the recesses e.g. upwards so that the coding characters 60 have a depth have the thickness of the lower functional level 35 corresponds ( Figure 2a left side).
  • Coding characters 60 are on the lower face of the Perforated disc 23 visible as wells and with known Technologies can be scanned contactlessly and for example optically evaluable.
  • the square Coding characters 60 have e.g. Edge lengths from 100 to 200 ⁇ m.
  • the structuring is the smallest possible controllable cross-sectional dimension of a coding symbol 60 is equal to the structure height or depth of the Coding character 60, which is the resist thickness of the photoresist corresponds.
  • the coding characters 60 is a variety of information about the contouring of the perforated disk 23 encryptable, so that on an elaborate and clear More space-consuming labeling with numbers or Letters can be dispensed with.
  • the information is for example housed in a binary code. Is e.g.
  • a coding symbol 60 metallic filled in this can correspond to a value "0" while a coding character 60 present as a recess Value "1" corresponds.
  • One of these two coding characters 60 complex coding field formed can thus as "01" or "10" can be read.
  • the definition of a recess or a completed coding character 60 can of course also exactly the opposite. With each coding character 60 more in a coding field or with additional ones Coding fields can contain significantly more information be encrypted. Coding fields can be made from spaced or touching coding characters 60 consist.
  • FIG. 3 shows a perforated disk 23 which has several for example has three inlet openings 40.
  • Everyone Inlet opening 40 is exactly one channel 41 and exactly one Outlet opening 42 assigned.
  • the perforated disk 23 has three Functional units, each with an inlet opening 40, one Channel 41 and an outlet opening 42.
  • the functional units are asymmetrical or eccentric about the valve longitudinal axis 2, which is always the Corresponds to the central axis of the perforated disk 23. With this seemingly disordered division is very good individual beam directions can be achieved.
  • the perforated disc 3 connects a channel 41 with im Cross-section circular sector-shaped contour a crescent-shaped or annular segment-shaped inlet opening 40 with a circular outlet opening 42. Undermine the channels 41 or cover the respectively assigned inlet openings 40 and outlet openings 42 are always complete.
  • the Outlet openings 42 are arranged so that the Because of the beam pattern an asymmetrical cone results because the Individual rays divergent, that is, in themselves widening in a main direction obliquely to Aim longitudinal valve axis 2.
  • the perforated disk 23 according to FIG. 3 has a coding field three square, as a triangle spaced from each other arranged coding characters 60 and a circular Coding characters 60 on, all in places of Perforated disk 23 are provided where the actual Basic functions of the perforated disk 23 are not impaired become. These are usually marginal areas away the outlet openings 42.
  • the contours of the coding characters 60 are also triangular, rectangular, oval, etc. Cross sections conceivable.
  • FIG. 4 Another embodiment of a perforated disc 23 with Figure 4 shows several, here two inlet openings 40 the two inlet openings 40 face each other completely deviating opening contours, because these perforated disks too 23 the oblique beam generation or generation asymmetrical spray patterns should serve. While the one Inlet opening 40 three legs 55 and thus a T-shape has, the second inlet opening 40 has the contour a circular ring section with a variable width.
  • the three are designed like tunnel portals Outlet openings 42, one of which annular section-shaped inlet opening 40 and the adjoining circular sector-shaped channel 41 and two the T-shaped inlet port 40 and the downstream one following semicircular channel 41 are assigned in the areas between the legs 55 or in the Annular portion of an inlet opening 40 enclosed interior embedded.
  • the Coding characters 60 for example, again have square contours and can be different with respect to individual edges of the opening contours. So run e.g. two edges each of the coding characters 60 on the right side in Figure 4 parallel to one Boundary edge of the T-shaped inlet opening 40, whereas with the coding characters 60 on the left side none Parallelism of an edge with boundary edges of the inlet or outlet openings 40, 42 is present.
  • FIG. 5 shows a perforated disk 23 in a bottom view, an elongated rectangular inlet opening 40 and four square, largely over the perforated disc surface has equally distributed outlet openings 42.
  • Channel 41 in the middle functional level 36 has a largely circular contour, in two opposite places Has V-shaped notches. In the projection of everyone The channel 41 covers the functional levels of the perforated disk 23 the inlet opening 40 and the outlet openings 42 completely.
  • the coding characters 60 are, for example, in FIGS Notches of the channel 41 are arranged.
  • the two Coding fields are T-shaped or V-shaped and each consist of three square coding characters 60 together in the form mentioned above. Both Coding fields can be in the binary code e.g. as "100" or "001” or if the number of recesses is reversed or Pads can be read as "011” or "110". Separate Coding characters 60 can be changed at any time by more extend as only one functional level 35.
  • the scanning of the coding characters 60 is usually done done without contact.
  • For scanning and subsequent Evaluation of the encoded in the coding characters 60 Various procedures are available for information. So can an optical evaluation, for example by means of a known CCD camera take place, this application a computer-aided pattern recognition and evaluation. On the other hand, there is also an optical evaluation via a Laser scanning for the detection of depressions possible. Echosounder methods provide additional options Ultrasound or scanning using a Infrared camera.

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Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem mikrogalvanisch hergestellten Bauteil nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Aus der DE 196 07 288 A1 sind bereits derartige mikrogalvanisch hergestellte Bauteile bekannt, die in der Gestalt von Lochscheiben bei Einspritzventilen bzw. ganz allgemein zur Erzeugung feiner Sprays, z. B. mit großen Abspritzwinkeln, eingesetzt werden. Die einzelnen Schichten bzw. Funktionsebenen der Lochscheibe werden dabei durch galvanische Metallabscheidung aufeinander aufgebaut (Multilayergalvanik). Die Schichten werden nacheinander galvanisch abgeschieden, so daß sich die Folgeschicht aufgrund galvanischer Haftung fest mit der darunterliegenden Schicht verbindet und alle Schichten zusammen dann eine einteilige Lochscheibe bilden. Zum besseren Handling einer Vielzahl von Lochscheiben bei der Anwendung der verschiedenen Herstellungsverfahrensschritte auf einem Wafer sind z. B. pro Lochscheibe zwei Positionieraufnahmen in Form von kreisförmigen Durchgangslöchern nahe der äußeren Begrenzung der Lochscheibe vorgesehen, die sich über die gesamte axiale Höhe der Lochscheibe erstrecken. Der zeitlich nacheinander erfolgende Aufbau mehrerer Galvanikschichten wird so erleichtert. Nachträglich sind der Lochscheibe äußerlich jedoch keine Informationen entnehmbar, die einen Rückschluß auf die Konturgebung der Lochscheibe ermöglichen ließen.
Den Schriften EP 0 567 332 A2 und DE 44 32 725 C1 sind ebenfalls mikrogalvanisch hergestellte Bauteile entnehmbar, die mit einer vergleichbaren Technologie produziert werden. Für einen Außenstehenden sind an den fertigen Bauteilen auch hier keine Informationen zum Aufbau, zur Struktur oder zu anderen Kenndaten der Bauteile zugänglich.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Bauteil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß auf einfache Art und Weise Informationen zum Aufbau und zur Konturgebung des Bauteils zugänglich sind. Dazu werden bei der mikrogalvanischen Herstellung des Bauteils, also während des Galvanikprozesses Codierungszeichen vorgesehen, die sehr einfach optisch oder anderweitig auswertbar und decodierbar sind, wodurch eine Vielzahl von Informationen zu den Kenndaten des Bauteils vorhanden ist.
Die Codierungszeichen sind ohne Mehrkosten in den zur Erzielung der gewünschten Geometrie des Bauteils, z.B. der Öffnungsgeometrie einer fluiddurchströmten Lochscheibe, erforderlichen Fertigungsschritten herstellbar. Die Herstellung eines Codierungszeichens erfolgt dabei abseits der wichtigen Konturen zur Erfüllung der Funktionen des Bauteils identisch der Herstellung anderer Öffnungsbereiche. Die Codierungszeichen werden in vorteilhafter Weise gleich im ersten Galvanikschritt mitausgeformt, indem entsprechende photolithographische Masken verwendet werden. Somit liegen die Codierungszeichen von vornherein an einer eine äußere Begrenzung bildenden Seite des Bauteils vor.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Bauteils möglich.
Besonders vorteilhaft ist es, mehrere Codierungszeichen zu einem Codierungsfeld zusammenzufassen. So kann auf einfache Art und Weise der in den Codierungszeichen verschlüsselte Informationsgehalt deutlich erhöht werden. Die Codierungszeichen liegen in vorteilhafter Weise binärcodiert vor, d.h. Aussparungen und ausgefüllte metallische Bereiche ("Fehlstellen") entsprechen Werten "0" und "1" und bilden somit einen Binärcode, der sehr einfach decodiert werden kann.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 ein teilweise dargestelltes Einspritzventil mit einem mikrogalvanisch hergestellten Bauteil in der Form einer Lochscheibe, Figur 2 eine erste Lochscheibe in einer Draufsicht, Figur 2a eine Lochscheibe im Schnitt entlang der Linie IIa-IIa in Figur 2, Figur 3 eine zweite Lochscheibe in einer Draufsicht, Figur 4 eine dritte Lochscheibe in einer Draufsicht und Figur 5 eine vierte Lochscheibe in einer Unteransicht.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In der Figur 1 ist ein Ventil in der Form eines Einspritzventils für Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden fremdgezündeten Brennkraftmaschinen teilweise dargestellt, das eine Lochscheibe 23 aufweist, die ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrogalvanisch hergestellten Bauteils darstellt. Es soll darauf hingewiesen werden, daß die im folgenden näher beschriebenen Lochscheiben 23 nicht ausschließlich für den Gebrauch an Einspritzventilen vorgesehen sind; sie können vielmehr auch z. B. bei Lackierdüsen, bei Inhalatoren, bei Tintenstrahldruckern oder bei Gefriertrockenverfahren, zum Ab- bzw. Einspritzen von Flüssigkeiten, wie z. B. Getränken, zum Zerstäuben von Medikamenten zum Einsatz kommen. Zur Erzeugung feiner Sprays, z. B. mit großen Winkeln, eignen sich die mittels Multilayergalvanik hergestellten Lochscheiben 23 ganz allgemein.
Auch die Lochscheiben 23 selbst stellen wiederum nur eine Ausführungsform eines mikrogalvanisch hergestellten Bauteils dar. Auch mikrogalvanisch erzeugte Bauteile mit völlig von den beschriebenen Lochscheiben 23 abweichenden Formen, Konturen, Größenverhältnissen und Einsatzzwecken können selbstverständlich eine erfindungsgemäße Ausbildung aufweisen, so daß keinesfalls eine Beschränkung auf Lochscheiben 23 vorliegt.
Das in Figur 1 teilweise dargestellte Einspritzventil hat einen rohrförmigen Ventilsitzträger 1, in dem konzentrisch zu einer Ventillängsachse 2 eine Längsöffnung 3 ausgebildet ist. In der Längsöffnung 3 ist eine z. B. rohrförmige Ventilnadel 5 angeordnet, die an ihrem stromabwärtigen Ende 6 mit einem z. B. kugelförmigen Ventilschließkörper 7, an dessen Umfang beispielsweise fünf Abflachungen 8 zum Vorbeiströmen des Brennstoffs vorgesehen sind, fest verbunden ist.
Die Betätigung des Einspritzventils erfolgt in bekannter Weise, beispielsweise elektromagnetisch. Zur axialen Bewegung der Ventilnadel 5 und damit zum Öffnen entgegen der Federkraft einer nicht dargestellten Rückstellfeder bzw. Schließen des Einspritzventils dient ein schematisch angedeuteter elektromagnetischer Kreis mit einer Magnetspule 10, einem Anker 11 und einem Kern 12. Der Anker 11 ist mit dem dem Ventilschließkörper 7 abgewandten Ende der Ventilnadel 5 durch z. B. eine mittels eines Lasers hergestellte Schweißnaht verbunden und auf den Kern 12 ausgerichtet.
Zur Führung des Ventilschließkörpers 7 während der Axialbewegung dient eine Führungsöffnung 15 eines Ventilsitzkörpers 16, der in dem stromabwärts liegenden Ende des Ventilsitzträgers 1 in der Längsöffnung 3 durch Schweißen dicht montiert ist. Der Ventilsitzkörper 16 ist mit einem z. B. topfförmig ausgebildeten Lochscheibenträger 21 konzentrisch und fest verbunden, der somit zumindest mit einem äußeren Ringbereich 22 unmittelbar an dem Ventilsitzkörper 16 anliegt.
Ein erfindungsgemäß ausgebildetes Bauteil, hier die Lochscheibe 23, ist stromaufwärts einer Durchgangsöffnung 20 im Lochscheibenträger 21 derart angeordnet, daß es die Durchgangsöffnung 20 vollständig überdeckt. Der Lochscheibenträger 21 ist mit einem Bodenteil 24 und einem Halterand 26 ausgeführt. Die Verbindung von Ventilsitzkörper 16 und Lochscheibenträger 21 erfolgt beispielsweise durch eine umlaufende und dichte, mittels eines Lasers ausgebildete erste Schweißnaht 25. Der Lochscheibenträger 21 ist im Bereich des Halterandes 26 des weiteren mit der Wandung der Längsöffnung 3 im Ventilsitzträger 1 beispielsweise durch eine umlaufende und dichte zweite Schweißnaht 30 verbunden.
Die im Bereich der Durchgangsöffnung 20 innerhalb der kreisförmigen Schweißnaht 25 zwischen dem Lochscheibenträger 21 und dem Ventilsitzkörper 16 einklemmbare Lochscheibe 23 ist beispielsweise gestuft ausgeführt. Ein oberer, einen kleineren Durchmesser als ein Grundbereich 32 aufweisender Lochscheibenbereich 33 ragt dabei in eine stromabwärts einer sich kegelstumpfförmig verjüngenden Ventilsitzfläche 29 folgende zylindrische Austrittsöffnung 31 des Ventilsitzkörpers 16 maßgenau hinein. Der über den Lochscheibenbereich 33 radial hinausragende und somit einklemmbare Grundbereich 32 der Lochscheibe 23 liegt am Ventilsitzkörper 16 an. Während der Lochscheibenbereich 33 z. B. zwei Funktionsebenen, nämlich eine mittlere und eine obere Funktionsebene, der Lochscheibe 23 umfaßt, bildet eine untere Funktionsebene den Grundbereich 32 allein. Eine Funktionsebene soll dabei über ihre axiale Erstreckung jeweils eine weitgehend konstante Öffnungskontur besitzen.
Das Einsetzen der Lochscheibe 23 mit einem Lochscheibenträger 21 und eine Klemmung als Befestigung ist nur eine mögliche Variante des Anbringens der Lochscheibe 23 stromabwärts der Ventilsitzfläche 29. Da die Befestigungsmöglichkeiten nicht erfindungswesentlich sind, soll hier nur der Verweis auf übliche bekannte Fügeverfahren, wie Schweißen, Löten oder Kleben, erfolgen, die ebenfalls der Befestigung der Lochscheibe 23 dienen können.
Die in den Figuren 2 bis 5 dargestellten Lochscheiben 23 werden in mehreren metallischen Funktionsebenen durch galvanische Abscheidung aufgebaut (Multilayergalvanik). Aufgrund der tiefenlithographischen, galvanotechnischen Herstellung gibt es besondere Merkmale in der Konturgebung, wie z. B.
  • Funktionsebenen mit über die Scheibenfläche konstanter Dicke,
  • durch die tiefenlithographische Strukturierung weitgehend senkrechte Einschnitte in den Funktionsebenen, welche die jeweils durchströmten Hohlräume bilden (fertigungstechnisch bedingte Abweichungen von ca. 3° gegenüber optimal senkrechten Wandungen können auftreten),
  • gewünschte Hinterschneidungen und Überdeckungen der Einschnitte durch mehrlagigen Aufbau einzeln strukturierter Metallschichten,
  • Einschnitte mit beliebigen, weitgehend achsparallele Wandungen aufweisenden Querschnittsformen,
  • einteilige Ausführung der Lochscheibe, da die einzelnen Metallabscheidungen unmittelbar aufeinander erfolgen.
An dieser Stelle soll eine kurze Begriffsdefinition erfolgen, da die Begriffe "Schicht" und "Funktionsebene" verwendet sind. Eine Funktionsebene der Lochscheibe 23 stellt eine Lage dar, über deren axialer Erstreckung die Kontur einschließlich der Anordnung aller Öffnungen zueinander und der Geometrie jeder einzelnen Öffnung weitgehend konstant bleibt. Unter einer Schicht soll dagegen die in einem Galvanikschritt aufgebaute Lage der Lochscheibe 23 verstanden werden. Eine Schicht kann jedoch mehrere Funktionsebenen aufweisen, die z. B. mit dem sogenannten lateralen Überwachsen herstellbar sind. In einem Galvanikschritt werden dann mehrere Funktionsebenen (z. B. bei einer drei Funktionsebenen umfassenden Lochscheibe 23 die mittlere und die obere Funktionsebene) gebildet, die eine zusammenhängende Schicht darstellen. Die jeweiligen Funktionsebenen weisen dabei jedoch, wie oben bereits erwähnt, unterschiedliche Öffnungskonturen (Einlaß-, Auslaßöffnungen, Kanäle) zur jeweils unmittelbar folgenden Funktionsebene auf. Die einzelnen Schichten der Lochscheibe 23 werden nacheinander galvanisch abgeschieden, so daß sich die Folgeschicht aufgrund galvanischer Haftung fest mit der darunterliegenden Schicht verbindet und alle Schichten zusammen dann eine einteilige Lochscheibe 23 bilden.
In den folgenden Abschnitten wird nur in Kurzform das Verfahren zur Herstellung der Lochscheiben 23 gemäß der Figuren 1 bis 5 erläutert. Sämtliche Verfahrensschritte der galvanischen Metallabscheidung zur Herstellung einer Lochscheibe sind der DE 196 07 288 A1 entnehmbar. Aufgrund der hohen Anforderungen an die Strukturdimensionen und die Präzision von Einspritzdüsen gewinnen Mikrostrukturierungsverfahren heute eine zunehmende Bedeutung für ihre großtechnische Herstellung. Im allgemeinen wird für den Fluß des Fluids, z. B. des Brennstoffs, innerhalb der Düse bzw. der Lochscheibe ein Verlaufsweg gefordert, der die bereits angesprochene Turbulenzbildung innerhalb der Strömung begünstigt. Charakteristisch für das Verfahren der sukzessiven Anwendung von photolithographischen Schritten (UV-Tiefenlithographie) und anschließender Mikrogalvanik ist, daß es auch in großflächigem Maßstab eine hohe Präzision der Strukturen gewährleistet, so daß es ideal für eine Massenfertigung mit sehr großen Stückzahlen einsetzbar ist. Auf einem Wafer kann eine Vielzahl von Lochscheiben 23 gleichzeitig gefertigt werden.
Ausgangspunkt für das Verfahren ist eine ebene und stabile Trägerplatte, die z. B. aus Metall (Titan, Kupfer), Silizium, Glas oder Keramik bestehen kann. Auf die Trägerplatte wird optional zunächst wenigstens eine Hilfsschicht aufgalvanisiert. Dabei handelt es sich beispielsweise um eine Galvanikstartschicht (z. B. Cu), die zur elektrischen Leitung für die spätere Mikrogalvanik benötigt wird. Die Galvanikstartschicht kann auch als Opferschicht dienen, um später ein einfaches Vereinzeln der Lochscheibenstrukturen durch Ätzung zu ermöglichen. Das Aufbringen der Hilfsschicht (typischerweise CrCu oder CrCuCr) geschieht z. B. durch Sputtern oder durch stromlose Metallabscheidung. Nach dieser Vorbehandlung der Trägerplatte wird auf die Hilfsschicht ein Photoresist (Photolack) ganzflächig aufgebracht.
Die Dicke des Photoresists sollte dabei der Dicke der Metallschicht entsprechen, die in dem später folgenden Galvanikprozeß realisiert werden soll, also der Dicke der unteren Schicht bzw. Funktionsebene der Lochscheibe 23. Die zu realisierende Metallstruktur soll mit Hilfe einer photolithographischen Maske invers in dem Photoresist übertragen werden. Eine Möglichkeit besteht darin, den Photoresist direkt über die Maske mittels UV-Belichtung zu belichten (UV-Tiefenlithographie).
Die letztlich im Photoresist entstehende Negativstruktur zur späteren Funktionsebene der Lochscheibe 23 wird galvanisch mit Metall (z. B. Ni, NiCo) aufgefüllt (Metallabscheidung). Das Metall legt sich durch das Galvanisieren eng an die Kontur der Negativstruktur an, so daß die vorgegebenen Konturen formtreu in ihm reproduziert werden. Um die Struktur der Lochscheibe 23 zu realisieren, müssen die Schritte ab dem optionalen Aufbringen der Hilfsschicht entsprechend der Anzahl der gewünschten Schichten wiederholt werden, wobei z. B. zwei Funktionsebenen in einem Galvanikschritt erzeugt werden (laterales Überwachsen). Für die Schichten einer Lochscheibe 23 können auch unterschiedliche Metalle verwendet werden, die jedoch nur in einem jeweils neuen Galvanikschritt einsetzbar sind. Abschließend erfolgt das Vereinzeln der Lochscheiben 23. Dazu wird die Opferschicht weggeätzt, wodurch die Lochscheiben 23 von der Trägerplatte abheben. Danach werden die Galvanikstartschichten durch Ätzung entfernt und der verbliebene Photoresist aus den Metallstrukturen herausgelöst.
Die Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Lochscheibe 23 in einer Draufsicht. Die Lochscheibe 23 ist als flaches, kreisförmiges Bauteil ausgeführt, das mehrere, beispielsweise drei, axial aufeinanderfolgende Funktionsebenen aufweist. Besonders die Figur 2a, die eine Schnittdarstellung entlang einer Linie IIa-IIa in Figur 2 ist, verdeutlicht den Aufbau der Lochscheibe 23 mit ihren drei Funktionsebenen, wobei die zuerst aufgebaute, untere Funktionsebene 35, die der zuerst abgeschiedenen Schicht bzw. dem Grundbereich 32 der Lochscheibe 23 entspricht, einen größeren Außendurchmesser besitzt als die beiden nachfolgend aufgebauten Funktionsebenen 36 und 37, die zusammen den Lochscheibenbereich 33 bilden und z. B. in einem Galvanikschritt hergestellt sind. Die obere Funktionsebene 37 weist eine Einlaßöffnung 40 mit einem möglichst großen Umfang auf, die eine Kontur ähnlich einer stilisierten Fledermaus (oder eines Doppel-H) besitzt. Die Einlaßöffnung 40 weist einen Querschnitt auf, der als teilweise abgerundetes Rechteck mit zwei jeweils gegenüberliegenden, rechteckförmigen Einschnürungen 45 und drei über die Einschnürungen 45 hinausragenden Einlaßbereichen 46 beschreibbar ist. Mit z. B. jeweils gleichem Abstand zur Ventillängsachse 2 und damit zur Mittelachse der Lochscheibe 23 und um diese beispielsweise auch symmetrisch angeordnet sind in der unteren Funktionsebene 35 vier rechteckförmige Auslaßöffnungen 42 vorgesehen. Die rechteckförmigen/ quadratischen Auslaßöffnungen 42 liegen bei einer Projektion aller Funktionsebenen 35, 36, 37 in eine Ebene teilweise oder weitgehend in den Einschnürungen 45 der oberen Funktionsebene 37 und besitzen einen Versatz zur Einlaßöffnung 40. Der Versatz kann dabei in verschiedene Richtungen unterschiedlich groß sein.
Um eine Fluidströmung von der Einlaßöffnung 40 bis hin zu den Auslaßöffnungen 42 zu gewährleisten, ist in der mittleren Funktionsebene 36 ein Kanal 41 (cavity) ausgebildet, der eine Kavität darstellt. Der eine Kontur eines abgerundeten Rechtecks aufweisende Kanal 41 besitzt eine solche Größe, daß er in der Projektion die Einlaßöffnung 40 vollständig überdeckt und besonders in den Bereichen der Einschnürungen 45 deutlich über die Einlaßöffnung 40 hinausragt, also einen größeren Abstand zur Mittelachse der Lochscheibe 23 als die Einschnürungen 45 hat.
In den Bereichen zwischen den jeweils mittleren Einlaßbereichen 46 der Einlaßöffnung 40 und dem äußeren Rand des Grundbereichs 32 bzw. des Lochscheibenbereichs 33 der Lochscheibe 23 sind mehrere Codierungszeichen 60 vorgesehen. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 2 besitzen die einzelnen Codierungszeichen 60 weitgehend quadratische Konturen. Die Codierungszeichen 60 können einzeln oder in Gruppen angeordnet sein, wobei die gruppiert ausgebildeten Codierungszeichen 60 letztlich zusammen komplexere Codierungszeichen 60 darstellen und als Codierungsfelder bezeichnet werden. In Figur 2 bilden auf der einen Seite neben der Einlaßöffnung 40 drei mit jeweils einer Ecke einander berührende Codierungszeichen 60 einen Komplex (Codierungsfeld), während auf der anderen Seite neben der Einlaßöffnung 40 zwei Codierungszeichen 60 mit geringem Abstand derart zueinander ausgeformt sind, daß die einander zugewandten Begrenzungskanten der Codierungszeichen 60 parallel verlaufen.
Im Galvanikprozess werden zur Herstellung der Codierungszeichen 60 in der unteren Funktionsebene 35, die der zuerst abgeschiedenen Schicht entspricht, zusätzlich zu den Auslaßöffnungen 42 mittels entsprechender Masken Aussparungen vorgesehen. Diese als Codierungszeichen 60 dienenden Aussparungen sind ohne Mehrkosten in den zur Erzielung der gewünschten Öffnungsgeometrie erforderlichen Fertigungsschritten herstellbar. Die Herstellung eines Codierungszeichens 60 erfolgt dabei identisch der Herstellung der Auslaßöffnungen 42. Die zweite Funktionsebene 36, die z.B. in einem nächsten Galvanikschritt aufgebaut wird, deckt die Aussparungen z.B. nach oben ab, so daß die Codierungszeichen 60 eine Tiefe besitzen, die der Dicke der unteren Funktionsebene 35 entspricht (Figur 2a linke Seite). Damit ist gewährleistet, daß von der Einlaßöffnung 40 her kein Fluid in die Codierungszeichen 60 einströmen kann, so daß keine Beeinträchtigung der Lochscheibenfunktion vorliegt. Die Codierungszeichen 60 sind an der unteren Stirnfläche der Lochscheibe 23 als Vertiefungen sichtbar und mit bekannten Technologien berührungslos abtastbar und beispielsweise optisch auswertbar.
Wie der Figur 2a entnehmbar ist, können sich jederzeit einzelne Codierungszeichen 60 über mehr als eine Funktionsebene 35 erstrecken. Während das Codierungszeichen 60 auf der linken Seite nur die Tiefe (Höhe) einer Funktionsebene 35 hat, soll das Codierungszeichen 60 auf der rechten Seite andeuten, daß es sich über beispielsweise zwei Funktionsebenen 35 und 36 erstreckt, da die Abdeckung des eine Vertiefung darstellenden Codierungszeichens 60 durch die obere Funktionsebene 37 erst in einem nächsten Galvanikschritt erfolgte. Es soll ausdrücklich darauf hingewiesen werden, daß die Ausbildung der Codierungszeichen 60 von der unteren Funktionsebene 35 her nur eine vorteilhafte Möglichkeit darstellt, aber alle anderen eine äußere Begrenzung bildenden Seiten des Bauteils, hier der Lochscheibe 23, ebenso dafür geeignet sind.
Die beispielsweise quadratisch ausgeformten Codierungszeichen 60 besitzen z.B. Kantenlängen von 100 bis 200 µm. Strukturierungsbedingt ist die kleinstmöglich beherrschbare Querschnittsabmessung eines Codierungszeichens 60 gleich der Strukturhöhe bzw. -tiefe des Codierungszeichens 60, was der Lackdicke des Photoresists entspricht. Mit den Codierungszeichen 60 ist eine Vielzahl an Informationen über die Konturgebung der Lochscheibe 23 verschlüsselbar, so daß auf eine aufwendige und deutlich mehr Platz beanspruchende Kennzeichnung mit Ziffern oder Buchstaben verzichtet werden kann. Die Informationen sind beispielsweise in einem Binärcode untergebracht. Ist z.B. in einem Codierungsfeld ein Codierungszeichen 60 metallisch ausgefüllt, kann dies einem Wert "0" entsprechen, während ein als Aussparung vorhandenes Codierungszeichen 60 einem Wert "1" entspricht. Ein aus diesen beiden Codierungszeichen 60 gebildetes komplexes Codierungsfeld kann so als "01" oder "10" gelesen werden. Die Definition einer Aussparung oder eines ausgefüllten Codierungszeichens 60 kann natürlich auch genau umgekehrt erfolgen. Mit jedem Codierungszeichen 60 mehr in einem Codierungsfeld bzw. mit zusätzlichen Codierungsfeldern können noch deutlich mehr Informationen verschlüsselt werden. Codierungsfelder können aus beabstandeten oder sich berührenden Codierungszeichen 60 bestehen.
Die Figur 3 zeigt eine Lochscheibe 23, die mehrere, beispielsweise drei Einlaßöffnungen 40 aufweist. Jeder Einlaßöffnung 40 ist genau ein Kanal 41 und genau eine Auslaßöffnung 42 zugeordnet. Solche Lochscheiben 23 sind insofern sehr interessant, da mit ihnen außergewöhnliche Strahlbilder erzeugbar sind. Die Lochscheibe 23 besitzt drei Funktionseinheiten mit jeweils einer Einlaßöffnung 40, einem Kanal 41 und einer Auslaßöffnung 42. Je nach gewünschtem Strahlbild sind die Funktionseinheiten asymmetrisch bzw. exzentrisch um die Ventillängsachse 2, die immer auch der Mittelachse der Lochscheibe 23 entspricht, angeordnet. Mit dieser scheinbar ungeordneten Aufteilung sind sehr gut individuelle Strahlrichtungen erzielbar. Bei der Lochscheibe nach Figur 3 verbindet jeweils ein Kanal 41 mit im Querschnitt kreissektorförmiger Kontur eine sichelförmige bzw. kreisringabschnittförmige Einlaßöffnung 40 mit einer kreisförmigen Auslaßöffnung 42. Die Kanäle 41 untergraben bzw. überdecken die jeweils zugeordneten Einlaßöffnungen 40 und Auslaßöffnungen 42 stets vollständig. Die Auslaßöffnungen 42 sind dabei so angeordnet, daß sich vom Strahlbild her ein asymmetrischer Kegel ergibt, da die Einzelstrahlen divergent auseinanderlaufend, also in sich erweiternder Weise in eine Hauptrichtung schräg zur Ventillängsachse 2 zielen.
Die Lochscheibe 23 nach Figur 3 weist ein Codierungsfeld mit drei quadratischen, als Dreieck mit Abstand zueinander angeordneten Codierungszeichen 60 und ein kreisförmiges Codierungszeichen 60 auf, die allesamt an Stellen der Lochscheibe 23 vorgesehen sind, wo die eigentlichen Grundfunktionen der Lochscheibe 23 nicht beeinträchtigt werden. Dabei handelt es sich meist um Randbereiche abseits der Auslaßöffnungen 42. Neben den quadratischen und runden Konturen der Codierungszeichen 60 sind auch dreieckige, rechteckige, ovale u.a. Querschnitte denkbar.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Lochscheibe 23 mit mehreren, hier zwei Einlaßöffnungen 40 zeigt Figur 4. Die beiden Einlaßöffnungen 40 weisen dabei voneinander völlig abweichende Öffnungskonturen auf, da auch diese Lochscheiben 23 der Schief strahlerzeugung bzw. der Erzeugung asymmetrischer Strahlbilder dienen sollen. Während die eine Einlaßöffnung 40 drei Schenkel 55 und somit eine T-Form aufweist, besitzt die zweite Einlaßöffnung 40 die Kontur eines Kreisringabschnitts mit einer veränderlichen Breite. Die drei beispielsweise tunnelportalähnlich ausgebildeten Auslaßöffnungen 42, von denen eine der kreisringabschnittförmigen Einlaßöffnung 40 und dem sich daran anschließenden kreissektorförmigen Kanal 41 sowie zwei der T-förmigen Einlaßöffnung 40 und dem stromabwärts folgenden halbkreisförmigen Kanal 41 zugeordnet sind, sind in den Bereichen zwischen den Schenkeln 55 bzw. im durch den Kreisringabschnitt der einen Einlaßöffnung 40 eingeschlossenen Innenraum eingebettet.
In dem Bereich zwischen den beiden Einlaßöffnungen 40 sind in der unteren Funktionsebene 35 (Grundbereich 32) beispielsweise zwei Codierungsfelder mit jeweils zwei beabstandeten Codierungszeichen 60 ausgeführt. Die Codierungszeichen 60 besitzen beispielsweise wiederum quadratische Konturen und können unterschiedlich bezüglich einzelner Kanten der Öffnungskonturen ausgerichtet sein. So verlaufen z.B. jeweils zwei Kanten der Codierungszeichen 60 auf der rechten Seite in Figur 4 parallel zu einer Begrenzungskante der T-förmigen Einlaßöffnung 40, wohingegen bei den Codierungszeichen 60 auf der linken Seite keine Parallelität einer Kante mit Begrenzungskanten der Einlaß- oder Auslaßöffnungen 40, 42 vorliegt.
Die Figur 5 zeigt eine Lochscheibe 23 in einer Unteransicht, die eine langgestreckte rechteckförmige Einlaßöffnung 40 und vier quadratische, über die Lochscheibenfläche weitgehend gleich verteilte Auslaßöffnungen 42 aufweist. Der Kanal 41 in der mittleren Funktionsebene 36 besitzt eine weitgehend kreisförmige Kontur, die an zwei gegenüberliegenden Stellen V-förmige Einkerbungen hat. In der Projektion aller Funktionsebenen der Lochscheibe 23 überdeckt der Kanal 41 die Einlaßöffnung 40 und die Auslaßöffnungen 42 vollständig.
Die Codierungszeichen 60 sind beispielsweise in den Einkerbungen des Kanals 41 angeordnet. Die zwei Codierungsfelder sind T-förmig bzw. V-förmig ausgebildet und setzen sich jeweils aus drei quadratischen Codierungszeichen 60 in der oben erwähnten Form zusammen. Beide Codierungsfelder können im Binärcode z.B. als "100" oder "001" bzw. bei umgekehrter Anzahl an Aussparungen bzw. Auffüllungen als "011" oder "110" gelesen werden. Einzelne Codierungszeichen 60 können sich jederzeit auch durch mehr als nur eine Funktionsebene 35 erstrecken.
Die Abtastung der Codierungszeichen 60 wird im Regelfall berührungslos erfolgen. Für die Abtastung und anschließende Auswertung der in den Codierungszeichen 60 verschlüsselten Informationen bieten sich verschiedene Verfahren an. So kann eine optische Auswertung beispielsweise mittels einer bekannten CCD-Kamera erfolgen, wobei diese Anwendung eine computerunterstützte Mustererkennung und -auswertung umfaßt. Andererseits ist ebenso eine optische Auswertung über eine Laserabtastung zur Erkennung von Vertiefungen denkbar. Weitere Möglichkeiten stellen Echolotverfahren mit Ultraschall oder die Abtastung mit Hilfe einer Infrarotkamera dar.

Claims (10)

  1. Mikrogalvanisch hergestelltes Bauteil mit einer dreidimensionalen, tiefenlithographisch erzeugten Struktur, dadurch gekennzeichnet, daß an einer eine äußere Begrenzung bildenden Seite des Bauteils (23) wenigstens ein abtastbares, während des Galvanikprozesses erzeugtes Codierungszeichen (60) vorgesehen ist.
  2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Codierungszeichen (60) eine Aussparung oder einen vorgegebenen ausgefüllten metallischen Bereich darstellt.
  3. Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein eine Aussparung darstellendes Codierungszeichen (60) eine Tiefe hat, die der Schichtdicke einer in einem ersten Galvanikschritt abgeschiedenen Struktur des Bauteils entspricht.
  4. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Codierungszeichen (60) zu einem Codierungsfeld zusammengefaßt sind.
  5. Bauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Codierungszeichen (60) eines Codierungsfeldes mit Abstand zueinander vorgesehen sind.
  6. Bauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Codierungszeichen (60) eines Codierungsfeldes berühren.
  7. Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Codierungszeichen (60) als komplexe Codierungsfelder angeordnet sind, die eine T-Form bzw. eine V-Form besitzen.
  8. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Codierungszeichen (60) quadratische, rechteckige, dreieckige, ovale oder kreisförmige Querschnitte aufweisen.
  9. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Codierungszeichen (60) Informationen zum Aufbau und zur Konturgebung des Bauteils verschlüsselt sind.
  10. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Codierungszeichen (60) optisch oder mit Ultraschall auswertbar ist.
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