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Stand der Technik
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In Fluidsystemen, wie beispielsweise einem Kraftstoff-Einspritzsystem, müssen immer wieder druckführende Bohrungen unterschiedlicher Durchmesser miteinander verschnitten werden, um eine gewünschte hydraulische Funktion zu gewährleisten. Weil eine auf eine Wandung einer Bohrung wirkende Kraft vom Druck des Fluids und der Größe der Oberfläche der Wandung abhängig ist (Kraft = Druck × Fläche), weiten sich größere Bohrungen bei einem bestimmten Druck stärker als Bohrungen mit kleinerem Durchmesser. Trifft die kleinere Bohrung in einem Winkel ungleich 90° auf die größere Bohrung, führt dies dazu, dass im Eintrittsbereich der kleineren Bohrung Zug- und Schubkräfte aus versetzten Richtungen angreifen und der Eintrittsbereich elliptisch verformt wird. Die spannungsbedingten Verformungen können auf Dauer eine Materialermüdung bewirken, so dass ein Riss im umgebenden Material entstehen kann. Die Rissbildung wird begünstigt, wenn der Fluiddruck sich häufig ändert, wie beispielsweise in einem Kraftstoffinjektor für einen Hubkolbenmotor. Je größer die Durchmesserabweichungen der beiden Bohrungen sind, desto höher sind auch die entstehenden, lokal auftretenden Spannungsspitzen im Schnittbereich der Bohrungen.
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DE 10 2006 036 103 A1 beschreibt eine Kanalanordnung für einen Kraftstoffinjektor, bei der zur Steigerung der Hochdruckfestigkeit eine taschenförmige Ausnehmung im Schnittbereich zweier Bohrungen vorgesehen ist. Die Ausnehmung weist einen Wandabschnitt auf, der sich in einer Radialebene des größeren der beiden Fluidkanäle erstreckt. Ein Winkel zwischen den beiden Bohrungen beträgt maximal in etwa 90°.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Kraftstoffinjektor mit einer Kanalanordnung anzugeben, die Spannungen zwischen zwei verschnittenen Bohrungen im Verschneidungsbereich minimiert. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Kanalanordnung in einem Kraftstoffinjektor anzugeben.
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Die Erfindung löst diese Probleme durch einen Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen nach Anspruch 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 zur Herstellung der Kanalanordnung im Kraftstoffinjektor. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen an.
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Erfindungsgemäß umfasst ein Kraftstoffinjektor eine Kanalanordnung mit einem ersten Kanal, der entlang einer ersten Längsachse durch den Körper verläuft, und einen zweiten Kanal, der entlang einer zweiten Längsachse durch den Körper verläuft, wobei die Längsachsen einen spitzen Winkel miteinander einschließen und wobei der erste Kanal einen größeren Querschnitt als der zweite Kanal aufweist. In dem Körper ist eine Ausnehmung im Schnittbereich der beiden Kanäle vorgesehen, wobei die Ausnehmung in einer Schnittebene, welche die erste Längsachse umfasst, eine rechteckige Form aufweist.
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Die Ausnehmung mit dem erfindungsgemäß rechteckigen Querschnitt erlaubt eine Minimierung hydraulisch induzierter Spannungen im Schnittbereich, wobei vorteilhafterweise Spannungen bei niedrigen und hohen Fluiddrücken relativ wenig voneinander abweichen, so dass sowohl bei konstanten als auch bei variablen Drücken eine Lebensdauerverlängerung des Kraftstoffinjektors, in welchen die Kanalanordnung eingebracht ist, bewirkt werden kann. Auch bestehende Kraftstoffinjektoren können mit der erfindungsgemäßen Kanalanordnung nachgerüstet werden und dadurch eine erhöhte Druckfestigkeit erlangen. Ferner erleichtert die Rechteckform des Querschnitts eine Vermessung des Übergangs, beispielsweise im Rahmen einer Qualitätskontrolle, und eine zweidimensionale Darstellbarkeit, beispielsweise in einer Konstruktionszeichnung.
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Gegenüberliegende Kanten der rechteckigen Form können gleichförmig abgerundet sein. Es hat sich gezeigt, dass ein Verrundungsgrad der Verschneidungskurve nur noch geringen Einfluss auf entstehende Spannungsspitzen hat. Die Herstellbarkeit, die Vermessbarkeit und die Darstellbarkeit des Schnittbereichs werden durch die Verrundung der Kanten jedoch weiter verbessert.
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In einer zur Längsachse des ersten Kanals senkrechten Schnittebene kann die Ausnehmung eine weitere rechteckige Form aufweisen. Dabei können gegenüberliegende Kanten der weiteren rechteckigen Form ebenfalls gleichförmig abgerundet sein. Diese Rundungen können in ihren Radien den Rundungen der ersten rechteckigen Form entsprechen oder von diesen verschieden sein. Insgesamt weist dadurch die Ausnehmung die Form eines Quaders auf, dessen Kanten paarweise abgerundet sein können. Dadurch werden Herstellbarkeit, Vermessbarkeit und Darstellbarkeit des Kraftstoffinjektors unter Beibehaltung der spannungsreduzierenden Wirkung der Kanalanordnung noch weiter verbessert.
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Die Ausnehmung kann in dem Körper einen ebenen Wandabschnitt bilden, der senkrecht zur ersten Längsachse verläuft und an Wandabschnitte beider Kanäle angrenzt. Eine Größe des Wandabschnitts der Ausnehmung definiert einen Steg zwischen den beiden Bohrungen, durch den scharfkantige bzw. spitzwinklige Geometrien, die eine Spannungsbildung fördern und/oder eine Fluidströmung stören, vermieden werden können.
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Der von den Längsachsen der beiden Kanäle eingeschlossene Winkel kann in einem Bereich zwischen 45 und 70°, bevorzugt zwischen 50 und 65° liegen. In diesen Winkelbereichen wirkt die erfindungsgemäß rechteckige Form der Ausnehmung besonders spannungsmindernd.
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Ein Verfahren zur Herstellung des beschriebenen Kraftstoffinjektors mit der Kanalanordnung umfasst Schritte des Einbringens eines ersten Kanals, der entlang einer ersten Längsachse verläuft, in einen Körper; des Einbringens eines zweiten Kanals, der entlang einer zweiten Längsachse verläuft, in den Körper, wobei die Längsachsen einen spitzen Winkel miteinander einschließen und der erste Kanal einen größeren Querschnitt als der zweite Kanal aufweist, und des Einbringens einer Ausnehmung in den Körper im Schnittbereich zwischen den beiden Kanälen, wobei die Ausnehmung in einer Schnittebene, welche die erste Längsachse umfasst, eine rechteckige Form aufweist.
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Insbesondere kann die Ausnehmung mittels elektrochemischem Abtragen eingebracht werden. Ein vorausgehendes Fräsen oder Bohren einer Grobstruktur der Ausnehmung kann somit entfallen, was Kostenvorteile mit sich bringen kann. Das elektrochemische Abtragen ermöglicht zudem geringere Toleranzfehler als eine auf einer spanenden Bearbeitung basierende Herstellung. Ferner wird eine Prozesssicherheit gegenüber der konventionell spanenden Herstellung verbessert. Durch das elektrochemische Abtragen kann auch eine geometrische Reproduzierbarkeit der Kanalanordnung im Kraftstoffinjektor verbessert werden, wodurch verlässlichere Simulationsergebnisse ermöglicht werden können.
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Eine für das elektrochemische Abtragen verwendete Elektrode kann während des Einbringens der Ausnehmung bezüglich des Körpers im Wesentlichen parallel zu Kanten der Ausnehmung bewegt werden. Dabei kann die Elektrode in einem konstanten Abstand zum Körper gehalten werden. Dadurch können Taktzeiten, während derer die Elektrode periodisch bestromt wird, verringert werden, wodurch der Abtragevorgang räumlich begrenzt und eine entstehende Oberflächengüte der Ausnehmung verbessert werden kann. Insbesondere in Bereichen nahe der elektrochemisch abgetragenen Ausnehmung kann durch den verringerten Streubereich der Abtragung eine bessere Druckfestigkeit erzielt werden.
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Insgesamt können durch die bewegliche Elektrode geringere Herstellungskosten, eine bessere Oberflächenqualität und eine freiere Konturgestaltung realisiert werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genauer beschrieben, in denen:
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1 einen Längsschnitt durch eine Kanalanordnung in einem Kraftstoffinjektor;
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2 einen weiteren Längsschnitt durch die Kanalanordnung aus 1;
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3 Variationen von Formen der Ausnehmung aus den 1 und 2; und
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4 eine Elektrode zum elektrochemischen Abtragen der Ausnehmung aus den 1 und 2
darstellen.
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Genaue Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
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1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Kanalanordnung 100 in einem Kraftstoffinjektor. In einen Körper des eines Kraftstoffinjektors 110 ist ein erster Kanal 120 entlang einer ersten Längsachse 130 senkrecht eingebracht. Der erste Kanal 120 ist eine Stufenbohrung, die beispielsweise durch Bohren, Drehen oder Fräsen von oben eingebracht ist. Der Körper des Kraftstoffinjektors 110 besteht vorzugsweise aus einem niedrig legierten Stahl, wie beispielsweise 42CrMo4, 18CrNi8 oder 16MnCr5. Edelstähle sind weniger gut geeignet, da sie weniger homogen sind, so dass sie beim Bearbeiten dazu tendieren, relativ raue Oberflächen zu bilden, in denen ein Riss eines Dauerbruchs einen Anfang nehmen kann. Ein zweiter Kanal 140 verläuft entlang einer zweiten Längsachse 150 durch den Körper Kraftstoffinjektors 110, wobei ein Querschnitt des zweiten Kanals 140 in einem Schnittbereich der Kanäle 140 und 120 kleiner als ein Querschnitt des ersten Kanals 120 ist. Der erste Kanal 120 und/oder der zweite Kanal können 140 anders als in der Darstellung in 1 auch andere als kreisförmige Querschnitte aufweisen, etwa elliptisch oder polygonal. Die beiden Längsachsen 130 und 150 schließen miteinander einen Winkel α ein, der in einem Bereich zwischen 45 und 70° liegt. Bevorzugterweise liegt der Winkel α zwischen 50 und 65°.
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Der erste Kanal 120 ist in der Darstellung von 1 eine Aufnahmebohrung mit einem Durchmesser von ca. 6 mm zur Aufnahme eines Ventils, etwa eines Einspritzventils bzw. dessen Servoventils oder Drosselmoduls, und der zweite Kanal 140 eine Kraftstoffleitung mit einem Durchmesser von ca. 1,4 mm. Die Längsachsen 130 und 150 schneiden sich in der dargestellten Ausführungsform; es ist jedoch auch möglich, dass die erste Achse 130 und die zweite Achse 150 gegeneinander einen gewissen Versatz in z-Richtung aufweisen, so dass sie windschief sind. Der Winkel α wird dann entsprechend der üblichen geometrischen Konvention nach Projektion der Achsen 130 und/oder 150 entlang der z-Achse aufeinander bestimmt.
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Im Schnittbereich zwischen den Kanälen 120 und 140 ist eine quaderförmige Ausnehmung 160 angeordnet. Eine senkrecht verlaufende Kante 170 der quaderförmigen Ausnehmung 160 ist abgerundet. Eine zweite senkrecht verlaufende Kante der quaderförmigen Ausnehmung 160, die auf einer von der ersten Längsachse 130 entfernten Seite der quaderförmigen Ausnehmung 160 verläuft und durch die gewählte Schnittdarstellung in 1 nicht sichtbar ist, weist eine korrespondierende Abrundung auf. Zwei weitere senkrechte Kanten 170 der Ausnehmung 160 liegen im Bereich des ersten Kanals 120 und sind nicht darstellbar.
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Zwei waagrechte Kanten 180 der Ausnehmung 160 stehen jeweils senkrecht auf der senkrechten Kante 170 und sind ebenfalls zueinander korrespondierend abgerundet, wobei die Abrundung einen anderen Radius als die der senkrechten Kante 170 hat. In einer weiteren Ausführungsform können die Radien der Abrundungen der Kanten 170 und 180 auch gleich sein. Zwei weitere waagrechte Kanten 180 sind durch die gewählte Schnittdarstellung in 1 nicht sichtbar und verlaufen jeweils parallel zu den sichtbaren waagrechten Kanten 180.
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Der dargestellte rechteckige Längsschnitt der Ausnehmung 160 bietet bei dem angegebenen Winkel α zwischen ca. 50 und ca. 65° die optimale Kombination aus Spannungsreduktion bei hohen Drücken und geringen Spannungsunterschieden zwischen hohen und niedrigen Drücken in den Kanälen 120 und 140.
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In einer weiteren Ausführungsform kann die Ausnehmung 160 auch von der Quaderform abweichen, indem die von der ersten Längsachse 130 entfernte Begrenzung der Ausnehmung 160 um eine Achse herum gewölbt ist, die zur ersten Längsachse 130 parallel verläuft. Dabei können aneinander angrenzende Begrenzungen im Bereich der Ausnehmung 160 verrundet sein, also einen abgerundeten Übergang aufweisen. Diese Ausführungsform bewirkt ebenfalls noch etwas bessere Reduktion von Spannungen als durch die quaderförmige Ausnehmung 160, ist aber weniger leicht herzustellen und zu überprüfen.
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2 zeigt einen weiteren Längsschnitt durch die Kanalanordnung 100 aus 1. Die Ansicht aus 2 entsteht durch Drehung des Körpers des Kraftstoffinjektors 110 aus 1 um 90° gegen den Uhrzeigersinn um die erste Längsachse 130 bzw. die y-Achse. Die Ansicht von 2 ist vom Inneren des ersten Kanals 120 auf die Ausnehmung 160 und den zweiten Kanal 140 gerichtet.
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Der zweite Kanal 140 trifft im Bereich einer rückwärtigen Wand der Ausnehmung 160 in den Schnittbereich des ersten Kanals 120 mit dem zweiten Kanal 140, in dem die Ausnehmung 160 angeordnet ist. Durch die obere waagrechte Kante 180 verläuft eine obere Begrenzung des zweiten Kanals 140 im Wesentlichen waagrecht. Durch diese einseitige Abflachung des Querschnitts für das Fluid zwischen den Kanälen 120 und 140 wird eine signifikante Verringerung der Spannung in einem Bereich entlang der sichtbaren Begrenzung des zweiten Kanals 140 bewirkt.
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Die Quaderform der Ausnehmung 160 mit abgerundeten Kanten 170 und 180 ist aus den Darstellungen aus 1 und 2 gut ersichtlich. Bei einer Serienproduktion beispielsweise von Kraftstoffinjektoren mit der Kanalanordnung 100 wird eine Serienkontrolle der Kanalordnung 100 dadurch erleichtert, dass ein mechanisches oder optisches Vermessen des Schnittbereichs, der die Ausnehmung 160 umfasst, durch die einfache geometrische Form der Ausnehmung 160 schnell und sicher durchführbar ist.
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3 zeigt Variationen 300 von Formen der Ausnehmung 160 aus den 1 und 2 im Längsschnitt. Der Übersichtlichkeit halber ist jeweils nur ein Schnitt durch die Ausnehmung 160 entsprechend der Darstellung von 1 ohne den zweiten Kanal 140 dargestellt. Die Variationen 300 umfassen einen Höcker 310, eine Stufe 320, ein Haus 330, einen halben Krug 340, ein Rechteck 350, eine Kombination 360 aus einem Rechteck und einem Viertelkreis und ein Dreieck 370.
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Unterhalb jeder der Variationen 310 bis 370 sind zwei Zahlen angegeben, die jeweils eine mechanische Spannung entlang der in 2 horizontal verlaufenden oberen Schnittlinie zwischen dem zweiten Kanal 140 und der Ausnehmung 160 in N/mm2 angeben. Der jeweils obere Wert gibt die so genannte Unterspannung an; die bei einem niedrigen Fluiddruck in den Kanälen 120 und 140 herrscht; die jeweils untere Zahl gibt die so genannte Oberspannung an, die bei einem hohen Druck in den Kanälen 120 und 140 herrscht. Die verwendeten Drücke entsprechen dabei üblichen Betriebsdrücken von Kraftstoff im Kraftstoffinjektor.
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Zwar ist die Oberspannung bei der Form des Rechtecks 350 höher als beim halben Krug 340 und der Kombination 360, jedoch beträgt der Unterschied der Oberspannung des Rechtecks 350 zu den anderen beiden Formen 340 und 360 nur 4 bzw. 6 N/mm2. Die Differenz zwischen Oberspannung und Unterspannung ist unter allen dargestellten Formen 310–360 bei der rechteckig-runden Variation 360 am geringsten. Die Variation 360 ist daher am besten geeignet, die mechanischen Spannungen zu reduzieren. Die Rechteckform 350 ist aufgrund ihrer angegebenen Ober- und Unterspannung nur unwesentlich weniger gut geeignet, die mechanischen Spannungen im Übergangsbereich zwischen den Kanälen 120 und 140 der Kanalanordnung 100 in 1 und 2 im Sinne einer Lebensdauerverlängerung des umgebenden Körpers des Kraftstoffinjektors 110 zu reduzieren, bietet jedoch den Vorteil signifikant verbesserter Herstellbarkeit und Überprüfbarkeit durch Messen.
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4 zeigt eine Elektrode 400 zum elektrochemischen Abtragen der Ausnehmung 160 aus den 1 und 2. Die Elektrode 400 umfasst einen senkrechten Abschnitt 410 und einen waagrechten Abschnitt 420. Der senkrechte Abschnitt 410 ist von einer Isolierung 430 umgeben. Die Ausrichtung der Elektrode 400 bezüglich der Kanalanordnung 100 aus den 1 und 2 ist lagerichtig bezüglich des eingezeichneten Koordinatensystems. Die konkrete Form der Elektrode 400, insbesondere des unisolierten waagrechten Abschnitts 420, kann variieren und beispielsweise ein anderes als das gezeigte spitze Ende aufweisen. Die Abschnitte 410 und 420 der Elektrode 400 können einen anderen als den dargestellten rechten Winkel miteinander einschließen und jeder der Abschnitte 410 und 420 kann auch gebogen sein. In einer weiteren Ausführungsform kann ein Teil des waagrechten Abschnitts 420 ebenfalls von der Isolierung 430 abgedeckt sein.
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Ein Verfahren zur Herstellung der Kanalanordnung 160 in den 1 und 2 umfasst zunächst ein Einbringen der Kanäle 120 und 140 in das Material des Körpers des Kraftstoffinjektors 110, beispielsweise durch Bohren, Drehen oder Fräsen. Anschließend wird die Elektrode 400 parallel zur ersten Längsachse 130 entgegen der Y-Richtung in den ersten Kanal 120 eingeführt. Der Raum zwischen der Elektrode 400 und dem Körper des Kraftstoffinjektors 110 wird mit einer elektrolytischen Flüssigkeit, beispielsweise Kochsalzlösung, zum Ausschwemmen abgelösten Materials des Körpers des Kraftstoffinjektors 110 gespült. Zwischen der Elektrode 400 und dem Körper des Kraftstoffinjektors 110 wird eine vorzugsweise pulsierende Spannung angelegt.
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Während die Spannung anliegt, fließt ein Strom zwischen der Elektrode 400 und dem Körper des Kraftstoffinjektors 110 durch die Flüssigkeit. Dabei wird Material des Körpers des Kraftstoffinjektors 110 abgelöst und mittels der Flüssigkeit ausgeschwemmt. Die Elektrode 400 wird nun derartig bewegt, dass sie einen im Wesentlichen konstanten Abstand zum Körper des Kraftstoffinjektors 110 einhält. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der Abstand so lange verringert wird, bis eine Stromstärke zwischen der Elektrode 400 und dem Körper des Kraftstoffinjektors 110 bis auf einen vorbestimmten Wert angestiegen ist. Die Elektrode 400 wird derartig bewegt, dass die quaderförmige Ausnehmung 160 mit den abgerundeten Kanten 170 und 180 sukzessive aus dem Material des Körpers des Kraftstoffinjektors 110 abgetragen wird. Die Bewegung der Elektrode 400 kann beispielsweise eine Mäander- oder Schneckenform in der z-y-Ebene umfassen.
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Ist die quaderförmige Ausnehmung 160 in der gewünschten Tiefe in x-Richtung aus dem Körper des Kraftstoffinjektors 110 herausgelöst, ist die Kanalanordnung 100 fertig gestellt. Die Elektrode 400 kann durch den ersten Kanal 120 aus der Kanalanordnung 100 herausgefahren und die elektrolytische Flüssigkeit abgelassen werden. Durch das elektrochemische Abtragen entstehen Oberflächen der Ausnehmung 160 von ausreichender Güte, um eine weitere Bearbeitung der Kanalanordnung 100 unnötig zu machen. Eine Oberflächenrauigkeit Rz kann im Bereich von 1 μm und darunter liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006036103 A1 [0002]
