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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche eines Substrates durch Laserauftragschweißen. Das Verfahren ist dabei in zwei Schritte gegliedert, bei dem in einem ersten Schritt zunächst zwei zueinander beabstandet verlaufende Beschichtungsspuren, sogenannte Verbindungsstege, erzeugt werden. Der zwischen den Verbindungsstegen verbleibende Zwischenraum wird in einem zweiten Schritt mit einer Beschichtungsspur, der sogenannten Füllspur, aufgefüllt. Dabei handelt es sich bei der Füllspur nur um eine einzige Beschichtungsspur.
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Beim Beschichten mittels Laserstrahlung (Laserauftragschweißen) mit pulverförmigem Zusatzwerkstoff wird auf der Oberfläche eines Bauteils durch den auf der Oberfläche des Bauteils auftreffenden Laserstrahl ein Schmelzbad erzeugt, in das ein pulverförmiger Zusatzwerkstoff durch eine Pulverdüse injiziert wird.
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Ein derartiges, aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren ist in 1 dargestellt. Hierbei wird die Oberfläche eines Substrates 1 mittels eines Laserstrahls 2 beaufschlagt und aufgeschmolzen. Durch eine Pulverdüse 3, die den Laserstrahl 2 koaxial einfasst, wird in das vom Laserstrahl 2 erzeugte Schmelzbad ein Pulver 4 eines schmelzbaren Materials eingebracht, das im vom Laserstrahl erzeugte Schmelzbad 5 aufgeschmolzen wird. Durch Bewegung des Substrates 1 relativ zum Laserstrahl 2 und Auftrag des Pulvers 4 durch die Pulverdüse 3 entsteht dabei auf der Oberfläche des Substrates 1 eine Beschichtungsspur oder Beschichtungsraupe 2', deren Querschnitt in 2 dargestellt ist. Die Geometrie der Beschichtungsraupe ähnelt dem Querschnitt von ihrer Grundform her einer Linsenform. Durch das Auftragen bzw. Erzeugen mehrerer sich überlappender Beschichtungsraupen 2' kann eine flächige Beschichtung hergestellt werden. 3 zeigt einen Querschnitt durch eine gemäß dieser Technik hergestellten Beschichtung aus einer Mehrzahl sich partiell überlappender Beschichtungsraupen 2'.
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Je nach Grad der Überlappung entsteht dabei eine beschichtete Fläche mit einer mehr oder weniger ausgebildeten Wellenstruktur auf der Schichtoberfläche. Generell gilt: Wenn der Überlappungsgrad unter 80% liegt, bildet sich auf der Schichtoberfläche eine mit abnehmendem Überlapp zunehmende Wellenstruktur aus. In 4 ist dieses schematisch für zwei Überlappungsgrade ersichtlich. Schema A) zeigt eine Schicht mit ca. 20% Überlapp und Schema B) eine Schicht mit 50% Überlapp. In Schema A) ist eine deutlich stärkere Wellenstruktur zu sehen als in Schema B). Das bedeutet, dass bei einem größeren Überlappungsgrad die Schichtoberfläche endkonturnäher d. h. glatter gefertigt werden kann, aber dafür mehr Spuren benötigt werden und die Beschichtungsdauer länger ist. Dieses gilt prinzipiell beim Laserauftragschweißen sowohl für kreisförmige als auch für rechteckförmige oder ellipsenförmige Querschnitte von Laserstrahlen.
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Im Gegensatz zu einem kreisförmigen Laserstrahl kann mit einem rechteckförmigen Querschnitt des Laserstrahls bei gleicher Leistungsdichte (W/mm2) des Laserstrahls eine breitere Beschichtungsraupe erzeugt werden. Dabei entstehen beim Erzeugen von dünnen Schichten mit einem rechteckförmigen Laserstrahlprofil oftmals sogenannten Einbrandkerben (siehe Bezugszeichen 4 in 5) in den Seitenbereichen der Beschichtungsraupen. Diese verursachen Schichteinbrüche (siehe Bezugszeichen 5 in 5) im Überlappbereich, die eine aufwendige Nachbearbeitung notwendig machen, wodurch die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens beeinträchtigt wird.
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Weiterhin treten beim Laserauftragschweißen von harten Werkstoffen, wie zum Beispiel Wolfram-Karbid-Kobalt (WC/Co) häufig Risse auf, die bei der überlappenden Bearbeitung zu sogenannten Rissgittern führen, die in vielen Anwendungen nicht toleriert werden.
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6 zeigt ein Oberflächenaufnahme einer durch Laser-Auftragschweißen erzeugten WC/Co-Beschichtung nach einer Farbeindringprüfung, in der ein deutliches Muster eines Rissgitters erkennbar ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, ein Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche eines Substrates mittels Laserauftragschweißen zur Verfügung zu stellen, bei dem eine im Vergleich zum Stand der Technik beim Laser-Auftragschweißen eine höhere Oberflächenqualität bezüglich einer höheren Ebenheit der Oberfläche bei geringem Überlappungsgrad der Beschichtungsspuren erreicht wird, und dass wie oben beschrieben Einbrandkerben und Schichteinbrüchen sowie Rissgitter vermieden werden können.
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Dieses wird erreicht mit den Merkmalen des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Patentanspruch 1. Die abhängigen Patentansprüche stellen dabei vorteilhafte Weiterbildungen dar.
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Die vorliegende Erfindung betrifft somit ein Verfahren zum Laser-Auftragschweißen, bei dem der Materialauftrag in einem ersten Schritt durch mindestens zwei zueinander beabstandet verlaufende Beschichtungsspuren, im weiteren hier als Verbindungsstege bezeichnet, erfolgt, und anschließend in einem zweiten Schritt die zwischen jeweils zwei Verbindungsstegen liegende Oberfläche des Substrats mit einer Beschichtungsspur, im weiteren hier als Füllspur bezeichnet, beschichtet wird.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden somit zunächst zumindest zwei bzw. mehr Verbindungsstege mittels Laserauftragschweißen erzeugt.
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In einem sich anschließenden zweiten Schritt wird die Fläche zwischen jeweils zwei erzeugten Verbindungsstegen ebenfalls mittels Laserauftragschweißen gefüllt. Dieser zweite Beschichtungsschritt erfolgt dabei in einem einzigen Bearbeitungsschritt durch Laserauftragschweißen, d. h. der Bereich zwischen zwei Verbindungsstegen wird in einem einzigen Arbeitsdurchgang durch Laserauftragschweißen komplett gefüllt.
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Überraschenderweise konnte festgestellt werden, dass die dabei erzeugte Welligkeit der Oberfläche deutlich geringer ist, verglichen mit den eingangs beschriebenen Laser-Auftragsschweiß-Verfahren. Dies bedeutet, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mit weniger Arbeitsaufwand eine glattere Oberfläche erzielbar ist. Gleichzeitig können Einbrandkerben, insbesondere bei Verwendung von rechteckförmigen Laserstrahlen vermieden werden. Auch die Rissgitter, die insbesondere wie oben beschrieben beim Auftragen von harten Werkstoffen ein Problem darstellen, können beim erfindungsgemäßen Verfahren vermieden werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Verbindungsstege eine Breite (b) aufweisen und dass für ein Verhältnis des Abstands (d), gemessen von der Mitte eines Verbindungsstegs zur Mitte eines benachbarten Verbindungsstegs, zur Breite (b) jeweils unabhängig voneinander gilt: 1,3 ≤ d/b ≤ 35, bevorzugt 3 ≤ d/b ≤ 15 und besonders bevorzugt 4 ≤ d/b ≤ 7.
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Vorteilhaft ist weiterhin, wenn die Füllspuren die Verbindungsstege zumindest partiell überlappen und somit mit den Verbindungsstegen schmelzmetallurgisch verbunden werden können, wobei die Überlappung mit dem jeweiligen Verbindungssteg jeweils unabhängig voneinander zwischen 25 % und 100 %, bevorzugt zwischen 30 und 65 %, besonders bevorzugt zwischen 40 und 50 % beträgt. Die Überlappung bezieht sich dabei auf die Breite des jeweiligen Verbindungsstegs.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, dass das Material der Verbindungsstege und der Füllspuren identisch sein kann. Ebenso ist es jedoch möglich, dass die Füllspuren, aus einem unterschiedlichen Material gebildet sein können, als die Verbindungsstege. Dies ermöglicht, insbesondere bei überlappendem Auftrag der Füllspur mit den Verbindungsstegen einen graduellen Übergang der Materialien vom Verbindungssteg zur Füllspur. Durch einen derartigen Auftrag können insbesondere Spannungen, die an den Stoßgrenzen der unterschiedlichen Materialien entstehen würden, vermieden bzw. abgebaut werden. Selbstverständlich können die Materialien der Verbindungsstege und Füllspuren auch identisch sein, so dass eine glatte Fläche aus homogenem Material erzeugt werden kann.
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Weiterhin ist es möglich, dass mehr als zwei zueinander beabstandet verlaufende Verbindungsstege erzeugt werden, wobei die zwischen zwei beliebigen Paaren aus Verbindungsstegen liegende Oberfläche des Substrats mit einer Füllspur aus identischen oder unterschiedlichen Materialien, verglichen mit der jeweiligen anderen Füllspur , beschichtet wird. Eine beispielhafte Ausführungsform ist in 7 dargestellt und wird weiter unten näher beschrieben.
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Bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist es somit insbesondere möglich, dass ein Paar Verbindungsstege erzeugt wird und eine Füllspur aus einem ersten Material zwischen diesem ersten Paar von Verbindungsstegen eingefüllt wird. Die Füllspur zwischen einem beliebigen anderen Paar an Verbindungsstegen , beispielsweise zwischen einem an das erste Paar angrenzenden Paar von Verbindungsstegen kann dabei mit einem identischen, aber auch unterschiedlichen Material, verglichen mit der zwischen dem ersten Paar aus Verbindungsstegen gefüllt werden. Somit können Oberflächen von einheitlicher Materialbeschaffenheit, aber auch sequentiell unterschiedlicher Materialbeschaffenheit erzeugt werden.
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Das Substrat kann aus beliebigen Materialien, beispielsweise aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus metallischen Werkstoffen, Verbundwerkstoffen und nichtmetallischen Werkstoffen, besonders bevorzugt metallischen Werkstoffen, gebildet sein.
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Der Begriff „Verbundwerkstoffe“ bedeutet im Zusammenhang mit den Substraten dabei einen Werkstoff, der aus einer Kombination unterschiedlicher Werkstoffe gebildet ist, beispielsweise beschichtete Substrate, Leiterplatinen, Prepregs, Solarzellen etc.
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Die Verbindungsstege und Füllspuren können dabei jeweils unabhängig voneinander aus Materialien, deren Auftrag mittels Laserauftragschweißen möglich ist, gebildet sein, beispielsweise aus Materialien, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus metallischen Werkstoffen, Kompositwerkstoffen und nichtmetallischen Werkstoffen, bevorzugt metallische Werkstoffen..
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Insbesondere können die Verbindungsstege und Füllspuren in gleicher Dicke gebildet werden. Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens führt besonders zu einer äußerst homogen und glatt ausgebildeten Oberfläche, so dass beispielsweise ein anschließendes Nachbearbeitungsverfahren, bei dem die Oberfläche geglättet werden muss, gänzlich entfallen kann.
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Der zum Laser-Auftragssachweißen der Verbindungsstege verwendete Laserstrahl weist bevorzugt eine kreisförmige, rechteckförmige, linienförmige oder ellipsenförmige, bevorzugt kreisförmige oder rechteckförmige, besonders bevorzugt kreisförmig projizierte Laserstrahlfläche auf.
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Zusätzlich oder alternativ zu der vorgenannten Ausführungsform kann der zum Laserauftragschweißen der Füllspur verwendete Laserstrahl eine kreisförmige, rechteckförmige, linienförmige oder ellipsenförmige, bevorzugt kreisförmige oder rechteckförmige, projizierte Laserstrahlfläche aufweisen.
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Unter einer „projizierten Laserstrahlfläche“ im Sinne der zuvorgenannten Ausführungsform wird dabei der wirksame Querschnitt des Laserstrahls, der auf die Oberfläche des Substrates auftrifft, bezeichnet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit einem in zwei aufeinander folgenden Arbeitsschritten durch denselben oder verschiedene Laser bearbeitet werden, oder in einem Arbeitsvorgang durch zwei gleiche oder verschiedene Laser bearbeitet werden.
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Im ersten Fall werden hierbei die Verbindungsstege auf dem Substrat mittels dem selben Laser aufgetragen mittels dem auch anschließend die Füllspuren aufgetragen werden. Das Verfahren kann dabei derart ausgestaltet sein, dass zunächst sämtliche Verbindungstege aufgebracht werden, und anschließend die verbleibenden Zwischenräume zwischen den Verbindungsstegen mit der Füllspur sukzessiv oder kontinuierlich aufgefüllt werden. Alternativ hierzu ist es ebenso möglich, zunächst in einem ersten Schritt ein erstes Paar von Verbindungsstegen zu erzeugen, dann den Zwischenraum zwischen dem ersten Paar von Verbindungsstegen mit einer Füllspur zu füllen und anschließend in weiteren Arbeitsschritten jeweils einen benachbarten Verbindungssteg zu erzeugen, und weiter den neugebildeten Zwischenraum zwischen dem neuen Paar an Verbindungsstegen mit einer Füllspur auszufüllen.
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Im zweiten Fall ist es auch möglich, zwei separate Laser zur Beschichtung der Verbindungsstege und Füllspuren einzusetzen.
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Eine beispielhafte Verfahrensführung hierzu sieht vor, dass zum Beispiel die Verbindungsstege im ersten Arbeitsschritt durch einen Laser mit einem Laserstrahl mit kreisförmigen Laserstrahlprofiel generiert werden, während die Füllspuren anschließend oder zeitversetzt mit einem Laser mit einem rechteckförmigem Laserstrahlprofiel generiert werden. Bei einer derartigen Verfahrensführung ist zur Erzeugung einer jeweils zwischen zwei Verbindungsstegen ausgebildeten Beschichtung eine nur einmalige Relativbewegung des Substrates zu den Lasern notwendig. Diese Verfahrensvariante ist jedoch ebenso unter Verwendung eines einzigen Lasers möglich, dessen Strahl dann für die Zwecke der gleichzeitigen Ausbildung der Verbindungsstege und Füllspuren entsprechend geteilt werden kann.
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Nach erfolgter Beschichtung kann eine Nachbehandlung der beschichteten Oberfläche des Substrats erfolgen, insbesondere durch Fräsen, Drehen, Schleifen oder Polieren. Dies kann der weiteren Glättung der Oberfläche dienen.
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Für den Fall, dass bereits eine hinreichend glatte Oberfläche durch das Verfahren ausgebildet wird, kann ein entsprechender Nachbearbeitungsschritt ebenso entfallen.
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Die vorliegende Erfindung wurde anhand der nachfolgenden Ausführungen näher beschrieben, ohne die Erfindung auf die speziellen Ausführungsformen zu beschränken.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird im Folgenden als Laser-Verbindungssteg-Auftragsschweißen (LAVA) bezeichnet. Das Laser-Verbindungssteg-Auftragsschweißen ist ein Verfahren zur Herstellung von korrosions- und/oder verschleißbeständigen Schichten durch Laserauftragschweißen. Dabei werden die Schichten durch sogenannte Verbindungsstege und Füllspuren, auch Funktionsschichten genannt, hergestellt (7).
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Die prinzipielle Vorgehensweise des erfindungsgemäßen Laser-Verbindungssteg-Auftragsschweißens ist in 7 dargestellt. Hierbei werden zunächst auf einem Substrat 1 erste Beschichtungsspuren 6 (die sogenannten Verbindungsstege) erzeugt. Die Verbindungsstege sind dabei bevorzugt äquidistant zueinander in einem Abstand d, jeweils gemessen von der Mitte des jeweiligen Verbindungsstegs 6 zum benachbarten Verbindungssteg 6 aufgetragen. Der Auftrag erfolgt durch Laserauftragschweißen. Die Verbindungsstege werden dabei in einer Breite b und einer Höhe h aufgetragen. Nach Erzeugung der Verbindungsstege 6 wird jeweils der verbleibende Freiraum zwischen zwei Verbindungsstegen 6 mittels einer Füllspur 7, aufgefüllt. Bevorzugt wird die Füllspur in der gleichen Dicke h wie die Verbindungsstege 6 aufgetragen, so dass nach diesem zweiten Arbeitsschritt bereits eine glatte Oberfläche vorliegt. Die Füllspur 7 kann dabei bevorzugt mit den Verbindungsstegen 6 in einem Überlappungsbereich 8 überlappen. Im beispielhaften Fall gemäß 7 beträgt der Überlappungsgrad hierbei 50%. Im Gegensatz zum konventionellen Laserauftragschweißen werden somit beim LAVA-Ansatz zuerst Verbindungsstege 6 mit einem Mindestabstand d, welcher das 1,3 Fache der Breite des Verbindungsstegs beträgt, aufgebracht. Das bedeutet, dass sich die Verbindungsstege 6 nicht berühren. Die Distanz d zwischen den Verbindungsstegen 6 kann in Abhängigkeit von der zu Verfügung stehenden Laserleistung und Optikkomponenten gewählt werden. Bevorzugt beträgt dieser Abstand bis zum 35-fachen der Verbindungsstegbreite b. Die anschließende Füllung zwischen den Verbindungsstegen wird mit genau einer Beschichtungsspur 7 durchgeführt. Dafür wird die Breite der Beschichtungsspur für die Füllung 7 auf den Abstand der Verbindungsstege 6 abgestimmt. Die Überlappung 8 der Füllung mit dem Verbindungssteg 6 kann je nach Anwendung zwischen 25 und 60% betragen.
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Beim Auftragsschweißen der Füllspur treten durch den Kontakt der Schmelze mit den Verbindungsspuren Benetzungseffekte auf. Durch eine angepasste Prozessführung (insbesondere Strahldurchmesser, Laserleistung, Pulvermassenstrom, Vorschubgeschwindigkeit) kann dieser Effekt so ausgenutzt werden, dass die Oberfläche der Füllspur sich an die Oberfläche der Verbindungsstege anlegt. Dies führt zu einer sehr glatten und endkonturnahen Oberfläche.
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Eine entsprechende Vorgehensweise ist fotografisch in 8 dargestellt. Die perspektivisch links in 8 dargestellte Abbildung zeigt eine Vielzahl von Verbindungsstegen 6, deren Zwischenräume bereits vollständig oder teilweise mit Füllspuren 7 ausgefüllt sind. Der in 8 perspektivisch rechts dargestellte Ausschnitt zeigt eine perspektivisch schräge Aufnahme einer erzeugten Beschichtung, verglichen mit dem linken Teil, dar.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann somit eine äußerst glatte Oberfläche der Beschichtung erzeugt werden. Dies ist beispielsweise anhand 9 ersichtlich, in dem die erzeugte Beschichtung, ohne dass ein Nachbearbeitungsschritt erfolgt ist, einem Lichtspalttest unterzogen wird. Wie das Resultat des Lichtspalttests zeigt, weist die erzeugte Oberfläche eine äußerst glatte und homogene Oberfläche auf.
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Somit kann die Nachbearbeitung der beschichteten Fläche stark reduziert oder sogar ganz vermieden werden. Dies wird anhand des Vergleichs von erzeugten Beschichtungen nach dem herkömmlichen, im einleitenden Teil der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Verfahren erzeugten Beschichtung, im Vergleich zu einer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Beschichtung verdeutlicht.
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10 zeigt links eine Beschichtung mit den Standardverfahren mit einem Überlapp der Spuren von 40%. Auf der rechten Seite ist eine Beschichtung zu sehen, die mit dem LAVA-Verfahren hergestellt wurde. Bei beiden Schichten wurde 0,1 mm abgefräst. Deutlich ist zu sehen, dass bei der Beschichtung im rechten Bildteil eine glatte Oberfläche erreicht wurde, während im linken Teil noch immer Bereiche der unbearbeiteten Oberfläche der Beschichtung zu sehen ist. Außerdem wird hier eine um 40% größere Beschichtungsfläche erreicht, da beim erfindungsgemäßen Verfahren ein Spurversatz von 100% möglich ist. Bei immer größer werdenden Spurbreitenverhältnissen zwischen Verbindungssteg und Füllspur kann die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens immer weiter gesteigert werden, da der Überlapp nur zwischen Verbindungssteg und Füllspur stattfindet und die Breite des Verbindungsstegs um ein vielfaches kleiner ist als die Breite der Füllspur.
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Wie insbesondere aus 10 ersichtlich ist, lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch die bei aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren beschriebenen Einbrandkerben, die bei dem Beschichten mit rechteckförmigen Laserstrahl auftreten können, vermeiden.
