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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten von
Werkstücken mittels Laserstrahlung.
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Bei
Werkstücken und Bauteilen entstehen bedingt durch den Herstellungsprozess
oft Grate, beispielsweise beim Stanzen oder Formgießen.
Beispielsweise entsteht bei jeder gestanzten Kontur verfahrensbedingt
ein Grat. Grate sind störende oder sogar gefährliche
Bereiche an einem Werkstück und müssen daher in
der Regel weitestgehend entfernt werden. Insbesondere bei dem Einsatz
derartig produzierter Werkstücke in einer Kraftstoff- oder
Einspritzanlage oder der Medizintechnik dürfen keine losen
metallischen Partikel durch sich lösenden Grat entstehen.
Die Grathöhe bei gestanzten Teilen liegt erfahrungsgemäß bei
bis zu etwa 10% der Starke des Materials, aus dem das Werkstück
gestanzt wurde.
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Bei
sehr kleinen Konturen ist das Abtragen jedes Grats beispielsweise
durch Trowalisieren, Bandschleifen, Bürsten oder Gleitschleifen
nicht möglich, der Grat wird in die Kontur gedrückt
und dabei unter Umständen sogar gelöst. Das Anprägen
der Konturen ist nur begrenzt wirksam, da loser Grat auch durch
Anprägen nicht mehr zuverlässig fixiert werden
kann. Chemisches Entgraten ist sehr kostspielig und auch nicht bei
allen Teilegeometrien realisierbar (beispielsweise haften Platinen
aneinander) und auch nicht selektiv für Teilbereiche, sondern
nur für das gesamte Werkstück anwendbar.
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Stand der Technik
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Aus
der
DE 100 34 806
C1 ist ein Verfahren zum Entgraten von Werkstücken
und Erzeugen einer vorbestimmten Werkstückgeometrie unter
Verwendung eines Lasers bekannt. Dabei wird ein Grat eines Werkstücks
in einem ersten Arbeitsschritt durch einen Laser-Schneidvorgang
zunächst grob abgetrennt und der Restgrat in einem folgenden
Arbeitsschritt weiter bearbeitet. Ein bekanntes Verfahren zum Bearbeiten
von gestanzten Werkstücken ist das sogenannte Trowalisieren.
Dabei werden Schleifkörper in einer Trommel eingesetzt,
mit deren Hilfe die Kanten einer Glättungsbearbeitung unterzogen
werden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Bei
sehr kleinen gestanzten Strukturen ist allerdings keines der genannten
Verfahren anwendbar, da zum einen die auftretenden relativ kleinen
Grate in der Größenordnung eines kleinstmöglichen
Fokusdurchmessers derzeit bekannter Laser liegen und somit nicht
abgetrennt werden können und zum anderen die kleinstmöglichen
noch wirksamen Schleifkörper des Trowalisierverfahrens
so groß sind, dass sie nicht in die Konturen eindringen
können oder sogar Schäden am Werkstück
verursachen können.
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Das
Problem besteht also darin, den Grat bei einem gestanzten Werkstück
derart zu bearbeiten, dass er sich nicht lösen kann und
die vorgegebene Werkstückkontur nicht beeinträchtigt
wird.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es also, ein Verfahren zum Bearbeiten
eines Werkstücks zu schaffen, das ein rasches Bearbeiten
von gratbehafteten Werkstücken gestattet.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren
gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die abhängigen
Patentansprüche definieren vorteilhafte Weiterentwicklungen
der Erfindung.
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Die
Erfindung stellt also ein Verfahren zum Bearbeiten eines gestanzten
Werkstücks mittels Laserstrahlung bereit, worin ein durch
das Stanzen entstandener Grat am Werkstück zumindest teilweise angeschmolzen
wird.
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Das
zumindest teilweise Anschmelzen bewirkt ein Verrunden, Verlagern,
Glätten und/oder Fixieren des Grats. Die physikalische
Grundlage hierfür ist die Oberflächenspannung
der Schmelze am angeschmolzenen Grat: Die Werkstückoberfläche wird
lokal aufgeschmolzen, der Grat schmilzt auf und verrundet unter
Wirkung der Oberflächenspannung. Der Grat kann unter der
Wirkung der Laserstrahlung allerdings auch sich verlagern, geglättet
werden oder am Werkstück fixiert werden.
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Da
die Fertigung von komplexen Stanz-Biegeteilen stets in Folge-, Folgeverbund-
oder Transferwerkzeugen erfolgt und das oberflächliche
Anschmelzen metallischer Werkstoffe mit modernen leistungsfähigen
Laser in sehr kurzen Zeiträumen bewerkstelligt werden kann,
ist es somit möglich, den Laserbearbeitungsprozess in einer
oder mehreren weiteren, dem Stanzvorgang nachgeordneten Folgen des
Werkzeugs durchzuführen, ohne dass die Taktzahl verringert
wird oder gar ein zusätzlicher nachgeschalteter Folgearbeitsgang
außerhalb des Werkzeugs erforderlich wird.
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Als
Laser wird ein zur Materialbearbeitung geeigneter Laser mit einer
geeigneten Optik und einer Scannervorrichtung oder einem Linearachsensystem
zum Steuern des Laserstrahls an oder auf dem zu bearbeitenden Werkstück
eingesetzt. Der Grad der Fokussierung wird an die Erfordernisse
des Materials und der Kantengeometrie angepasst. Auf diese Weise
kann der Laserstrahl entlang einer Kante eines Werkstücks
geführt werden, um so die Laserenergie in das Material
des Werkstücks im Bereich der zu entgratenden Kante einzukoppeln.
Dabei entsteht Wärme in den bestrahlten Materialbereichen.
Bei schmelzbaren Materialien kann die eingebrachte Wärme
zu einem lokalen Schmelzen des Materials führen, so dass
das geschmolzene Material aufgrund der Oberflächenspannung
der entstandenen lokalen Schmelzzonen zusammenläuft und
auf diese Weise einen Grat derart anschmelzen, dass er entweder
vollständig schmilzt und die Schmelze auf oder an dem Werkstück
verläuft. Oder der Grat verlagert sich derart, dass er über
seine gesamte Erstreckung oder einen Teil davon am Werkstück
anschmilzt. Es kann auch eine Glättung derart eintreten,
dass der Grat aufgrund des lokalen Schmelzvorgangs in sich zusammenfällt.
Schließlich kann auch der Grat als Ganzes sich an das Werkstück
anschmiegend fixiert werden. Mit anderen Wort wird der Grat am Grundmaterial
durch gezielte lokale Erwärmung mit einem Laserstrahl angeschmolzen
und fixiert. Der Laserstrahl wird über die Laserparameter, wie
beispielsweise Strahlenergie, Pulsdauer, -weite, -frequenz und dergleichen,
gezielt an die Bearbeitungsaufgabe und die momentan vorliegende
Grathöhe, die vom Verschleißzustand des Stanzwerkzeugs
abhängt, angepasst.
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Jede
gestanzte Fläche besteht aus den Bereichen Stanzeinzug
(an der Oberfläche, an welcher der Schneidstempel eintritt),
Glattschnittanteil (Scherfläche), Stanzausbruch (freie
Rissausbreitung zwischen Stempel und Matrizenkante) und Grat. Bedingt
durch den Schneidspalt verläuft die Stanzausbruchfläche
in der Regel unter 5–15° zur Glattschnittfläche.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren hat die Wirkung, dass
das aufgeschmolzene Gratmaterial unter Einfluss der Oberflächenspannung
größtenteils in den Stanzausbruchbereich gezogen
wird. Da das Volumen des Grats in der Regel kleiner ist als das „fehlende"
Volumen des Stanzausbruchbereichs, verschwindet das Gratmaterial
im Stanzausbruch, ohne dass die Kontur des Glattschnittbereichs überschritten
wird und sich die Innenkontur damit messbar verkleinert.
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Die
Spezifikation eines maximalen Grats erfolgt normalerweise in der
Form eines maximalen Überstandes gegenüber einer
Bezugsfläche oder in Form eines minimalen Radius zwischen
Bezugsfläche senkrecht zur Stanzfläche und Stanzfläche.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren wird im Wesentlichen
kein Material entfernt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird die Laserstrahlung in zeitlich und räumlich
vorbestimmter Weise auf Bereiche einer Kante des Werkstücks
gerichtet wird, um so einen Grat an der Kante des Werkstücks
wenigstens teilweise anzuschmelzen. Diese Strahlführung
wird durch eine geeignete Scanneroptik erreicht.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird entlang der zu bearbeitenden Kante des Werkstücks
die Laserstrahlung punktuell im Bereich der zu bearbeitenden Kante
des Werkstücks aufgebracht. Um den Grat vollständig
und gleichmäßig zu bearbeiten, sollten die Laserpunkte
vorzugsweise überlappend entlang der Kontur gesetzt werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens weist die zu bearbeitende Kante am Werkstück
im Wesentlichen die Form eines Kreises auf.
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In
einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform
wird die Laserstrahlung in einer zeitlich und räumlich
vorbestimmten Weise derart geführt, dass an einander grenzende
Bereiche der zu entgratenden Kante nacheinander mit der Laserstrahlung
beaufschlagt werden, vorzugsweise überlappend. Dies bedeutet,
dass die Laserstrahlung derart zeitabhängig gerichtet wird,
dass sie die Kontur der zu bearbeitenden Kante nachfährt.
Für den Fall einer kreisförmigen Kante bedeutet
dies beispielsweise, dass die Laserstrahlung beispielsweise im Uhrzeigersinn
oder im Gegenuhrzeigersinn geführt wird. Dies ist für
gepulste wie auch für kon tinuierliche Laserstrahlung möglich.
Damit wird also in unmittelbarer Nachbarschaft eines bereits bearbeiteten
Bereiches ein nächster Bereich der Kante bearbeitet. Dieses
Verfahren ist vorteilhaft, wenn eine Überhitzung des Materials
nicht zu befürchten ist. Einige Materialien sind gegen Überhitzung
empfindlich, wie beispielsweise Metalle, die oberhalb bestimmter Temperaturen
Phasenumwandlungen erleiden, die zudem in der Regel mit einem veränderten
Energieaustausch einhergehen.
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Alternativ
wird die Laserstrahlung in einer zeitlich und räumlich
vorbestimmten Weise derart geführt, dass aneinander grenzende
Bereiche der zu bearbeitenden Kante derart intermittierend mit der Laserstrahlung
beaufschlagt werden, dass zwischen zwei Bereichen, die mit Laserstrahlung
beaufschlagt werden, immer wenigstens ein Bereich freigelassen wird.
Das heißt, dass beispielsweise an einer kreisrunden Kante
zeitlich direkt aufeinanderfolgende Laserpunkte räumlich
einander gegenüberliegend beaufschlagt werden. Auf diese
Weise wird eine Überhitzung vermieden.
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Es
ist von Bedeutung, dass das erfindungsgemäße Verfahren
eine Bearbeitung des gestanzten Werkstücks mittels Laserstrahlung
nicht mehr Zeit erfordert als die Umformung in den anderen Folgen
und damit einen Fertigungsprozess insgesamt nicht verzögert.
Der Laserprozess erfolgt vorzugsweise in dem Zeitraum, während
das Band in Ruhe ist. Es ist aber auch möglich, der Kontur
die Bewegung des Transportbandes vektoriell durch geeignete Programmierung
zu überlagern und damit eine Bearbeitung „On-the-fly"
auch während des Einziehens und Absenkens des Bandes durchzuführen.
Dadurch könnten die bearbeitbaren Konturlängen
noch gesteigert werden.
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Zusammengefasst
stellt die Erfindung also ein Verfahren bereit, mit dem rasch Konturen
von Werkstücken, insbesondere gestanzten, geglättet werden
können.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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1a zeigt
in starker Vergrößerung einen Ausschnitt der Kontur
einer gestanzten Fläche mit Glattschnittanteil, Stanzausbruch
und Grat.
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1b zeigt
die Gratseite eines gestanzten Blechs.
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2a und 2b zeigen
in einer Draufsicht und einer Seitenansicht ein Werkstück,
in das eine kreisförmige Öffnung gestanzt wurde.
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3a und 3b zeigen
in Draufsicht jeweils ein Werkstück, das entsprechend dem
erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitet wurde.
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4a und 4b dienen
zur Veranschaulichung bei alternativer Ansteuerung des Lasers.
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5 zeigt
in starker Vergrößerung eine Detailansicht eines
Glattschnittanteils einer Kante, die durch Stanzen eines Werkstücks
gebildet wurde, wobei das Werkstück gemäß dem
erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitet wurde.
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Ausführliche Beschreibung
der Erfindung
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Im
Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels Laserstrahlung beispielhaft
beschrieben.
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1a zeigt
in starker Vergrößerung eine gemessenes Kontur
einer Kante, die durch Stanzen eines metallischen Werkstücks 10 gebildet
wurde. 1b zeigt eine fotografische
Aufnahme eines Grats auf der Stanzausbruchseite eines ausgestanzten
Lochs. Das Werkstück 10 weist dabei eine Oberfläche
O auf. Die Kante zeigt eine Kontur, die sich in den gestanzten Hauptbereich
(Glattschnittfläche) W, einen Übergangsbereich
B (Stanzausbruchfläche) und einen unvermeidlichen Grat
G gliedert. Ein Grat G hat typischerweise eine Längserstreckung
(Grathöhe S) von etwa bis zu 10% der Materialstärke.
Gezeigt ist hier also ein Teil des Glattschnittanteils, der Stanzausbruch,
der unter einem Winkel α von ca. 15° zur Glattschnitt fläche
geneigt ist, sowie der Grat. Eine gegenüberliegende Stanzeinzugsfläche
ist nicht gezeigt.
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2a zeigt als exemplarisches Beispiel das
runde Werkstück 10, in das eine kreisförmige Öffnung
Kr gestanzt wurde, als Ganzes. Die im Folgenden angegebenen Abmessungen
sind dabei nur exemplarisch zu verstehen. Die kreisförmig
geschlossene Kante K der Öffnung Kr hat einen Durchmesser d
von ungefähr 0,8 mm (z. B. mit der üblichen Stanzteiltoleranz
von +/–0,05 mm) und das Werkstück einen Durchmesser
von ungefähr 10 mm. Entlang der Linie A-A genommen ist
ein Querschnitt A-A des Werkstücks 10 in 2b gezeigt. Demnach hat das Werkstück 10 eine
Höhe (Dicke) t von ungefähr einem mm.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zum Bearbeiten eines
gestanzten Werkstücks mittels Laserstrahlung wird auf das
vorliegende Werkstück 10 angewandt, wobei die
Laserstrahlung in zeitlich und räumlich vorbestimmter Weise
auf Bereiche der Kante K des Werkstücks 10 gerichtet
wird, um so den in 1 vergrößert
gezeigten Grat G an der Kante K des Werkstücks 10 wenigstens
teilweise zu verrunden, zu fixieren, in den Stanzausbruch zu verlagern oder
zu glätten. Dabei wird die Laserstrahlung punktuell nacheinander
auf Bereiche der Kante K entlang der Kreislinie Kr beaufschlagt.
Besonders vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen
Verfahren ist, dass kein weiterer Bearbeitungsschritt zum Entgraten
erforderlich ist. Ferner kann in Abhängigkeit vom Werkstoff und
weiteren Anforderungen auf den Einsatz eines Prozessgases verzichtet
werden. Durch Variation des Prozessgasdrucks und der Richtung des
Gasstroms kann die Schmelze auch gezielt in den Stanzausbruchsbereich
gedrückt werden.
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Mit
anderen Worten wird der Grat am Grundmaterial durch gezielte lokale
Erwärmung mit einem Laserstrahl angeschmolzen und fixiert.
Der Laserstrahl kann über ein Scannersystem der Kontur
folgen und über die Laserparameter gezielt an die Bearbeitungsaufgabe
und die momentan vorliegende Grathöhe, die im Zu sammenhang
mit dem Verschleißzustand des Stanzwerkzeugs steht, angepasst
werden.
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Das
Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens ist
beispielhaft in 3a und 3b gezeigt. 3a zeigt
in Draufsicht einen kreisförmigen Bereich Kr eines durch
Ausstanzen aus einem Band 10 erzeugten Kantenbereiches,
der durch Beaufschlagen mit acht Laserpunkten L1 bis L8 geglättet
wurde, während 3b einen
kreisförmigen Bereich Kr eines durch Ausstanzen erzeugten
Kantenbereiches in Draufsicht zeigt, der durch Beaufschlagen mit
zwölf Laserpunkten L10 bis L21 geglättet wurde.
Bei geeigneter Parameterwahl liegt das umgeschmolzene Gratmaterial
vollständig im Stanzausbruchbereich und ist somit optisch
(z. B. über Projektion) oder auch taktil auf der Glattschnittfläche
nicht mehr nachweisbar.
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Durch
die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist der Grat sicher fixiert und der Ausbruch verrundet.
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Im
Versuch betrug die Dicke t des Werkstücks 10 etwa
0,8 mm. Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird aber beispielsweise auch für Dicken t bis 3,5 mm und
mehr erwogen. Die Dicke ist für das Verfahren nur insofern
relevant, als dickere Materialien tendenziell auch einen höheren Grat
und größere Schneidkonturlängen haben.
Da prinzipiell nur die Oberfläche aufgeschmolzen wird, spielt
es keine Rolle, wie dick das Material ist.
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Im
Versuch wurde beim erfindungsgemäßen Verfahren
entlang der zu entgratenden Kante K des Kreises Kr die Laserstrahlung
punktuell im Bereich der zu entgratenden Kante K aufgebracht, wobei
am Umfang des Kreises Kr acht oder zwölf Laserpunkte auf
das Werkstück 10 beaufschlagt wurden. Für
die Anwendung in einem Produktionsprozess ist die Zahl allerdings
unerheblich, solange der Zeitbedarf nicht zu hoch wird und die Punkte überlappen.
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4a und 4b veranschaulichen
entsprechende Ergebnisse bei alternativen Ansteuerungen des Lasers,
die je nach Material des Werkstücks und Ausführung
des Lasers gewählt werden können. Zur Einfachheit
wird hier nur das Ergebnis einer erfindungsgemäßen
Ausführungsform des Verfahrens mit acht Laserpunkten gezeigt.
Dem Fachmann ist klar, dass die alternativen Ansteuerungen des Lasers auch
für verschiedene Anzahlen von Laserpunkten arbeiten. In
einer in 4a gezeigten ersten Variation
wird die Laserstrahlung in einer zeitlich und räumlich
vorbestimmten Weise derart geführt, dass aneinander grenzende
Bereiche der zu entgratenden Kante aufeinanderfolgend nacheinander
mit der Laserstrahlung beaufschlagt werden. Die Laserpunkte sind hier
mit #1 für den zeitlich zuerst gesetzten und #8 für den
zeitlich zuletzt gesetzten Laserpunkt bezeichnet, die Laserpunkte
wurden hier also im Uhrzeigersinn gesetzt. In 4b sind
die Laserpunkte zeitlich alternierend oder intermittierend jeweils
auf eine gegenüberliegende Seite der kreisförmigen
Kante gesetzt. Dies kann bei bestimmten Kombinationen vom Material
des Werkstücks und Laserparametern, wie Leistung, Pulsdauer,
Mode, etc., vorteilhaft sein, um Materialüberhitzungen
zu vermeiden. Hierbei ist allerdings zu beachten, dass bei weiten
Wegen zwischen den Laserpunkten unter Umständen die Verfahrgeschwindigkeit
des Scannersystems die Taktzahl limitiert, bei benachbarten Punkten
der Laser selbst.
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5 zeigt,
wie 1, eine gemessene Kontur eines
gestanzten Werkstücks, allerdings nachdem das erfindungsgemäße
Verfahren angewandt wurde. Es ist deutlich zu sehen, dass ein vor der
erfindungsgemäßen Bearbeitung entstandener Grat
G nunmehr an der Oberfläche O des Werkstücks 10 teilweise
angeschmolzen ist und sich nur noch als kleine Erhebung G' zeigt.
Die Grathöhe S' des angeschmolzenen Grats G' ist deutlich
kleiner als eine typischerweise auftretende Grathöhe. Der Glattschnittanteil
W ist dabei in keiner Weise beeinträchtigt worden. Damit
ist gezeigt, dass das erfindungsgemäße Verfahren
in vorteilhafter Weise eine Bearbeitung von gestanzten Werkstücken
ermöglicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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