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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Oberflächenstruktur. Die Erfindung betrifft weiterhin eine derartige Oberflächenstruktur sowie ein Werkstück und ein Gerät mit einer derartigen Oberflächenstruktur.
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Stand der Technik
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Aus der Druckschrift
DE 20 2005 013 139 U1 ist eine Dokumentenschutzhülle zur Aufnahme von Dokumenten mit RFID-Chip bekannt. Das Material der Schutzhülle, bei dem es sich um Kunststofffolien, vorzugsweise auch aus Weichplastik (Polyethylen), handelt, besitzt eine vollflächige metallische Beschichtung oder ist mit einer Metallschicht bedeckt, die zur breitbandigen Abschirmung elektromagnetischer Wellen geeignet ist. Diese Metallschichten sind entweder aufgedampft oder in Form einer Metallfolie zwischen Plastikschichten verklebt. Mit einer Dicke von rund 0,08 mm ist die Metallschicht zwar unter ungünstigsten Umständen für die elektromagnetische Strahlung eines sehr starken Senders in unmittelbarer Nähe durchlässig, jedoch wird eine Antwort des RFID-Chips in Form von elektromagnetischen Wellen aufgrund der geringen Sendeleistung des RFID-Chips komplett unterbunden. Die Vorrichtung besitzt hauptsächlich den Zweck, die von RFID-Chip zurückgesandten Informationen abzublocken.
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Die Druckschrift
DE 10 2008 028 286 A1 betrifft ein Hybriddünnschichtsystem für EMV, Radartechnik, NF, WLAN und RFID. In dieser Druckschrift wird eine Absorberdünnschicht genannt, kombiniert mit einer Zinkschicht, oder ein Schichtsystem, bestehend aus Absorberschichten/Zinkschichten, wofür magnetische Schichten, dielektrische Schichten, resistive Schichten und Zwischenschichten aus Zink genannt werden. Angegeben sind diese Schichten bzw. Schichtsysteme als absorbierende und schirmdämpfende EMV/Radar/HF/NF/RFID/WLAN-Schichten bzw. -Schichtsysteme im mm-, μm-, nm- und Monolagen-Bereich für Frequenzen oberhalb von 10 kHz als Beschichtung für technische Applikationen der allgemeinen Art wie z. B. Leiterplatten, Kabel, Gehäuse, Displays, usw. Dabei soll die elektromagnetische Energie der HF-Strahlung in einem Frequenzbereich von 10 kHz bis 300 GHz durch den Einsatz einer HF-absorbierenden und reflektierenden Schicht auf einer Zinkschicht/Schichtsystem, welche im Inneren und/oder auf Außenflächen einer technischen Anordnung partiell oder vollständig aufgetragen ist, in andere Energieformen, insbesondere thermische, mechanische, optische oder andere Energie, umgewandelt werden. Diese Schichten sollen durch verschiedenste Beschichtungsverfahren abgeschieden werden, wie z. B. – ohne nähere Beschreibung – CVD, PLD, PVD, Sputtering, MBE, Spray, Lichtbogenverfahren, thermische Verdampfung.
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Mit diesen Anordnungen soll jeweils eine Abschirmung elektromagnetischer Felder oder Wellen bewirkt werden. Für eine Abschirmung magnetischer Felder, insbesondere niederfrequenter magnetischer Felder oder magnetischer Gleichfelder, sind die in den vorstehend zitierten Druckschriften angegebenen Maßnahmen jedoch nicht geeignet.
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Darstellung der Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile
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Die Erfindung hat die Aufgabe, eine einfache und kostengünstige Möglichkeit zur Abschirmung elektrischer, elektromagnetischer und magnetischer Felder in einem breiten Frequenzband bis hin zu Gleichfeldern zu schaffen, die flexibel und wirksam für unterschiedlichste Einsatzgebiete verwendbar ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer elektrische und magnetische Felder abschirmenden Oberflächenstruktur auf einer Oberfläche eines Werkstücks, wobei in einem ersten Herstellungsschritt auf die Oberfläche des Werkstücks eine erste Schicht aus einem elektrisch leitenden, vorzugsweise einem elektrisch hochleitenden, ersten Werkstoff und in einem zweiten Herstellungsschritt auf die erste Schicht aus dem elektrisch leitenden, vorzugsweise dem elektrisch hochleitenden, ersten Werkstoff eine zweite Schicht aus einem magnetisch leitfähigen, vorzugsweise einem magnetisch hoch leitfähigen, zweiten Werkstoff aufgebracht wird.
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Bei der mit diesem Verfahren erzeugten, schichtförmigen Oberflächenstruktur wird durch den elektrisch leitenden Werkstoff eine wirksame Abschirmung elektrischer und elektromagnetischer Felder in einem breiten, auch tiefe und tiefste Frequenzen umfassenden Frequenzbereich erzielt, und durch den magnetisch leitenden Werkstoff werden magnetische Felder, insbesondere niederfrequente magnetische Felder und magnetische Gleichfelder wirksam abgeschirmt.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den auf den unabhängigen Verfahrensanspruch rückbezogenen Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird als erste Schicht als elektrisch leitender, vorzugsweise elektrisch hochleitender, erster Werkstoff bevorzugt ein Metall oder eine Metalllegierung aufgebracht. In dieser erfindungsgemäßen Reihenfolge des Aufbringens der Schichten auf die Oberfläche des Werkstücks wird vorteilhaft die günstige Eigenschaft einer Vielzahl derartiger Metalle und Metalllegierungen genutzt, auf unterschiedlichsten Untergründen bzw. Oberflächen von Werkstücken eine gute bis sehr gute Haftung aufzuweisen. Damit dient die erste Schicht zugleich als Haftgrund für die nachfolgende zweite Schicht. Besonders bevorzugt wird dabei als erster Werkstoff ein Zink oder eine Zink enthaltende Legierung umfassender Werkstoff aufgebracht. Als ein bevorzugtes Beispiel für eine derartige Legierung ist eine Zink-Aluminium-Legierung genannt, vorzugsweise in einer als ZnAl25 bezeichneten Zusammensetzung. Dieses Material zeichnet sich durch gute elektrische Leitungseigenschaften sowie durch gute Hafteigenschaften auf Oberflächen von Werkstücken aus unterschiedlichsten Werkstoffen aus. Darüber hinaus besitzt es eine hohe Elastizität, so dass eine daraus bestehende, auf die Oberfläche des Werkstücks aufgebrachte Schicht in der Lage ist, in weiten Grenzen Verformungen des Werkstücks, z. B. durch Wärmedehnung, ohne Beschädigungen, insbesondere ohne Rissbildungen, zu folgen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als zweiter Werkstoff ein ein ferromagnetisches Material umfassender Werkstoff aufgebracht. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird dafür eine als Mu-Metall bezeichnete Nickel-Eisen-Legierung aufgebracht. In weiteren Abwandlungen dieses Beispiels werden wahlweise Silizium-Eisen-Legierungen, Kobalt-Eisen-Legierungen, aber auch Reineisen verwendet. Als grundsätzliche Anforderungen, die vom Hystereseverhalten des zweiten Werkstoffs erfüllt sein müssen, sind eine hohe Anfangspermeabilität, eine geringe Remanenzinduktion und eine geringe Koerzitivfeldstärke bedeutsam. Eine hohe Permeabilität, vorzugsweise eine hohe Anfangspermeabilität, sichert eine gute magnetische Leitfähigkeit des zweiten Werkstoffs und damit eine hohe Abschirmwirkung gegenüber magnetischen Feldern. Damit kann mit einer vorgegebenen Dicke der zweiten Schicht eine höhere Abschirmwirkung erzielt oder bei vorgegebener Abschirmwirkung, d. h. Feldschwächung, durch die aufzubringende zweite Schicht deren Dickenabmessung reduziert werden, wodurch Kostenvorteile erzielt werden. Besonders bevorzugt sind als zweiter Werkstoff für das Aufbringen der zweiten Schicht dabei allgemein Werkstoffe, die eine amorphe oder nanokristalline weichmagnetische Legierung umfassen. Derartige Legierungen besitzen die für den erfindungsgemäßen Zweck günstigsten Eigenschaften, eignen sich also am besten für die Abschirmung insbesondere magnetischer Felder unterschiedlicher Feldverteilungen und Feldstärken, da ihre magnetischen Eigenschaften zumindest nahezu richtungsunabhängig sind.
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Nach einer anderen bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einem dritten Herstellungsschritt auf die zweite Schicht aus dem magnetisch leitfähigen, vorzugsweise dem magnetisch hoch leitfähigen, zweiten Werkstoff eine einen korrosionshemmenden dritten Werkstoff umfassende dritte Schicht aufgebracht.
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Je nach Einsatzbereich des erfindungsgemäß beschichteten Werkstücks ist eine derartige korrosionshemmende dritte Schicht erforderlich oder sinnvoll. Ein besonderer Vorteil ergibt sich, wenn das Werkstück einer Umgebung ausgesetzt ist, die korrosive Stoffe enthält. Dies ist insbesondere für Anwendungen im Automobilbereich gegeben.
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Nach einer weiteren Fortbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als dritter Werkstoff ein Zink oder eine Zink enthaltende Legierung umfassender Werkstoff aufgebracht. Insbesondere kann dabei ein dritter Werkstoff aufgebracht werden, der in seiner Zusammensetzung wenigstens nahezu dem ersten Werkstoff entspricht. Damit ergibt sich eine besondere Vereinfachung und Verbilligung in der Herstellung der Schichten, da diese in zumindest weitgehend gleich ausgestalteten Herstellungsschritten, bevorzugt mit derselben Herstellungseinrichtung bzw. -anlage, gefertigt werden können. Ein Zink oder eine Zink enthaltende Legierung umfassender Werkstoff bietet zusätzlich zu dem erzielten Korrosionsschutz auch noch den Vorteil einer weiteren Abschirmung gegenüber elektrischen und elektromagnetischen Feldern. Dies ist insbesondere bedeutsam für Einsatzgebiete bzw. Einsatzzwecke der erfindungsgemäßen Oberflächenstruktur, bei denen verstärkt ein Skin-Effekt auftritt, d. h. insbesondere für Hochfrequenzanwendungen.
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Gemäß einer anderen Fortbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden als dritter Werkstoff eine oder mehrere korrosionshemmende Lackschichten aufgebracht. In Anwendungsfällen, für die die erste Schicht eine hinreichende Abschirmwirkung bietet und hinreichend dick ausgeführt ist, insbesondere für Niederfrequenzanwendungen, und damit die korrosionshemmende Eigenschaft der dritten Schicht vorrangig ist, stellt das Aufbringen einer oder mehrerer Lackschichten eine kostengünstige Abwandlung des Verfahrens dar.
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Nach einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden wenigstens der erste und/oder der zweite Werkstoff durch ein Spritzverfahren aufgebracht. Spritzverfahren ermöglichen eine kostengünstige Beschichtung von Werkstücken unterschiedlicher Gestaltung und unterschiedlichster Werkstoffe. Bevorzugt kommt ein thermisches Spritzverfahren zur Anwendung. Dabei wird der aufzuspritzende Werkstoff stark erwärmt und durch einen starken Gasstrom zerstäubt und auf der Oberfläche des Werkstücks niedergeschlagen. Beispielsweise kann die Erwärmung durch einen Lichtbogen vorgenommen werden. Der aufzuspritzende Werkstoff kann dabei als Pulver, Draht oder in einer anderen Form vorliegen. Darüber hinaus ist auch die Verwendung anderer Beschichtungsverfahren für das erfindungsgemäße Herstellen der Oberflächenstruktur möglich, in der Regel sind damit jedoch nur geringere Schichtdicken herstellbar, als dies mit einem Spritzverfahren möglich ist.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Spritzverfahren unter einer Schutzgasatmosphäre, bevorzugt unter Stickstoff, ausgeführt. Damit ist eine ungünstige Beeinflussung der durch das Spritzverfahren aufzubringenden Werkstoffe, insbesondere eine Korrosion durch die umgebende Atmosphäre, wirksam verhindert. Bevorzugt wird dadurch eine Korrosion aufzubringender Metalle bzw. Metalllegierungen wirksam unterbunden.
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Obgleich in vielen Anwendungsfällen, d. h. für viele Werkstücke und deren Werkstoffe, die erste Schicht aus elektrisch leitendem, insbesondere elektrisch hochleitendem Werkstoff bereits eine gute bis sehr gute Haftung auf der Oberfläche des Werkstücks aufweist, wie dies bevorzugt bei einer ersten Schicht aus Zink oder einer Zinklegierung der Fall ist, kann diese Haftung der ersten Schicht auf der Oberfläche des Werkstücks vorteilhaft dadurch weiter verbessert werden, dass vor Ausführen des ersten Herstellungsschrittes ein Verfahrensschritt zum Aufrauen der Oberfläche des Werkstücks vorgenommen wird.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die erste Schicht im ersten Herstellungsschritt auf eine wenigstens teilweise mit einem niedrig temperaturbelastbaren Werkstoff, insbesondere mit einem Kunststoff oder einem Faserverbundwerkstoff, ausgebildete Oberfläche des Werkstücks aufgebracht. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens und seiner bevorzugten Ausgestaltung liegt darin, auch temperaturempfindliche Werkstücke mit einer sehr wirksamen elektrischen, elektromagnetischen und magnetischen Abschirmung in einfacher und kostengünstiger Weise auszustatten.
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Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine elektrische und magnetische Felder abschirmende Oberflächenstruktur auf einer Oberfläche eines Werkstücks, wobei auf der Oberfläche des Werkstücks eine erste Schicht aus einem elektrisch leitenden, vorzugsweise einem elektrisch hochleitenden, ersten Werkstoff und auf der ersten Schicht aus dem elektrisch leitenden, vorzugsweise dem elektrisch hochleitenden, ersten Werkstoff eine zweite Schicht aus einem magnetisch leitfähigen, vorzugsweise einem magnetisch hoch leitfähigen, zweiten Werkstoff angeordnet ist.
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Durch die erfindungsgemäße Kombination des elektrisch leitenden Werkstoffs mit dem magnetisch leitenden Werkstoff bei der erfindungsgemäßen Oberflächenstruktur wird eine hochwirksame Abschirmung elektrischer, elektromagnetischer und magnetischer Felder in einem breiten, auch tiefe und tiefste Frequenzen bis hin zu Gleichfeldern umfassenden Frequenzbereich erzielt.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Oberflächenstruktur sind in den auf den auf die erfindungsgemäße Oberflächenstruktur gerichteten unabhängigen Vorrichtungsanspruch rückbezogenen Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Oberflächenstruktur ist die erste Schicht mit einem Zink oder eine Zink enthaltende Legierung umfassenden Werkstoff ausgebildet. Dieser Werkstoff zeichnet sich durch eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit und damit eine sehr gute Abschirmwirkung für elektrische und elektromagnetische Felder aus. Außerdem weisen Zink und Zinklegierungen eine sehr gute Haftung auf Untergründen aus unterschiedlichsten Werkstoffen auf. Dadurch bildet die Zink oder eine Zink enthaltende Legierung aufweisende erste Schicht auch einen Haftgrund für die zweite Schicht.
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Ein bevorzugtes Beispiel für eine derartige Zink enthaltende Legierung ist eine Zink-Aluminium-Legierung, vorzugsweise ZnAl25. Dieser Werkstoff weist gute elektrische Leitungseigenschaften und gute Hafteigenschaften auf Oberflächen unterschiedlichster Werkstücke auf. Außerdem sind damit erzeugte Schichten sehr elastisch und dadurch in der Lage, Verformungen des Werkstücks, z. B. durch Wärmedehnung, ohne Beschädigungen, insbesondere ohne Rissbildungen, in weiten Grenzen zu folgen.
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Nach einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Oberflächenstruktur ist die zweite Schicht mit einem ein ferromagnetisches Material umfassenden Werkstoff ausgebildet. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst die zweite Schicht eine als Mu-Metall bezeichnete Nickel-Eisen-Legierung. In Abwandlungen dieses Beispiels umfasst die zweite Schicht wahlweise Silizium-Eisen-Legierungen, Kobalt-Eisen-Legierungen oder Reineisen. Das Hystereseverhalten des zweiten Werkstoffs muss grundsätzlich eine hohe Anfangspermeabilität, eine geringe Remanenzinduktion und eine geringe Koerzitivfeldstärke aufweisen. Dabei wird durch eine hohe Permeabilität, vorzugsweise eine hohe Anfangspermeabilität, eine gute magnetische Leitfähigkeit des zweiten Werkstoffs und damit eine hohe Abschirmwirkung gegenüber magnetischen Feldern erhalten. Damit kann bei vorgegebener Dicke der zweiten Schicht eine höhere Abschirmwirkung erzielt oder bei vorgegebener Abschirmwirkung, d. h. Feldschwächung, durch die aufzubringende zweite Schicht deren Dickenabmessung reduziert werden, wodurch Kostenvorteile erreicht werden. Besonders bevorzugt sind für die zweite Schicht amorphe oder nanokristalline weichmagnetische Legierungen umfassende Werkstoffe. Derartige Legierungen besitzen die für den erfindungsgemäßen Zweck günstigsten Eigenschaften und bewirken so eine optimale Abschirmung insbesondere magnetischer Felder unterschiedlicher Feldverteilungen, insbesondere Feldrichtungen und Feldstärken, da ihre magnetischen Eigenschaften zumindest nahezu richtungsunabhängig sind.
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In einer noch anderen bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Oberflächenstruktur ist auf der zweiten Schicht eine einen korrosionshemmenden dritten Werkstoff umfassende dritte Schicht angeordnet. Vorteilhaft werden dadurch das Werkstück und seine Oberflächenstruktur insbesondere in einer korrosive Stoffe enthaltenden Umgebung geschützt Dies ist insbesondere für Anwendungen im Automobilbereich notwendig oder zweckdienlich.
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Der dritte Werkstoff umfasst in einer weiteren Fortbildung der erfindungsgemäßen Oberflächenstruktur Zink oder eine Zink enthaltende Legierung. Insbesondere kann dabei der dritte Werkstoff in seiner Zusammensetzung wenigstens nahezu dem ersten Werkstoff entsprechen. Ein Zink oder eine Zink enthaltende Legierung umfassender Werkstoff dient zusätzlich zu dem erzielten Korrosionsschutz auch noch einer weiteren Abschirmung gegenüber elektrischen und elektromagnetischen Feldern. Dies wirkt ungünstigen Einflüssen eines Skin-Effekts auf die Abschirmwirkung der erfindungsgemäßen Oberflächenstruktur vor und ist insbesondere für Hochfrequenzanwendungen vorteilhaft.
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Gemäß einer anderen Fortbildung der erfindungsgemäßen Oberflächenstruktur umfasst der dritte Werkstoff eine oder mehrere korrosionshemmende Lackschichten. Dies ist eine kostengünstige Abwandlung der erfindungsgemäßen Oberflächenstruktur für Anwendungsfälle, in denen die erste Schicht eine hinreichende Abschirmwirkung bietet und hinreichend dick ausgeführt ist, insbesondere für Niederfrequenzanwendungen, eine weitere leitende Schicht entbehrlich und damit die korrosionshemmende Eigenschaft der dritten Schicht vorrangig ist.
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Die oben genannte Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Werkstück mit einer Oberflächenstruktur der vorbeschriebenen Art oder mit einer Oberflächenstruktur, hergestellt nach einem Verfahren der vorbeschriebenen Art. Ein in dieser Weise ausgebildetes Werkstück zeigt eine einfache, kostengünstige und flexibel nach verschiedensten räumlichen Gegebenheiten ausgestaltbare, hochwirksame Abschirmung elektrischer, elektromagnetischer und magnetischer Felder in einem breiten Frequenzbereich, der auch tiefe und tiefste Frequenzen bis hin zu Gleichfeldern umfasst.
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Das Werkstück kann als Konstruktionselement ausgebildet sein, insbesondere als gehäuseartiges Konstruktionselement. Ein derartiges Konstruktionselement kann für ein Gerät, insbesondere für ein elektrisches Gerät, vorgesehen sein.
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Mit einer gehäuseartigen Ausbildung des Konstruktionselements ist dabei jede Art einer Gestaltung bezeichnet, die dazu vorgesehen oder geeignet ist, einen bestimmten Raumbereich und/oder ein in diesem Raumbereich befindliches oder aufzunehmendes Objekt und/oder eine in diesem Raumbereich befindliche oder aufzunehmende Person gegen elektrische und/oder elektromagnetische sowie magnetische Felder abzuschirmen. Dies umfasst eine Ausgestaltung als Gehäuse oder Gehäuseteil sowie eine Gestaltung, die im vorbeschriebenen Sinn eine Funktion oder Wirkungsweise in der Art eines Gehäuses oder Gehäuseteils aufweist. Dabei kann das gehäuseartige Konstruktionselement insbesondere einen Raumbereich der genannten Art zumindest im Wesentlichen umschließen, oder es ist der bezeichnete Raumbereich durch das gehäuseartige Konstruktionselement zumindest im Wesentlichen ausgeschlossen, und die elektrischen, elektromagnetischen und magnetischen Felder befinden sich in einem zumindest im wesentlichen umschlossenen Bereich. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist auf diese Weise ein Innenraum eines Gehäuses gegen die bezeichneten Felder abschirmbar, oder es ist eine Umgebung eines solchen Gehäuses gegen ein Austreten von Feldern der bezeichneten Art aus dem Gehäuse abschirmbar.
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Die oben genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Gerät, insbesondere ein elektrisches Gerät, welches gekennzeichnet ist durch eine Oberflächenstruktur der vorbeschriebenen Art oder eine Oberflächenstruktur, die nach einem Herstellungsverfahren der vorbeschriebenen Art hergestellt ist. Vorteilhaft dient die beschriebene Oberflächenstruktur der Abschirmung empfindlicher elektrischer oder nichtelektrischer Geräte oder dem Schutz von Personen vor elektrischen und/oder elektromagnetischen sowie magnetischen Feldern. Ebenso vorteilhaft dient die beschriebene Oberflächenstruktur der Abschirmung magnetischer sowie wahlweise elektrischer und/oder elektromagnetischer Felder, die von elektrischen und/oder nichtelektrischen Geräten ausgehen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen eines derartigen Geräts sind in den auf den unabhängigen Anspruch rückbezogenen Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Ein derartiges Gerät, insbesondere ein elektrisches Gerät der vorbezeichneten Art kann durch ein Konstruktionselement, insbesondere ein gehäuseartiges Konstruktionselement, mit einer Oberflächenstruktur der beschriebenen Gestaltung oder einer Oberflächenstruktur, die nach einem Verfahren der beschriebenen Art hergestellt ist, gekennzeichnet sein. Dieses Konstruktionselement kann ein Gehäuse oder ein Gehäuseteil des Geräts und/oder einer Baugruppe, die Teil eines derartigen Geräts ist, sein. Damit lassen sich gezielt Abschirmungen für das Gerät oder eine oder mehrere seiner Baugruppen ausbilden.
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Das vorbezeichnete Gerät, insbesondere elektrisches Gerät, kann durch eine Ausbildung mit einem elektrischen Energiespeicher gekennzeichnet sein. Die beschriebene Abschirmung kann zum Schutz des Energiespeichers vor magnetischen sowie elektrischen und/oder elektromagnetischen Feldern ausgebildet sein. Bei einem derartigen Gerät, insbesondere elektrischen Gerät, kann der elektrische Energiespeicher mit einer Batterie und/oder einem Akkumulator, insbesondere einer Fahrzeugbatterie und/oder einem Fahrzeugakkumulator und/oder einer Fahrzeugbatteriezelle und/oder einer Fahrzeugakkumulatorenzelle, insbesondere für ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, ausgebildet sein. Dadurch ist eine einfache, kostengünstige, Gewicht und Bauraum sparende sowie hochwirksame Abschirmung der Fahrzeugbatterie bzw. des Fahrzeugakkumulators bzw. von Teilen derselben ermöglicht.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im nachfolgenden näher beschrieben. Dabei sind übereinstimmende Elemente in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
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1 in grob schematischer Darstellung eine Fahrzeugbatterie als Ausführungsbeispiel für ein Gerät mit einem Konstruktionselement mit einer erfindungsgemäßen Oberflächenstruktur und
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2 eine grob schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Einrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Oberflächenstruktur, z. B. zur Anwendung auf einem Konstruktionselement gemäß dem Beispiel nach 1.
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Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
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In 1 ist in grob schematischer Darstellung mit dem Bezugszeichen 200 eine Fahrzeugbatterie als Ausführungsbeispiel für ein Gerät mit einem Konstruktionselement mit einer erfindungsgemäßen Oberflächenstruktur bezeichnet. Dabei sind die inneren elektrischen Konstruktionsmerkmale der Fahrzeugbatterie 200 für die Beschreibung des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung ohne Belang und daher in 1 mit Ausnahme einer schematischen Darstellung zweier äußerer elektrischer Anschlüsse 201, 202 nicht abgebildet. Die inneren elektrischen Konstruktionsmerkmale sind von einem Batteriegehäuse 203 umschlossen, welches aus einem Kunststoff, bevorzugt einem karbonfaserverstärkten Kunststoff, abgekürzt als CFK bezeichnet, gefertigt ist. Diese Kunststoffe zeichnen sich durch geringes Gewicht und hohe mechanische Festigkeit aus.
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Karbonfaserverstärkter Kunststoff ist aufgrund seines Anteils an Karbonfasern zu einem Teil elektrisch leitfähig, aufgrund seines weiteren Anteils an Kunstharz zum anderen Teil in der Regel nicht leitfähig. Diese Ausgestaltung ist bevorzugt, da auf diese Weise das Gehäuse aus mit Kunstharz vollständig umschlossenen Karbonfasern eine elektrische Isolation der Fahrzeugbatterie 200, insbesondere der inneren elektrischen Konstruktionsmerkmale gegenüber einer Umgebung der Fahrzeugbatterie 200, ermöglicht. Dagegen reicht die elektrische Leitfähigkeit der Karbonfasern regelmäßig nicht aus, um einem derart ausgebildeten Batteriegehäuse 203 eine für eine wirksame Abschirmung elektrischer und elektromagnetischer Felder notwendige Wirkungsweise eines gut leitfähigen Faradayschen Käfigs zu verleihen. Auch eine Abschirmung magnetischer Felder erfolgt durch das Batteriegehäuse 203 aus karbonfaserverstärktem Kunststoff nicht.
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Zum Abschirmen der Fahrzeugbatterie 200 nach 1 ist das Batteriegehäuse 203 gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Beschichtung versehen, die in einer Ausschnittvergrößerung der Einzelheit Z in 1 schematisch dargestellt ist. Demgemäß ist auf äußeren Flächen des Batteriegehäuses 203 eine erste Schicht 204 aus einem elektrisch leitenden, vorzugsweise einem elektrisch hochleitenden, ersten Werkstoff, besonders bevorzugt Zink oder eine Zinklegierung, angeordnet. Die erste Schicht 204 bildet eine Abschirmung für elektrische und elektromagnetische Felder und aufgrund ihrer guten Haftungseigenschaften auf dem Material des Batteriegehäuses 203 zugleich einen Haftgrund für weitere, auf der ersten Schicht 204 angeordnete Schichten. Aufgrund ihrer besonders günstigen mechanischen und elektrischen Eigenschaften ist die erste Schicht 204 in diesem Ausführungsbeispiel mit einer Zink-Aluminium-Legierung, vorzugsweise ZnAl25, ausgeführt.
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Auf der ersten Schicht 204 ist eine zweite Schicht 205 aus einem magnetisch leitfähigen, vorzugsweise einem magnetisch hoch leitfähigen, zweiten Werkstoff, besonders bevorzugt einem ein ferromagnetisches Material umfassenden Werkstoff, angeordnet. Bei diesem zweiten Werkstoff der zweiten Schicht handelt es sich z. B. um eine als Mu-Metall bezeichnete Nickel-Eisen-Legierung; wahlweise ist die zweite Schicht mit Silizium-Eisen-Legierungen, Kobalt-Eisen-Legierungen oder Reineisen gebildet. Besonders bevorzugt umfasst die zweite Schicht Werkstoffe, die amorphe oder nanokristalline weichmagnetische Legierungen enthalten. Diese Werkstoffe zeigen ein wenigstens nahezu vollständiges isotropes Verhalten gegenüber magnetischen Feldern, so dass eine gleichmäßig wirksame Abschirmung unabhängig von der Richtung der Feldlinien der abzuschirmenden magnetischen Felder erzielt wird. Durch ihre hohe magnetische Leitfähigkeit wird außerdem bereits mit dünnen Schichten dieses Werkstoffs eine hohe Abschirmwirkung erreicht.
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Auf der zweiten Schicht 205 ist in dem Ausführungsbeispiel nach 1 eine dritte Schicht 206 angeordnet. Die dritte Schicht 206 dient in erster Linie dem Korrosionsschutz, und zwar im vorliegenden Ausführungsbeispiel vorzugsweise in dem Korrosionsschutz der zweiten Schicht 205, da das Batteriegehäuse 203 hier aus korrosionsfestem Werkstoff gebildet ist. Dafür kann die dritte Schicht 206 in zwei unterschiedlichen Varianten ausgeführt sein.
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In einer ersten Variante umfasst die dritte Schicht 206 einen elektrisch leitenden, vorzugsweise einen elektrisch hochleitenden, dritten Werkstoff, besonders bevorzugt Zink oder eine Zinklegierung wie z. B. ZnAl25. In dieser Ausbildung wird die dritte Schicht 206 zusätzlich zum Korrosionsschutz auch als weitere Abschirmung elektrischer und elektromagnetischer Felder. Mit dieser Anordnung kann insbesondere Auswirkungen des Skin-Effekts begegnet werden, wodurch sich diese Variante für die dritte Schicht 206 besonders bevorzugt für Hochfrequenzanwendungen eignet.
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In einer zweiten Variante ist die dritte Schicht 206 mit einem Schichtenaufbau aus einer oder mehreren korrosionshemmenden Lackschichten ausgestaltet. Dadurch ergibt sich ein kostengünstiger Korrosionsschutz für alle Fälle, in denen der Skin-Effekt keine Rolle spielt, d. h. insbesondere für Niederfrequenzanwendungen.
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In einer dritten, hier nicht dargestellten Variante kann in Fällen, in denen eine Korrosion bzw. ein Korrosionsschutz keine Rolle spielt und in denen auch nicht mit einer nennenswerten Wirkung des Skin-Effekts zu rechnen ist, die dritte Schicht 206 ganz entfallen.
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Die erste, zweite und, sofern vorgesehen, dritte Schicht 204, 205 und ggf. 206 bilden eine erfindungsgemäße Oberflächenstruktur 100, die auf einer Oberfläche des Batteriegehäuses 203, welches ein Konstruktionselement der Fahrzeugbatterie 200 bildet, angeordnet ist.
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In 2 ist grob schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Einrichtung 300 dargestellt, mit der eine Schichtanordnung, wie sie z. B. 1 zeigt, nach der Erfindung als Oberflächenstruktur 100 auf einem Werkstück herstellbar ist. Als Werkstück ist beispielhaft wieder das Batteriegehäuse 203, das ein Konstruktionselement der Fahrzeugbatterie 200 bildet, verwendet.
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Gemäß der Darstellung nach 2 wird die Oberflächenstruktur auf der Oberfläche des Batteriegehäuses 203 mit einem als thermisches Spritzverfahren bezeichneten Herstellungsverfahren erzeugt, welches Spritzverfahren erfindungsgemäß bevorzugt zum Einsatz kommt. Dazu wird der aufzubringende Werkstoff der einzelnen Schichten 204, 205, 206 mit Hilfe einer Wärmequelle 304 auf eine Temperatur oberhalb seines Schmelzpunktes erhitzt, so dass er in den flüssigen Zustand übergeht. Mit Hilfe eines Druckgasstrahls 301, z. B. eines Druckluftstrahls, aus einer Druckgasdüse 302 wird der verflüssigte Werkstoff zerstäubt und in einem Sprühkegel 303 auf die Oberfläche des Werkstücks, hier des Batteriegehäuses 203, geblasen. Auf dieser Oberfläche setzt sich dann der betreffende Werkstoff als Schicht 204, 205 bzw. 206 ab. Die Verteilung und Dicke der Schichten 204, 205, 206 ist durch Variation der Betriebsparameter der Einrichtung 300 in dem benötigten Umfang einfach einstellbar, insbesondere durch Einstellung eines Mengenflusses bei der Zufuhr des zu zerstäubenden Werkstoffs, einer Durchflussmenge des Druckgases an der Druckgasdüse 302, einer von der Wärmequelle 304 bereitzustellenden Leistung und/oder einer Vorschubgeschwindigkeit, mit der das Werkstück 203 während des Aufsprühens des Werkstoffs gegenüber dem Sprühkegel 303 verschoben wird.
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Vorteilhaft sind wenigstens weitgehend alle Bauteile der Einrichtung 300, insbesondere aber die Wärmequelle 304, der zu zerstäubende Werkstoff, der Sprühkegel 303 und das Werkstück 203, im Betrieb der Einrichtung 300 während der Herstellung der Schichten 204, 205 bzw. 206 von einem Schutzgas umhüllt, welches eine Korrosion des zu zerstäubenden Werkstoffs insbesondere im zerstäubten, heißen Zustand verhindern soll. Zu diesem Zweck ist die Einrichtung 300 beispielsweise in einem zumindest im Wesentlichen geschlossenen Raum 305 aufgenommen, dem über eine in 2 grob schematisch angedeutete Gaszufuhreinrichtung 306 das Schutzgas zugeleitet wird. Wahlweise kann die notwendige Zufuhr des Schutzgases auch ganz oder teilweise über die Druckgasdüse 302 erfolgen, so dass eine gesonderte Gaszufuhreinrichtung 306 entfallen kann. Als Schutzgas kann bevorzugt Stickstoff eingesetzt werden.
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In 2 ist die Wärmequelle 304 lediglich symbolisch dargestellt. Bevorzugt kann als Wärmequelle ein elektrischer Lichtbogen zur Anwendung kommen, jedoch sind auch andere Wärmequellen, z. B. Brenner, möglich. Im erstgenannten Fall wird ein Lichtbogen-Spritzverfahren, im zweiten Fall ein Flammspritzverfahren angewandt.
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Die Herstellung der erfindungsgemäße Oberflächenstruktur mit einem thermischen Spritzverfahren hat den Vorteil, dass die einzelnen Schichten 204, 205 bzw. 206 mit der selben Einrichtung 300 hergestellt werden können. Dazu wird für den ersten Herstellungsschritt zum Aufbringen der ersten Schicht 204 eine erste Werkstoffquelle 307, mit der der erste Werkstoff für die erste Schicht 204 bereitgestellt wird, mit der Wärmequelle 304 in thermischen Kontakt gebracht. In der ersten Werkstoffquelle 307 liegt der erste Werkstoff beispielsweise als Draht, Stab oder Pulver vor. Der erste Werkstoff wird durch die Erwärmung mittels der Wärmequelle 304 verflüssigt und durch den Druckgasstrahl 301 zerstäubt. Mit dem Sprühkegel 303 wird der zerstäubte erste Werkstoff auf der Oberfläche des Werkstücks 203 niedergeschlagen.
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Zum Durchführen des Zweiten Herstellungsschritts muss nun lediglich die erste Werkstoffquelle 307 gegen eine zweite Werkstoffquelle 308 getauscht werden, durch die der zweite Werkstoff für die zweite Schicht 205 bereitgestellt wird. Die Herstellung der zweiten Schicht 205 erfolgt ansonsten in derselben Weise wie diejenige der ersten Schicht 204. Dabei sind lediglich, dem zweiten Werkstoff, insbesondere dessen Schmelztemperatur, und den gewünschten Abmessungen der zweiten Schicht 205 entsprechend, die oben genannten Betriebsparameter einzustellen.
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In derselben Weise wird in einem dritten Herstellungsschritt der Werkstoff aus einer dritten Werkstoffquelle 309 verarbeitet, sofern auch dieser durch thermisches Spritzen aufgebracht werden soll. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn die dritte Schicht 206 aus einem leitenden Werkstoff, insbesondere aus Zink oder einer Zinklegierung, aufgebaut werden soll. Zum Aufbringen einer oder mehrerer Lackschichten wird dagegen bevorzugt eine entsprechend ausgestaltete Lackspritzeinrichtung verwendet, die jedoch in 2 nicht dargestellt ist. Eine derartige Lackspritzeinrichtung kann jedoch bevorzugt den geschlossenen Raum 305 mitbenutzen, so dass das Werkstück darin nach dem zweiten Herstellungsschritt verbleiben kann und somit vor Verunreinigungen geschützt ist.
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In der 2 sind die erste Werkstoffquelle 307 und die dritte Werkstoffquelle 309 als getrennte Anordnungen dargestellt. Sofern der erste und der dritte Werkstoff für die erste Schicht 204 und die dritte Schicht 206 eine identische Zusammensetzung aufweisen, kann bevorzugt die gesonderte dritte Werkstoffquelle 309 entfallen.
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Insgesamt ergibt sich bei dem vorbeschriebenen Herstellungsverfahren der Vorteil, dass eine elektrische, elektromagnetische und magnetische Abschirmung mit gleichartigen Herstellungsschritten in derselben Einrichtung hergestellt werden können, hier bevorzugt dem thermischen Spritzen. Dadurch wird die Herstellung vereinfacht und verbilligt.
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Die Erfindung hat ferner den Vorteil, ein Verfahren und eine Oberflächenstruktur zu schaffen, die eine weitestgehende Gestaltungsfreiheit bei der Herstellung von mit einer elektrischen, elektromagnetischen und magnetischen Abschirmung zu versehenden Werkstücken bzw. Konstruktionselementen erlauben. Auch komplizierte Oberflächenformen können mit diesem Verfahren sehr einfach und wirkungsvoll mit einer Abschirmung, insbesondere auch mit einer magnetischen Abschirmung, versehen werden, da diese Abschirmung als Beschichtung ausgeführt ist. Diese Beschichtung lässt sich grundsätzlich auf allen Flächen eines Werkstücks, bei gehäuseartigen Werkstücken sowohl auf Innenflächen als auch auf Außenflächen, anbringen. Im Gegensatz zu einem Aufbringen z. B. einer mit ferromagnetischem Material ausgebildeten Kunststofffolie oder der Anordnung magnetisch leitender Bleche wird eine wesentlich höhere Flexibilität und kostengünstigere Herstellung erreicht.
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Außerdem muss beim Formen derartiger Kunststofffolien bzw. Bleche stets damit gerechnet werden, dass durch die Umformungsvorgänge, die zum Anpassen derartige Kunststofffolien bzw. Bleche an die Gestaltung des aktuell abzuschirmenden Werkstücks erforderlich sind, die magnetischen Eigenschaften der Kunststofffolien bzw. Bleche unerwünscht verändert werden, so dass die Abschirmwirkung negativ beeinflusst werden kann. Zwar kann bei magnetisch leitenden Blechen diese negative Beeinflussung durch Glühen bei hohen Temperaturen ausgeglichen werden. Dieses Verfahren verbietet sich jedoch sowohl für ferromagnetische Kunststofffolien als auch für temperaturempfindliche Werkstücke, die mit einer derartigen Abschirmung versehen sind.
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Darüber hinaus besitzen Kunststofffolien, die durch Einbringen pulverförmiger ferromagnetischer Materialien magnetisch leitend sind, bei zu geringem Anteil ferromagnetischer Materialien ungenügende magnetische Eigenschaften und bei zu hohem Anteil ferromagnetischer Materialien ungenügende mechanische Eigenschaften und sind daher für die geforderte Abschirmwirkung nicht einsetzbar.
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Durch die Erfindung wird jegliche negative Beeinflussung der magnetischen Permeabilität des für die Abschirmung verwendeten Werkstoffs durch formende Verarbeitung, wie z. B. mechanische Umformung, vermieden. Daher können auch anschließende Glühprozesse zur Wiederherstellung der anfänglichen magnetischen Permeabilität entfallen. Damit lässt sich sehr einfach eine abschirmende Beschichtung auch auf temperaturempfindlichen Werkstücken herstellen.
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Die gestalterische Flexibilität bei der Konstruktion abzuschirmenden Werkstücke und Konstruktionselemente wird auch dadurch erhöht, dass insbesondere bei Verwendung von Werkstoffen hoher magnetischer Permeabilität für die magnetische Abschirmung sehr dünne Schichten für eine hohe Abschirmwirkung ausreichen. Die Schichtdicken sind bei der Erfindung sehr einfach auf die Anforderungen der herzustellenden Abschirmung anpassbar. Die Abschirmwirkung wird auch dadurch vergrößert, dass in der gemäß der Erfindung aufgebrachten Oberflächenstruktur keinerlei Unterbrechung des magnetisch leitenden Werkstoffs durch Füllstoffe, wie sie bei z. B. Kunststofffolien erforderlich sind, auftritt, und damit keinerlei Einbußen in der magnetischen Permeabilität hingenommen werden müssen.
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Durch das Aufbringen des magnetisch leitenden Werkstoffs mittels Beschichten werden außerdem im Ausgangsmaterial gegebenenfalls vorhandene magnetische Anisotropien beim Zerstäuben und Abscheiden des Materials leichter ausgeglichen und damit ebenfalls eine verbesserte Abschirmwirkung erzielt.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Oberflächenstruktur
- 200
- Fahrzeugbatterie
- 201
- Elektrischer Anschluss von 200
- 202
- Elektrischer Anschluss von 200
- 203
- Batteriegehäuse
- 204
- Erste Schicht (Zink; Zinklegierung)
- 205
- Zweite Schicht (ferromagnetisches Material)
- 206
- Dritte Schicht (Korrosionsschutz; Skin-Effekt)
- 300
- Einrichtung zur Herstellung einer Oberflächenstruktur 100
- 301
- Druckgasstrahl
- 302
- Druckluftdüse
- 303
- Sprühkegel
- 304
- Wärmequelle
- 305
- Geschlossener Raum für Schutzgas
- 306
- Gaszufuhreinrichtung (Schutzgaszufuhr)
- 307
- Erste Werkstoffquelle (erster Werkstoff für 204)
- 308
- Zweite Werkstoffquelle (zweiter Werkstoff für 205)
- 309
- Dritte Werkstoffquelle (dritter Werkstoff für 206)
- Z
- Einzelheit aus 1
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202005013139 U1 [0002]
- DE 102008028286 A1 [0003]
